Energia dalle biomasse. ROBERTO JODICE CETA Centro di Ecologia Teorica ed Applicata Gorizia

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1 PALMANOVA 3 MAGGIO 2006 Progetto Novimpresa Area Science Park Energia dalle biomasse tecnologie, vantaggi per i processi produttivi valori economici ed ambientali ROBERTO JODICE CETA Centro di Ecologia Teorica ed Applicata Gorizia 1

2 Le filiere di produzione delle bioenergie da biomassa Punti di forza e di debolezza delle filiere 2

3 Le filiere di produzione della energia da biomassa Combustibile solido biomassa legnosa energia termica Combustibile solido biomassa legnosa energia elettrica Combustibile solido biomassa legnosa cogenerazione Combustibili solidi biomasse erbacee energia termica Combustibili solidi biomasse erbacee energia elettrica Combustibili solidi biomasse erbacee cogenerazione Combustibili gassosi biogas energia termica elettrica cogenerazione Combustibili liquidi oli vegetali Carburante Carburante Carburante olio vegetale biodiesel bioetanolo 3

4 Combustibile solido biomassa legnosa energia termica Tecnologie mature Fonte energetica: Energia biochimica contenuta nei vegetali Stato dell arte: Diverse tecnologie di utilizzo sia in combustione diretta che previa trasformazione in biocombustibili Possibili utilizzi della biomassa lignocellulosica: Riscaldamento domestico, riscaldamento di utenze pubbliche di media potenza, teleriscaldamento, cogenerazione. Tecnologia impiantistica Rendimenti Caldaie di piccola potenza alimentate con legna in pezzi Caldaie di media potenza alimentate con cippato Impianti industriali di teleriscaldamento % % % Cogeneratori ORC 13 % elettrico 60 % termico 4

5 Costi indicativi di un impianto di riscaldamento a cippato ( /kw) 5

6 Filiera biomasse lignocellulosiche Forme densificate PELLET Con il termine pellet si intende un biocombustibile densificato, normalmente di forma cilindrica, ottenuto comprimendo della biomassa polverizzata con o senza l ausilio di agenti leganti di pressatura. In genere, il pellet è ottenuto utilizzando un estrusore a trafila. BRICCHETTO Con il termine bricchetto si intende un biocombustibile densificato, solitamente in forma di parallelepipedo o cilindro, ottenuto comprimendo della biomassa polverizzata con o senza l ausilio di additivi di pressatura. In genere, il bricchetto è ottenuto utilizzando una pressa a pistone. 6

7 Filiera biomasse lignocellulosiche Pellet Campioni di pellet di 10 e 6 mm Cilindretti di forma e dimensioni omogenee ridotte (6-8 mm di diametro, mm di lunghezza) caratterizzate da bassa umidità, elevata densità e potere calorifico 7

8 Filiera biomasse lignocellulosiche Pellet Produzione nazionale pellet (Fonte: CTI) tonnellate nella stagione 2003/ tonnellate nella stagione 2004/2005 (stima). Attualmente il valore raggiunto è di tonnellate TREND IN CRESCITA N.B. Non è coperto il fabbisogno nazionale Le modalità di consegna (formati commerciali) del pellet possono essere le seguenti: automezzi pesanti (2-4 t); big-bag (sacchi da 800 kg); sacchi (15-25 kg); sciolto. 8

9 Filiera biomasse lignocellulosiche Pellet Ad oggi, il mercato del pellet è di esclusivo appannaggio della biomassa legnosa; Diversi gli studi per sviluppare la filiera del pellet da colture erbacee o da mix con biomasse legnose. Composizione della biomassa erbacea qualitativamente inferiore (< p.c.i. e > contenuto in ceneri). qualità pellet erbaceo inferiore diversa destinazione d uso Invariata, invece, risulta essere la tecnologia e la filiera di produzione del pellet per le due diverse tipologie di biomassa 9

10 Filiera biomasse lignocellulosiche Pellet PREZZI DEL PELLET Costo di produzione: 0,05 0,16 /kg biomassa utilizzata tecnologia adottata Prezzo all ingrosso: Prezzo al dettaglio: 0,11 0,21 /kg 0,21 0,30 /kg 10

11 Energia da Biomasse lignocellulosiche Impianti di generazione combinata termica ed elettrica Schema di impianto ORC Tecnologie disponibili: caldaie a biomassa e trubina a vapore caldaia a biomassa a olio diatermico e turbina ORC Taglia degli impianti ORC: gli impianti più piccoli hanno caldaie da 2500 kw e generatori elettrici da 300 kw. Si può arrivare in impianti singoli fino a 1000 kw elettrici. Impianti di taglia superiore vengono realizzati assemblando più cogeneratori. Vantaggi: produzione combinata di energia elettrica e calore. Altissimi rendimenti di conversione globale. Possibilità di valorizzare l energia elettrica prodotta con i certificati verdi. Perfetta sinergia tra cogeneratore e teleriscaldamento. Svantaggi: gli investimenti iniziali sono superiori rispetto ad impianti termici. L impianto risulta conveniente se buona parte dell energia termica prodotta viene allocata. 11

12 Energia da Biomasse: il biogas Il biogas è una miscela gassosa ottenuta dalla digestione anaerobica di biomassa vegetale e/o di residui di origine animale. Durante il processo di digestione anaerobica il 30-60% della componente organica viene digerita liberando biogas. Composizione del biogas % metano (CH4) anidride carbonica (CO2) idrogeno (H2) 1-10 azoto (N2) 0,5-3 ossido di carbonio (CO) 0,1 ossigeno (O2) tracce idrogeno solforato (H2S) tracce Il PCI del biogas è di kcal/kg se usato tal quale, kcal/kg se depurato. 12

13 IL BIOGAS: STATO DELL ARTE tecnologia matura : Innovazione Diverse sono le motivazioni che hanno portato oggi alla riconsiderazione della filiera di produzione di biogas Motivazioni di tipo economico: liberalizzazione del mercato dell energia e valorizzazione dell energia elettrica da fonti rinnovabili (Certificati Verdi, incentivi tariffari, ecc.) Nuova PAC Equiparazione a reddito agrario della produzione di energia elettrica in azienda agricola (Finanziaria 2006) 13

14 IL BIOGAS: STATO DELL ARTE tecnologia matura : Innovazione Esigenza di aumentare le rese di produzione del biogas, limitando i costi, anche mediante l impiego di materie prime diversificate (codigestione). Materiale Liquami zootecnici Colture energetiche (es. silomais) Residui colturali Biogas (m 3 /t sostanza secca organica

15 IL BIOGAS: STATO DELL ARTE tecnologia matura : Innovazione Dal punto di vista impiantistico le novità degli ultimi anni sono relative principalmente alle coperture gasometriche, ai sistemi di alimentazione del substrato solido, agli automatismi che consentono un maggior controllo e una elevata affidabilità del processo di digestione. Motivazioni di tipo ambientale Miglioramento delle caratteristiche del liquame in termini di abbattimento degli odori, della carica patogena ed aumento delle proprietà fertilizzanti. Tuttavia...attenzione!!... 15

16 IL BIOGAS: STATO DELL ARTE tecnologia matura : Innovazione...oltre gli aspetti di tipo normativo che possono determinare in alcuni casi un iter autorizzativo lungo e complesso, di fondamentale importanza risultano gli aspetti relativi alla gestione/smaltimento del digestato. Oggi le restrizioni relative al riutilizzo agronomico (in termini di kgn/ha) nel rispetto della Direttiva Nitrati, impongono la necessità di un approccio integrato dell intera filiera. L impiego del digestato come fertilizzante non è illimitato e comporta dei costi in termini di capacità di stoccaggio, di trasporto, di trattamento (es. separazione liquido/solido, compostaggio, ulteriore depurazione, ecc.), che non devono e non possono essere sottovalutati!! 16

17 LE FILIERE DELL OLIO VEGETALE E DEL BIODIESEL Fonte: ITABIA 17

18 LA VOCAZIONE COLTURALE NEI CONFRONTI DEL GIRASOLE IN REGIME SECCAGNO 30 % Attitudine colturale - Girasole in asciutto Pianura e collina del Friuli Venezia Giulia 45 % Molto adatto Adatto Poco adatto Non adatto Un ampia zona del territorio risulta non adatta, soprattutto a causa della bassa riserva idrica ed al drenaggio eccessivo. 20 % 5 % 18

19 LA VOCAZIONE COLTURALE NEI CONFRONTI DEL GIRASOLE IN REGIME IRRIGUO 27 % Attitudine colturale - Girasole in irriguo Pianura e collina del Friuli Venezia Giulia 22 % 2 % 49 % Molto adatto Adatto Poco adatto Non adatto Rispetto al regime seccagno, il regime irriguo consente di recuperare per il girasole una parte del territorio. La zona meridionale della pianura resta in entrambe le ipotesi la zona maggiormente vocata. 19

20 Energia da Biomasse: il biodiesel Il biodiesel è un carburante liquido ottenuto a partire da olii vegetali (tipicamente colza, girasole, soia) o, in taluni casi, da grassi animali, che presenta caratteristiche chimico - fisiche simili a quelle del GASOLIO e può essere impiegato in sostituzione o in miscela con quest ultimo. Transesterificazione: processo di trasformazione degli oli vegetali in biodiele. Consiste nel combinare una molecola di trigliceride (OLIO) con 3 molecole di metanolo ottenendo come risultato una molecola di glicerolo e 3 molecole di acidi grassi liberi (BIODIESEL) 20

21 Energia da Biomasse: il biodiesel Confronto tra biodiesel e gasolio fossile: BIODIESEL GASOLIO PCI kcal/kg kcal/kg Numero di Cetano Emissioni di zolfo assenti 0,2% Per ottenere 1 t di biodiesel è necessaria una superficie di 1,2 ha coltivata a girasole 21

22 Energia da Biomasse: il biodiesel Riduzione delle emissioni atmosferiche ottenibili dall impiego di biodiesel puro (B100) o di una miscela con il gasolio fossile nella misura del 20% (B20) rispetto alle emissioni di gasolio fossile puro. 22

23 IL BIODIESEL IN REGIONE FVG Nell ambito del programma PROBIO su incarico della Regione FVG e Provincia di Pordenone, il CETA sta progettando un impianto della capacità produttiva minima di t di biodiesel/anno. Si è impostato il progetto sulla base delle caratteristiche produttive del territorio regionale Impianto da ubicare eventualmente in posizione baricentrica rispetto all area produttiva, in stretta coesione con l impianto di estrazione dell olio Necessità di un ACCORDO DI FILIERA! 23

24 Energia da Biomasse: il bioetanolo Il bioetanolo è un alcool ottenuto a partire dalla fermentazione alcolica di alcuni prodotti vegetali (prodotti agricoli ad alto contenuto di amidi o prodotti agricoli ad alto contenuto di zuccheri). In campo energetico può essere impiegato direttamente come componente (in una percentuale massima del 30%) della benzina, oppure può essere impiegato nella produzione di ETBE. L ETBE viene utilizzato per aumentare il numero di ottano della benzina in sostituzione al piombo (benzina super) o ai composti aromatici (benzina verde). Il rendimento di conversione dei prodotti vegetali in bioetanolo è circa del 30%. 24

25 Filiera oli combustibili vegetali Tecnologie mature, innovazione Gli oli vegetali sono biocombustibili liquidi, idonei all alimentazione di motori a ciclo interno a basso numero di giri. Attualmente non sono adatti per l autotrazione, a causa della loro elevata viscosità (con buona approssimazione, 10 volte più elevata di quella del gasolio). Sono prodotti mediante l estrazione dalle colture dedicate oleaginose (oli grezzi, senza necessità di raffinazione) o recuperati con la raccolta differenziata degli oli alimentari esausti. 25

26 Filiera oli combustibili vegetali Potere calorifico inferiore: è prossimo a quello del gasolio. PCI dell olio di colza = kcal/kg; PCI del gasolio = kcal/kg. Inquinamento atmosferico: sono ridotte le emissioni di ossidi di azoto (-23 %). Le tecnologie di produzione sono analoghe a quelle del biodiesel. Resa di produzione degli oli vegetali grezzi: 37 %. Olio vegetale dal girasole: 1,11 t/ha. Olio vegetale dal colza: 1 t/ha. 26

27 Filiera oli vegetali combustibili: impieghi energetici AUTOTRAZIONE ENERGIA MECCANICA L applicazione su larga scala per l autotrazione non è realisticamente proponibile, poiché necessita di importanti modifiche nella progettazione dei motori e nell organizzazione della distribuzione, in considerazione della maggiore viscosità rispetto al gasolio. In Austria e in Germania è utilizzato per l autotrazione, in considerazione degli incentivi fiscali, che sono stati messi a disposizione, e delle modifiche, che sono state apportate nei motori (soprattutto in mezzi agricoli e nautici e nelle flotte vincolate). 27

28 Filiera oli vegetali combustibili: impieghi energetici RISCALDAMENTO ENERGIA TERMICA Utilizzabili in impianti di media taglia (5-15 MWe) per la produzione di calore ed elettricità, senza necessità di purificazione; è indispensabile soltanto la filtrazione. Per l utilizzo al 100 % sono necessarie alcune modifiche ai bruciatori per gasolio: la geometria degli ugelli di polverizzazione deve essere leggermente differente da quella utilizzata per il gasolio (45º nel primo caso, contro i 60º del secondo), a causa della maggiore viscosità degli oli vegetali; la temperatura ottimale di preriscaldamento del combustibile è di 65ºC, mentre la pressione di atomizzazione di 2,2 MPa; Rendimento della conversione in energia termica = %. 28

29 Filiera oli vegetali combustibili: impieghi energetici PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E COGENERAZIONE Gli oli vegetali possono essere utilizzati per l alimentazione di gruppi elettrogeni. Rendimento della conversione in energia elettrica: sotto 1MW è pari a % sopra 1MW è pari a 42 %. 29

30 Esempi applicativi: Impianto di cogenerazione ad olio vegetale Caratteristiche generali dell impianto: Centrale costituita da un motore a combustione interna alimentato a olio di girasole. 30

31 Esempi applicativi: Impianto di cogenerazione ad olio vegetale Dimensionamento dell impianto: La potenza nominale del motore scelto è di 5,3 MW e. Tempo di funzionamento medio: h/anno L impianto produce: kwh/anno di energia elettrica kwh/anno di energia termica Il fabbisogno termico stimato dell utenza è di kwh/anno L energia elettrica prodotta viene ceduta alla rete 31

32 Esempi applicativi: Impianto di cogenerazione ad olio vegetale Fabbisogno di biomassa: La quantità di biomassa necessaria all alimentazione della centrale che soddisfi il fabbisogno dalle utenze è funzione dei seguenti fattori: potere calorifero dell olio combustibile: 9,3 kwh/l; periodo di funzionamento dell impianto (8.000 ore) Il fabbisogno stimato di olio di girasole è di litri/anno 32

33 Esempi applicativi: Impianto di cogenerazione ad olio vegetale Risultato economico: Costo impianto: (IVA esclusa) Gestione impianto: /anno Consumo olio girasole: l/anno (costo unitario 0,55 /l) Prezzo di cessione en. el.: 0,07 /kwh Certificati verdi: 0,11 /kwh Risparmio da termico: /anno Payback: 3,5 anni VAN: (dopo 8 anni, tasso 4%) cash flow progressivo VAN 33

34 LA NORMATIVA NAZIONALE IN MATERIA DI BIOCARBURANTI Conversione in Legge del Decreto Legge 10 Gennaio 2006 n. 2 Incentiva la produzione di Bioetanolo per un periodo di 6 anni a partire dal Dal 1 Luglio 2006 i produttori di carburanti diesel e di benzina sono obbligati a dimettere al consumo biocarburanti di origine agricola oggetto di un intesa di filiera in misura pari all 1%. Tale percentuale espressa PcI incrementata di un punto per ogni anno fino al

35 LA NORMATIVA NAZIONALE IN MATERIA DI BIOCARBURANTI Conversione in Legge del Decreto Legge 10 Gennaio 2006 n. 2 I contratti di programma agroenergetica hanno rilevanza territoriale nazionale. È assicurata priorità nella stipula dei contratti ai soggetti che riconoscono agli imprenditori agricoli una quota dell utile conseguito in proporzione ai conferimenti di materia prima agricola. La sottoscrizione di un contratto di sottoscrizione o di un contratto di programma costituisce titolo preferenziale nei bandi pubblici e nei contratti di fornitura dei biocarburanti. Il GRTN assicura la precedenza per una quota fino al 30% all energia elettrica prodotta da biogas oggetto di un contratto di programma. 35

36 Lo stato di evoluzione delle tecnologie che impiegano le biomasse Tecnologie mature : Combustione delle biomasse lignocellulosiche per la produzione di energia termica ed elettrica o per cogenerazione Generazione di energia elettrica e termica (cogenerazione) con impiego di oli vegetali alla media-grande scala (P > 1 MW) Produzione del carburante biodiesel da oli vegetali Produzione del carburante bioetanolo e dell antidetonante ETBE da colture saccarifere e amilacee Produzione di biogas da liquami zootecnici 36

37 Lo stato di evoluzione delle tecnologie che impiegano le biomasse Tecnologie da perfezionare o che necessitano di ulteriore ricerca e sperimentazione : Generazione di energia elettrica e termica (cogenerazione) con impiego di oli vegetali alla piccola scala (P < 1 MW) Produzione del carburante bioetanolo e dell antidetonante ETBE da biomasse lignocellulosiche 37

38 Elementi prioritari per il sostegno all affermazione delle nuove tecnologie di conversione energetica basate sulle fonti rinnovabili Creazione di un quadro normativo ben definito, stabile Elaborazione di una politica di sviluppo pianificata nel tempo e articolata secondo diversi orizzonti temporali Sviluppo dei sostegni alla innovazione ed al trasferimento tecnologico 38