Energia e Sviluppo Sostenibile

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1 Biomasse A. Servida - servida@unige.it

2 Biomasse (1) Con biomassa si intende una sostanza organica vegetale o animale da cui si possa ricavare energia. La direttiva europea 2001/77/CE regolamenta la produzione di energia da biomasse e le include tra le fonti rinnovabili

3 Biomasse (2) Fonti primarie Da

4 Biomasse (3) La filiera Da

5 Integrazione con il territorio Biomasse (4) Da

6 Biomasse (5) Ogni sostanza di matrice organica di origine vegetale o animale, compresa la parte biodegradabile di rifiuti, da cui sia possibile ottenere energia attraverso processi di tipo termochimico o biochimico RISORSA RINNOVABILE ed INESAURIBILE

7 Biomasse Approvvigionamento (1)

8 17,0% biomasse solide 17,3% rifiuti urbani solidi 11,6% biogas Biomasse: scenario energetico in Italia ed Europa La popolazione mondiale soddisfa il 12-15% del proprio fabbisogno di energia attraverso l impiego di biomassa In Europa la produzione da biomassa rappresenta il 18,8% da fonti rinnovabili. Dei 100,3 TWh prodotti nel 2009: 33,8% Germania 11% Regno Unito e Svezia Italia 7,6%(5ºposto) 11º posto : produzione da biomassa rispetto a fonti rinnovabili 10º posto : produzione da biomassa rispetto a produzione totale di energia elettrica

9 Biomasse Approvvigionamento (3)

10 Biomasse Produzione En. Elettr. Per regione Da

11 Biomasse Utilizzo Per settore Da

12 Biomasse Caratteristiche (1) Per macro-composizione Da

13 Biomasse Caratteristiche (2) Intensità energetica: PCI e PCS Da

14 Biomasse Caratteristiche (3) Intensità energetica Da Contenuto energetico carbone: 33 MJ/kg; benzina: 42 MJ/kg: legno: 17 MJ/kg.

15 Biomasse Caratteristiche (4) Intensità energetica Da

16 Biomasse Caratteristiche (5) Intensità energetica e umidità Da

17 Biomasse Caratteristiche (6) Intensità energetica e umidità Da

18 Biomasse Caratteristiche (7) Intensità energetica e umidità Da

19 Biomasse Caratteristiche (8) Da

20 Biomasse Caratteristiche (9) PCI di alcune tipologie di biomassa

21 Biomasse Caratteristiche (10) PCI di alcune tipologie di biomassa

22 Processi di Conversione Termochimica Biochimica Rapporto C/N > 30 Umidità < 30-50% Rapporto C/N< 30 Umidità naturale > 30-50% pci > 2400 kcal/kg

23 Tecnologie di Conversione Processi meccanici/ chimici-fisici Processi biochimici Processi termochimici Estrazione oli Fermentazione alcolica Digestione anaerobica Pirolisi Gassificazione Combustione BIOFUEL BIOPOWER BIOPRODUCTS

24 Processi Termochimici (biopower) Combustione Pirolisi Gassificazione Ossidazione completa in eccesso d'aria (N 2 e O 2 ) Energia chimica Energia termica (calore) Ceneri, incombusti, emissioni gassose (NO x, CO, SO x ) e PM Conversione in assenza di agenti ossidanti (300 ºC < T > 700 ºC) Prodotti: Gas combustibile Char (solido) Frazione liquida Fase acquosa Tar (bio-olio) Ossidazione parziale in presenza di poco O 2 ( 800 ºC < T < 1100 ºC) Essiccamento Pirolisi Gassificazione-riduzione Prodotti: Syngas Residuo solido (char)

25 Processi Biochimici Digestione Anaerobica Processo biologico complesso che, ad opera di diversi gruppi batterici e in assenza di O 2, trasforma la sostanza organica in BIOGAS ( CH 4 e CO 2 ) 1 Idrolisi 2 Fase di fermentazione 3 Metagenesi Psicrofili (T<35ºC) Mesofili (35ºC<T<45ºC) Termofili (T<65ºC) Ipertermofili (T>65ºC) Bistadio Monostadio l rendimenti in biogas sono molto variabili e dipendono dalla biodegradabilità del substrato trattato 0,25-0,50 m 3 /kg SV alim. da liquami suini 0,20-0,30 m 3 /kg SV alim. da liquami bovini 0,35-0,80 m 3 /kg SV alim. dal siero di latte 0,50-0,60 m 3 /kg SV alim. da scarti alimentari domestici e della ristorazione

26 Distribuzione impianti biogas Biogas (1)

27 Biogas (2) Distribuzione impianti biogas per potenza elettrica installata

28 Biogas (3) Distribuzione impianti biogas per potenza elettrica installata e per dimensione digestore

29 Problema: purificazione Biogas (4)

30 Cogenerazione (1) Produzione combinata di energia elettrica e termica Sostenibilità energetica ed economica Italia: 319 impianti a biogas 57% CSTR : digestori con vasche completamente miscelate e coibentate 23% PFR

31 Cogenerazione (2) Perché?

32 Cogenerazione (3) Efficienza delle diverse tecnologie COGENERAZIONE CON: Motore a combustione interna Turbina a gas Turbina a vapore Ciclo combinato Totale efficienza (%) Costo installazione ( /kwh) Temperatura usabile ( C) Combustibile gas, olio, diesel gas Tutti gas, liquidi

33 Cogenerazione (4) Campi di applicazione delle differenti tecnologie

34 Cogenerazione (5) Tipologia impiantistica MCI (*) TG TV FC CCC Rendimento complessivo [%] Rendimento elettrico [%] Rendimento termico [%] Indice elettrico 0,2-0,5 0,1-0,2 0,2-0,8 0,2-0,8 0,8-10,0 Investimento [ ] Costo manutenzione [c ] 1,0-1,6 0,3-0,5 0,6-0,8 n.d. 0,4-0,6 Combustibili (**) M,G Tutti M,G H,M M,G (*) I valori del rendimento sono riferiti al recupero di tutto il calore disponibile; nel caso in cui si sfruttino solo i gas di scarico il rendimento complessivo cala del 15-30%. (**) M: gas naturale; G:gasolio; H: idrogeno e metanolo Rendimento complessivo ( g ) Rendimento elettrico ( e ) Rendimento termico ( t ) Rapporto tra la somma della potenza termica ed elettrica generata e la potenza primaria in ingresso Rapporto tra la potenza elettrica generata e la potenza primaria in ingresso Rapporto tra la potenza termica generata e la potenza primaria in ingresso Indice elettrico (I e ) Rapporto tra la potenza elettrica e la potenza termica generata

35 Cogenerazione (6) Grado di sviluppo e di diffusione delle diverse tecnologie Tecnologie Motori a combustione interna Turbine a gas di taglia medio-piccola (1-10 MW e ) Microturbine a gas Combustibile Tecnologia (1) Diffusione (2) gas naturale, gasolio C ***** biogas, biocarburanti C **** oli vegetali D *** gas naturale C *** Biogas D ** gas naturale C *** Biogas D ** Impianti con turbine a vapore combustibili fossili, rifiuti e biomasse di diversa natura C ***** Cicli Rankine a fluido organico combustibili fossili, biomasse C ***** Micro-cicli Rankine combustibili fossili, biomasse D Cicli combinati gas naturale C ** Biogas D * Motori Stirling combustibili fossili, biomasse D Celle a combustibile idrogeno, metanolo, gas naturale, GPL P Termo-fotovoltaico Combustibili fossili, biomasse P (1) C = consolidata, D = disponibile, P = a livello di prototipo. (2) da una a cinque * in base alla diffusione.

36 Motore a combustione interna a Ciclo a Otto 8000 ore di esercizio 333 giorni l'anno, 24 ore al giorno Miscela di aria e combustibile (biogas o gas naturale) compressa in un cilindro Accensione comandata (candela) Motore Diesel : accensione spontanea Fase utile del ciclo a Otto: lavoro meccanico trasmesso all'albero motore e quindi al generatore elettrico Rilascio di gas caldi : energia termica ad elevata temperatura caldaia Fluido refrigerante usato per evitare l'eccessivo surriscaldamento dei componenti meccanici : 2º sorgente termica

37 Ciclo a Otto Ideale: Rendimento 1 Compressione isoentropica 2 Adduzione di calore a V=cost 3 Espansione isoentropica 4 Sottrazione di calore a V=cost Q 1 =c v (T 3 T 2 ) Q 0 =c v (T 4 T 1 ) ρ = V 1 /V 2 : rapporto di compressione Rendimento ideale o termico teorico del ciclo a Otto: η = Q 1 - Q 0 = 1 - v 2 Q 1 v 1 k 1

38 Indici di valutazione economica di impianti a biomassa 1 Valore Attuale Netto (VAN) Fornisce la bontà dell'investimento, la redditività con costi e ricavi e tenendo conto del costo del denaro e della durata dell'investimento 2 Tempo di ritorno investimento (TRI) Stima il numero di anni necessari per coprire la somma investita attraverso i flussi di cassa netti (differenza tra ricavi e costi annuali) 3 Tasso interno di rendimento (TIR) Valuta il tasso al quale il valore attuale dei ricavi futuri equivale al valore Vendita attuale energia dei costi elettrica futuri e termica (0,035 /kwh) prodotta Business plane in Tariffa cogenerazione onnicomprensiva : 0,28 /kwh 0,22 /kwh (comprende sia Impianti < 1MW Costi d'investimento iniziali incentivi sia il prezzo pagato dal Gestore dei Servizi Costi di gestione Energetici) Costi del combustibile Impianti > 1MW Ricavo vendita : 0,7 0,10 /kwh Incentivi - Certificati Verdi : 0,11 /kwh

39 Costi (1) Costi: tipologie

40 Costi (2) Costi: costo combustibile

41 Aspetti Ambientali Sostituzione delle fonti fossili con biomasse (fonte rinnovabile) Riduzione dell'impiego di fonti esauribili Diminuzione dell'emissioni inquinanti prodotte dal processo di combustione ( CO 2, NO x, SO x, polveri, PM e IPA) Biomasse : fonti energetiche neutrali ai fini dell'effetto serra in quanto la loro combustione non comporta convenzionalmente un incremento di CO 2 Bilancio CO 2 non è nullo se si considera l'intero ciclo di vita dei combustibili da biomassa Fasi di produzione Fasi di lavorazione Fasi di trasporto

42 Problema CO 2

43 Biogas Miglioramento proprietà fertilizzanti del materiale digerito Riduzione rapporto C/N Riduzione del volume dei fanghi Riduzione emissioni di CH 4 in atmosfera di oltre il 50% Incidenza sull effetto serra di 21 volte superiore a quello della CO 2 Riduzione delle emissioni atmosferiche connesse all impiego delle fonti fossili

44 Bilancio Energetico