PROGETTO PER LA REALIZZAZIONE DI UNA CENTRALE ELETTRICA DA 1MWE ALIMENTATA A CIPPATO DI LEGNA

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1 GMB ENGINEERING - DIPARTIMENTO ENERGIE RINNOVABILI COGENERAZIONE PROGETTO PER LA REALIZZAZIONE DI UNA CENTRALE ELETTRICA DA 1MWE ALIMENTATA A CIPPATO DI LEGNA SETTEMBRE 2009

2 Introduzione Il fabbisogno di energia nel mondo cresce in modo esponenziale ed è destinato, pur con tutti gli accorgimenti volti a migliorare l efficienza dell utilizzo finale, ad aumentare. La principale fonte energetica utilizzata attualmente sono i combustibili fossili, il risultato di un lungo processo (milioni di anni) di decomposizione della sostanza organica in particolari condizioni fisiche e chimiche. Si tratta quindi di una risorsa limitata e non rinnovabile nel breve periodo. I giacimenti di combustibili fossili sono uno dei più importanti serbatoi di carbonio del pianeta, dove sono immagazzinati miliardi di tonnellate di carbonio. Ogni volta che un combustibile fossile viene estratto e bruciato per produrre energia, si estrae carbonio dal sottosuolo e lo si immette nell atmosfera sotto forma di anidride carbonica. L anidride carbonica è uno dei principali responsabili dell effetto serra, che sta provocando l innalzamento della temperatura del pianeta. Di conseguenza, il ricorso a fonti energetiche rinnovabili è sempre più una scelta non solo politica ma etica. Fra gli impegni presi in sede internazionale in tema di salvaguardia dell ambiente, l Italia ha posto come obiettivo per il 2010 che il 25% dell energia elettrica lorda sia prodotta da fonti rinnovabili. Si tratta di un obiettivo che richiede sensibili sforzi, soprattutto se si considera che, nonostante gli impegni di Kyoto, nel nostro Paese le emissioni di CO 2 sono aumentate nel l ultimo decennio dell 8,7%, mentre la domanda di energia elettrica nello stesso periodo è aumentata dell 11%. Una delle alternative ai combustibili fossili è la biomassa. La biomassa è una fonte energetica pulita, compatibile con l ambiente e che si rinnova ogni anno. Infatti, le piante per crescere assorbono anidride carbonica dall aria e la trasformano in legno, foglie, radici, e così via. Trasformando in energia la biomassa, il bilancio dell anidride carbonica (CO 2 ) nell atmosfera non cambia, perché si tratta dellla stessa quantità di CO 2 utilizzata dalla pianta per crescere e produrre la parte di legno che è stato utilizzato. Inoltre, la biomassa è anche una delle poche fonti rinnovabili che permettono contemporaneamente di ridurre l effetto serra e generare occupazione, oltre a stimolare la manutenzione del territorio. La cogenerazione è la produzione combinata di elettricità e calore. Un impianto convenzionale di produzione di energia elettrica ha una efficienza di circa il 35%, mentre il restante 65% viene disperso sotto forma di calore, con un impianto di cogenerazione, invece, il calore prodotto dalla combustione non viene disperso, ma recuperato per altri usi. In questo modo la cogenerazione raggiunge una efficienza superiore al 90% e questo permette di risparmiare energia primaria, salvaguardare l'ambiente, diminuire le emissioni di CO2, diminuire i costi, creare nuovi posti di lavoro. La centrale di Sellero (Brescia) è abbarbicata sul monte, sotto il paese. Nel 1997 andò a fuoco la montagna, e dovemmo affrontare il problema di come gestire tronchi e legna anneriti e non più utilizzabili. Giampiero Bressanelli allora era sindaco del paese. Oggi è assessore: Da quell episodio nacque l idea di fare una centrale a legna che producesse elettricità e anche riscaldasse le case e l acqua tramite il teleriscaldamento.

3 L impianto è stato inaugurato nel Esempio positivo dell utilizzo delle biomasse, oggi la centrale serve 400 utenze dei Comuni di Sellero, Novelle e Cedegolo per il riscaldamento e l acqua calda. La centrale produce anche elettricità, in misura maggiore quando riscaldare le case non serve, ottimizzando l efficienza, per 15 mila megawattora l anno. Da questa produzione viene gran parte del fatturato. Per fare tutto questo, brucia ogni giorno 800 quintali di cippato (legno sminuzzato) tutto proveniente dalla zona (tre camion al giorno), il che ha creato anche un mercato degli scarti del legno piuttosto florido. In più l inquinamento è ridotto (il legno è pur sempre una fonte rinnovabile) e c è un solo camino in paese: quello della centrale, filtrato e monitorato 24 ore su 24. Biomassa Per biomassa si intende ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. Mediante questo processo le piante assorbono dall ambiente circostante anidride carbonica (CO 2 ) e acqua, quindi le trasformano, con l apporto dell energia solare e di sostanze nutrienti presenti nel terreno, in materiale organico utile alla propria crescita. Il legno è energia solare immagazzinata. La biomassa è una fonte di energia rinnovabile di estrema importanza, facilmente reperibile, che può essere immagazzinata per lunghi periodi. Il modo migliore per sfruttarla è nelle centrali per la produzione combinata di calore ed energia, anche dette centrali di cogenerazione, in particolare in piccole centrali per la produzione di elettricità (da poche centinaia di kw fino a 1-2 MW elettrici). L anidride carbonica emessa dagli impianti termoelettrici alimentati a biomasse è la stessa che viene assorbita dai vegetali per produrre una quantità uguale di biomassa. Nel ciclo energetico della biomassa, quindi, il bilancio dell anidride carbonica è in equilibrio. Il legno proviene dai normali tagli produttivi, dalla manutenzione dei boschi, dalle ramaglie, dagli scarti delle industrie di prima lavorazione del legno e dalle colture energetiche (coltivazioni specializzate per la produzione di biomassa per uso energetico). Quindi, dal bosco non viene asportato più di quanto il bosco stesso produce, anche in virtù delle disposizioni in materia di polizia forestale. Inoltre, la possibilità di una collocazione del materiale derivante dalla manutenzione e pulizia stimola direttamente queste attività. Ciò si traduce inequivocabilmente nella salvaguardia del nostro patrimonio forestale. Le biomasse, prodotte e utilizzate in maniera ciclica, costituiscono una risorsa energetica rinnovabile e rispettosa dell'ambiente. L'uso energetico delle biomasse produce consistenti benefici ambientali, occupazionali e di politica energetica: Ambiente - Le biomasse sono neutre per quanto attiene l'effetto serra poiché il biossido di carbonio (CO2) rilasciato durante la combustione viene riassorbito dalle piante stesse mediante il processo della fotosintesi clorofilliana. Il basso contenuto di zolfo e di altri inquinanti fa sì che, quando utilizzate in sostituzione di carbone e olio combustibile, le biomasse contribuiscano ad alleviare il fenomeno delle piogge acide.

4 Occupazione - Le diverse fasi del ciclo produttivo del combustibile da biomassa, sia esso di origine agricola o forestale, creano posti di lavoro e favoriscono la rivitalizzazione dei rispettivi settori. Posti di lavoro sono creati anche nell'industria collegata alle tecnologie di conversione energetica. Politica energetica - L'energia delle biomasse riduce la dipendenza dalle importazioni di combustibili e diversifica le fonti di approvvigionamento energetico. Aderendo alla convenzione internazionale sul clima l'italia si è impegnata a ridurre le emissioni in atmosfera di gas serra. La sostituzione di combustibili fossili con biomasse contribuisce al conseguimento di questo obiettivo. Obiettivi di progetto Il presente progetto ha come obiettivo la valorizzazione energetica vergini di origine agricola e boschiva (cippato di legno), con lo scopo di: delle biomasse legnose incentivare l utilizzo delle biomasse come fonti primarie di energia incentivare la creazione di filiere agro-energetiche che utilizzino i sottoprodotti agricoli come alternativa ai tradizionali combustibili di origine fossile (idrocarburi) delocalizzare le produzioni energetiche sul territorio con creazione di alternative flessibili e meno impattanti dei grandi impianti di produzione di energia creare dei mini-distretti agro-energetici che abbiano come effetto la ricaduta territoriale delle positività espresse dagli impianti in termini di maggior attenzione al territorio, miglior utilizzo dei materiali di scarto, nuovi posti di lavoro, realizzare introiti derivanti dalla vendita dell energia prodotta e dagli incentivi riservati agli impianti produttivi alimentati a fonti rinnovabili ridurre la dipendenza energetica dall estero a tale proposito si prevede la realizzazione di una centrale elettrica della potenza di 1MWE (1 megawatt elettrico) alimentata a cippato di legna, che consenta anche l eventuale utilizzo aggiuntivo del vapore prodotto (cogenerazione) per scopi di riscaldamento/raffrescamento di utenze poste nelle vicinanze della centrale.

5 Descrizione generale del progetto Dati costruttivi e gestionali dell impianto Individuata un area adatta, servita da vie di comunicazione atte a garantire l accesso di veicoli da trasporto (camion) impiegati per la fornitura di materia prima (cippato), adeguatamente servita da connessioni idriche ed elettriche, verrà realizzata una struttura destinata ad ospitare l impianto ed i relativi accessori. La struttura occuperà complessivamente un area di m 2, di cui circa la metà (1.500 m 2 ) coperta da un capannone industriale di 15 m di altezza. Per il funzionamento dell impianto è previsto l impiego di personale qualificato: 1 capo impianto + 1 persona a turno + 1 giornaliero. Dati tecnici principali della centrale elettrica La centrale utilizzerà come combustibile legno cippato di varia provenienza, con le seguenti caratteristiche: PCI medio kcal/kg, umidità 30-50%, dimensioni medie 30x100x3/5 mm. E previsto il funzionamento dell impianto 24 su 24 ore per 7.500/8.000 ore l anno, con un consumo annuale di cippato di circa tonnellate. La centrale avrà una potenza disponibile di 1 MWE e consentirà la produzione di elettricità per circa MWh/anno, con una potenza termica accesoria di circa 3,5 MWt/h. La centrale non produrrà scarichi idrici di sorta, l emissione in atmosfera di CO 2 avrà bilancio pari a zero, non vi sarà alcun impatto acustico in quanto gli impianti sono racchiusi in capannone. La produzione di ceneri inerti riciclabili in agricoltura sarà di 200 t/anno, mentre verranno prodotte circa 50 t/anno di ceneri da conferire in discarica. Il consumo di acqua per il reintegro del ciclo termico sarà di circa 180 l/h. Per quanto riguarda l impatto viario, si prevede il transito di 6/8 camion al giorno escluso sabato e domenica. Descrizione fasi operative L operatività della centrale elettrica può essere schematizzata e suddivisa in fasi successive come segue: 1. arrivo del materiale in deposito e gestione del medesimo fino alla bocca di caldaia 2. ingresso del materiale in caldaia, combustione e cessione di energia al vettore acqua 3. trasformazione energetica del vettore acqua e suo cambiamento di stato da fase liquida a fase vapore 4. alimentazione del vapore prodotto precedentemente in caldaia alla turbina con produzione elettrica, successiva messa in rete dell energia elettrica

6 5. eventuale recupero di parte del calore sensibile del vapore prima della fase di ricondensazione per produzione di acqua calda per teleriscaldamento 6. scarico del vapore dalla turbina e sua ricondensazione alla fase liquida con ripristino del circuito iniziale del vettore acqua. La fasi sopra descritte sono rappresentate nello schema seguente: CIPPATO DISSIPAZIONE CALDAIA TELERISCALDAMENTO Vapore Calore in eccesso CESSIONE IN RETE Energia Elettrica TURBINA

7 Relazione descrittiva del ciclo del vapore Il ciclo vapore, necessario alla valorizzazione energetica del materiale legnoso cippato, fonda le sue peculiarità tecniche su alcune nozioni basilari relative alla combustione dei materiali stessi. Il cippato viene ottenuto dalla frantumazione a mezzo macchine dedicate di tronchi, cascami, rifili e scarti della lavorazione del legno. Dopo eventuale stoccaggio per circa 90 gg. in cumuli piramidali per completare il suo naturale ciclo di fermentazione, viene consegnato alla centrale e alimentato al forno di combustione tramite un particolare sistema a piastre mobili munite di rastrelli. Il cippato viene quindi inviato per gravità ad una tramoggia a monte del forno, completa di serranda tagliafuoco e cassetto idraulico per l alimentazione del combustibile. Il forno sarà del tipo a griglia mobile a gradini, con camera di combustione adiabatica alimentata da uno spintore idraulico adatto per ricevere dalla tramoggia di cui sopra cippato anche di pezzatura non omogenea e con umidità fino al 50%. La grande volumetria della camera di combustione del forno e le elevate temperature garantiranno la massima produzione di vapore con il minor impiego di biomassa; gli elevati tempi di permanenza dei fumi (T>2 secondi) all interno della camera di combustione garantiranno la totale ossidazione dei gas prodotti, ottimizzando così il processo. Il forno sarà dotato di un sofisticato sistema di controllo della temperatura atto ad evitare la fusione delle ceneri, facilitando così la completa combustione della biomassa e la totale trasformazione del CO in CO 2. L aria comburente primaria, secondaria e terziaria verrà fornita da una serie di ventilatori completi di serrande di regolazione. La camera di combustione sarà divisa in diverse zone: una zona di accumulo iniziale di biomassa atta a compensare l eventuale richiesta del sistema di variazione di potenza ed a favorire l eventuale essicazione del combustibile due zone indipendenti nella griglia mobile dove avviene la gassificazione e la combustione primaria del combustibile una zona detta di ottimizzazione della combustione dove si miscela ulteriormente l ossigeno e si completa la combustione dei rimanenti gas incombusti (soprattutto CO 2 ) un ultima zona detta di decantazione che ha lo scopo di allungare i tempi di permanenza dei fumi in camera di combustione, favorendo la decantazione delle polveri grazie alla particolare geometria della camera e all immissione turbolenta di aria comburente terziaria A valle del forno i fumi di combustione a circa 850 C entreranno nella caldaia a recupero per la produzione di vapore che alimenterà una turbina multistadio per trasformare l energia termica in meccanica e quindi in elettricità tramite un alternatore. Nella zona sottostante il forno e la caldaia a recupero per produzione di vapore si troverà l impianto automatico di estrazione delle ceneri, che saranno scaricate e stoccate in un cassone mobile coperto per evitare ogni dispersione di polveri verso l esterno.

8 I fumi di combustione a circa 200 C all uscita dalla caldaia a recupero verranno pre-depolverati in un multiciclone a bassa velocità e quindi attraverseranno un filtro elettrostatico o filtro a maniche per l eliminazione finale delle ceneri e delle polveri. Dallo scarico della turbina potrà essere eventualmente spillato vapore a basso contenuto entalpico per alimentare, tramite vuno scambiatore dedicato, un circuito di teleriscaldamento. L energia elettrica prodotta dall alternatore potrà essere immessa direttamente nella rete nazionale tramite un trasformatore elevatore di tensione. Il funzionamento e l esercizio della centrale verrà effettuato tramite computer (PLC), che si occuperà del monitoraggio e controllo di tutte le parti dell impianto e permetterà la telegestione in remoto, attraverso la quale sarà possibile: visualizzare in tempo reale tutti gli stati e i parametri di funzionamento dell impianto, con particolare riferimento alle emissioni al camino impostare le logiche di funzionamento registrare gli allarmi eseguire un tracing dei singoli parametri controllare lo stato degli ingressi e delle uscite del PLC impostare chiamate telefoniche automatiche a numeri preselezionati in caso di allarme

9 Schema di flusso del ciclo del vapore Elenco dei componenti dell impianto 1. Alimentatore cippato a piastre mobili, capacità 2/3 t/h 2. Forno adiabatico di combustione, potenza termica 5 MW 3-8. Generatore di vapore a recupero, vapore prodotto 7 t/h 9. Depurazione fumi: multiciclone con precaptazione ceneri 10. Depurazione fumi: elettrofiltro con captazione ceneri e polveri Ventilatore finale e camino, emissione di fumi puliti in atmosfera Turboalternatore a vapore, potenza elettrica 1 MWE Sistema di condensazione vapore ad aria Ciclo termico, trattamento condensato Input: Output: Biomassa, t/anno Acqua per reintegri ciclo termico, 180 l/h Potenza elettrica ai morsetti dell alternatore 1 MW Potenza termica disponibile 3,5 MW Ceneri 250 t/anno Emissioni in atmosfera Nm 3 /h

10 Il controllo preventivo delle emissioni atmosferiche Il controllo preventivo delle emissioni viene effettuato ottimizzando le caratteristiche costruttive dei forni con conseguente miglioramento del processo di combustione. In particolare, si cerca di intervenire sui processi di ossidazione primaria e secondaria direttamente in camera di combustione e anche a valle della stessa. Gli interventi sono tesi quindi a garantire il completamento del processo d ossidazione termica che richiede adeguati valori di temperatura, disponibilità di ossigeno, tempo di contatto e miscelazione. Temperature dell ordine di 850 C con tempi di contatto di 2 secondi e tenore di ossigeno del 7 8% sono considerati sufficienti per la completa distruzione dei composti organici. Tali valori sono agevolmente raggiungibili con i moderni impianti di combustione ed inoltre devono essere garantiti, come richiesto da una normativa che fa esplicito riferimento ai livelli minimi di temperatura e concentrazione di ossigeno nei gas. In queste condizioni assume particolare rilevanza il livello di turbolenza nel forno, poiché l elevato grado di miscelazione aria/combustibile diventa il fattore basilare ed essenziale nel processo di ossidazione e conversione delle sostanze di natura organica. Per limitare la formazione degli ossidi di azoto (NO x ), una parte del gas di scarico, dopo essere passata attraverso i sistemi di trattamento, e rimandata nel forno attraverso la gola del bruciatore. Il ricircolo, che interessa una quota orientativamente compresa tra il 10% e il 20% del flusso totale, serve ad abbassare la temperatura massima della fiamma e a ridurre contestualmente il contenuto di ossigeno disponibile per la reazione. Questo intervento agisce favorevolmente sul processo di formazione degli NO x termici. Sostanze oggetto di monitoraggio Nell impianto oggetto di questa presentazione vengono monitorati i seguenti parametri: Emissioni di CO Emissioni di NO x Emissioni di O 2 Temperatura dei fumi Il monitoraggio viene effettuato in modo continuo: come misura di sicurezza, non è consentito il funzionamento dell impianto a monitoraggio parziale o interrotto. I dati risultanti dal monitoraggio vengono in tempo reale scaricati dal sistema di controllo (PLC) e direttamente visualizzati da monitor installati nella sala comandi della centrale. I medesimi dati possono essere contestualmente visualizzati on-line in remoto attraverso uno specifico portale web dedicato all impianto stesso. Particolare attenzione viene posta nelle possibili fasi di criticità: il monitoraggio in continuo permette di mantenere il rapporto tra aria comburente e combustibile in equilibrio ottimale. Nelle fasi di accensione, spegnimento o durante fermi manutentivi ordinari o straordinari il monitoraggio permanente controlla il rapporto stechiometrico ottimizzando sempre le emissioni in atmosfera in qualsiasi fase di esercizio.

11 Tabella delle emissioni atmosferiche al camino Tipo di emissione Riferimento di legge* Quantità emessa Polveri 30 Inferiori a 10 CO NO x 150 Inferiori a 150 SO *I valori indicati sono misurati in mg/nmc e sono da riferirsi alla media giornaliera monitorata MD2009

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