Parametri chimico- fisici

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1 1 Parametri chimico- fisici Biomassa parametri caratterizzanti sostanze costituenti acqua ceneri sostanza secca priva di ceneri (interesse a fini energetici) Valutati su base umida (wet basis, wb) o sul tal quale (t.q.): considerando la biomassa in tutte le sue parti; Valutati su base secca (dry basis, db) o sostanza secca (s.s.): considerando la biomassa privata del suo contenuto in acqua; Valutati su base secca e priva di ceneri (dry and ash-free basis, dafb): considerando la biomassa privata del suo contenuto in acqua e di ceneri.

2 2 Parametri di interesse Umidità Ceneri Sostanze Volatili Carbonio, Idrogeno, Azoto Potere Calorifico Cloro, Zolfo Durabilità meccanica pellet Macroelementi, microelementi Fusibilità delle ceneri

3 Laboratorio di analisi 3

4 Laboratorio di analisi del CRB PREPARAZIONE CAMPIONE PROXIMATE ANALYSIS (umidità, ceneri, sostanze volatili) POTERE CALORIFICO Mulino RESTCH SM 2000 Analizzatore termogravimetrico TGA 701 LECO Calorimetro AC-350 LECO CONTENUTO DI C, H, N DURABILITA DEL PELLET CONTENUTO DI CLORO E ZOLFO TRUSPEC CHN LECO Lignotester New Holmen Tester TEKPRO Cromatografo ionico ICS-90 DIONEX a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 4

5 Caratterizzazione chimico-fisica Umidità a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 5

6 Caratterizzazione chimico-fisica Umidità a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 6

7 7 Caratterizzazione chimico-fisica Umidità UNI EN :2009 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di umidità deve avere un peso di almeno 300 g (preferibilmente maggiore di 500 g) Strumentazione forno in grado di mantenere una temperatura di 105±2 C con un ricambio di aria pari a 3-5 volte all ora crogioli in grado di contenere 1 g/cm2 di campione bilancia analitica con precisione di 0,1 g Procedura Pesare un crogiolo vuoto e trasferire il campione dal contenitore al suo interno Pesare un identico crogiolo vuoto (crogiolo di riferimento) Essiccare il contenitore in un forno a 105 C e pesarlo prima e dopo l essiccamento Pesare il crogiolo con il campione Collocare entrambi i crogioli nel forno a 105 C Pesare entrambi i crogioli entro secondi L analisi termina quando la variazione di massa non supera lo 0,2% della riduzione totale

8 8 Caratterizzazione chimico-fisica Umidità sul tal quale M ar ( m 2 m3) ( m4 m m m ) m 6 *100 dove: m 2 = massa del crogiolo e del campione prima dell essiccamento (g) m 3 = massa del crogiolo e del campione dopo l essiccamento (g) m 4 = massa del crogiolo di riferimento prima dell essiccamento (g) m 5 = massa del crogiolo di riferimento dopo l essiccamento (g) m 6 = umidità presente nel contenitore del campione su base secca U d M ar 100 M ar *100

9 9 Caratterizzazione chimico-fisica Strumentazione del laboratorio CRB Bilancia analitica Umidità Analizzatore termogravimetrico (TGA 701)

10 10 Caratterizzazione chimico-fisica Umidità Caratteristiche tecniche TGA L analizzatore mantiene l ambiente interno a temperatura costante tramite l impiego di due termocoppie che regolano la temperatura sulla parete del forno e sulla posizione del crogiolo. La bilancia è a piedistallo oscillante; questo consente di compensare tutte le variazioni dei crogioli (come fondo non piatto). E posizionata a circa 10 cm dal forno inferiore. Tutte le misurazioni della bilancia sono memorizzate dal programma e ricalcolate come valore medio statistico; i gas sono immessi nel forno attraverso due lance posizionate in modo da non compromettere la stabilità della bilancia.

11 11 Caratterizzazione chimico-fisica Procedura TGA Umidità Lo strumento è costituito da un analizzatore e da un computer esterno usato per controllare e gestire tutti i parametri della macchina: il forno, la rotazione integrata del carosello e la bilancia interna. Dal software è possibile impostare il metodo di analisi specificando la rampa di temperatura, il tipo di atmosfera (aria/azoto), il flusso di gas. Per l analisi dell umidità l atmosfera è quella di azoto. Posizionare il crogiolo di riferimento in posizione home. Questo deve essere lasciato sempre vuoto ed è usato per tener conto delle variazioni di densità e peso che i crogioli possono subire durante l analisi. Collocare nel carosello altri crogioli (fino a 19) dopodiché lo strumento effettua la tara di ciascuno, tramite la bilancia interna. Caricamento del campione nei singoli crogioli mediante un opportuno cucchiaio (possibilmente di vetro). Pesatura dei crogioli per registrare il valore della massa iniziale del campione. A questo punto inizia l analisi, che offre un monitoraggio in tempo reale della perdita di peso dei campioni e delle variazioni di temperatura del forno prestabilite dal metodo selezionato. Il risultato dell analisi consiste in un database e in un grafico che riporta la perdita di peso e la temperatura in funzione del tempo.

12 Caratterizzazione chimico-fisica Ceneri a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 12

13 13 Caratterizzazione chimico-fisica Ceneri Il contenuto di cenere nella biomassa varia in un range molto ampio; si va dallo 0.5% (w/w d.b.) del legno tenero (segatura) al 5-8% (w/w d.b.) della corteccia fino a raggiungere valori del 20.6% (w/w d.b.) per la lolla di riso

14 14 Caratterizzazione chimico-fisica Ceneri UNI EN 14775:2010 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di ceneri deve avere una pezzatura massima di 1 mm. Strumentazione forno con un ricambio di aria pari a 5-10 volte all ora bilancia analitica con precisione di 0,1 mg Procedura Riscaldare il contenitore vuoto del campione a 550±10 C per almeno 60 min Togliere il contenitore dal forno e farlo raffreddare a temperatura ambiente Pesare il contenitore raffreddato Inserire nel contenitore almeno 1 g di campione Pesare il contenitore pieno Porre il contenitore nel forno e incrementare la temperatura con la seguente rampa: 5 C/min fino a 250 C, mantenere la temperatura per 60 min, 5 C/min fino a 550 C, mantenere la temperatura per 120 min Estrarre il contenitore dal forno e pesarlo

15 15 Caratterizzazione chimico-fisica Ceneri su base secca A db m m m m 100 *100* 100 M dove: m 1 = massa del contenitore vuoto (g) m 2 = massa del contenitore e del campione (g) m 3 = massa del contenitore e delle ceneri (g) M ad = contenuto di umidità del campione (%) La misura deve essere ripetuta almeno due volte ad

16 Caratterizzazione chimico-fisica Sostanze volatili a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 16

17 17 Caratterizzazione chimico-fisica Sostanze volatili UNI EN 15148:2010 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di sostanze volatili deve avere una pezzatura massima di 1 mm. Strumentazione forno bilancia analitica con precisione di 0,1 mg Procedura Porre un crogiolo vuoto chiuso con un coperchio all interno del forno Mantenere il crogiolo a 900±10 C per 7 min Estrarre il crogiolo e raffreddarlo a temperatura ambiente Pesare il crogiolo ed il coperchio Porre all interno del crogiolo 1 g di campione e pesare il crogiolo pieno con il coperchio Porre il crogiolo pieno con il coperchio nel forno a 900±10 C per 7 min Estrarre il crogiolo e raffreddarlo a temperatura ambiente Pesare il crogiolo

18 18 Caratterizzazione chimico-fisica Sostanze volatili su base secca V db 100*( m2 m m2 m1 ) M dove: m 1 = massa del crogiolo vuoto (g) m 2 = massa del crogiolo e del campione prima del riscaldamento (g) m 3 = massa del crogiolo e del campione dopo il riscaldamento (g) M ad = contenuto di umidità del campione (%) La misura deve essere ripetuta almeno due volte 3 ad 100 * 100 M ad

19 19 Caratterizzazione chimico-fisica Risultati TGA

20 20 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto UNI EN 15104:2011 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di carbonio, idrogeno ed azoto deve avere una pezzatura massima di 1 mm. Strumentazione bilancia analitica con precisione di 0,1 mg strumento automatico Procedura Pesare un quantitativo di campione stabilito in funzione del tipo di strumento di analisi Analizzare 5 campioni dello standard di riferimento. caratterizzato da concentrazioni di C, H, N simili a quelle del campione da analizzare Verificare che tali determinazioni rispettino i requisiti di precisione richiesti. Se non sono soddisfatti ripetere la procedura di calibrazione Usare il valore medio delle 5 determinazioni per ciascun elemento e calibrare lo strumento Analizzare un campione di uno standard diverso dal precedente e verificare che siano rispettati gli errori massimi di ripetibilità per ciascun elemento. In caso negativo rifare la calibrazione Analizzare il campione di biomassa effettuando almeno due ripetizioni

21 21 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto Strumentazione del laboratorio CRB Bilancia analitica Analizzatore elementare (TruSpec CHN)

22 22 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto Preparazione del campione per Truspec CHN il campione deve essere triturato con il mulino fino alla dimensione massima di 1 mm posizionare con una pinzetta la sfoglietta di stagno sopra il piatto della bilancia e farne la tara Sfoglietta di stagno inserire il campione nella sfoglietta non toccando il campione con le mani togliere la sfoglietta con il campione dal piatto della bilancia e arrotolare l estremità fino a sigillare il campione, cercando di ottenere una capsula

23 23 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto Preparazione del campione per Truspec CHN riposizionare la capsula sul piatto della bilancia per determinare il peso definitivo caricare il campione nell autocampionatore autocampionatore

24 24 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto Procedura di funzionamento Truspec CHN Il ciclo di analisi è costituito da tre fasi: lavaggio, combustione, analisi. Nella fase di lavaggio, il campione viene posizionato dallo strumento nella testa di carico, dove viene purificato con un flusso di elio dai gas atmosferici che inevitabilmente sono rimasti sulla capsula durante la preparazione del campione. Durante la fase di combustione, il campione è caricato in un forno a 950 C con un alto flusso di ossigeno per una combustione rapida e completa (Primary). I prodotti di combustione passano attraverso un forno secondario (Afterburner) a 850 C, per un ulteriore ossidazione e per rimuovere il particolato. Poi i gas di combustione sono raccolti in un apposito contenitore detto Ballast di volume pari a 4,5 litri all interno del quale vengono omogeneizzati e poi inviati ai rivelatori ad assorbimento infrarosso per la misura della CO 2 e dell H 2 O. Infatti il carbonio è misurato sotto forma di CO 2 e l idrogeno sotto forma di H 2 O. Nella fase di analisi, una parte dei gas di combustione (3 cc) viene invece trasferita in un circuito in corrente di elio e fatta passare attraverso un catalizzatore di rame caldo per la rimozione dell ossigeno e la conversione degli NO x ad azoto elementare N 2 ed attraverso le colonne di Lecosorb e di Anhydrone per la rimozione dei residui della combustione, anidride carbonica e acqua. Per la determinazione del contenuto di azoto viene utilizzata una cella a conduttività termica.

25 25 Caratterizzazione chimico-fisica Carbonio, Idrogeno, Azoto Risultati Truspec CHN Menù Bar Toolbar Menù Spreadsheet Plot Status Bar

26 Caratterizzazione chimico-fisica Potere calorifico a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 26

27 27 Caratterizzazione chimico-fisica Potere calorifico UNI EN 14918:2010 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di carbonio, idrogeno ed azoto deve essere macinato fino ad una dimensione massima di 1 mm. Dopodiché deve essere pressato in modo da ottenere una pastiglia di circa 1 g. Strumentazione bilancia analitica con precisione di 0,1 mg pressa idraulica calorimetro

28 28 Caratterizzazione chimico-fisica Potere Calorifico Strumentazione del laboratorio CRB Bilancia analitica Calorimetro (AC 350) Pressa idraulica

29 29 Caratterizzazione chimico-fisica Calorimetri isoperibolici Sono costituiti da: Recipiente metallico a doppia parete (jacket) riempito di acqua a temperatura ambiente e rivestito esternamente da materiale isolante per renderlo, quanto più possibile adiabatico Recipiente cilindrico (bucket) nel quale sono alloggiate la bomba calorimetrica di Mahler, un termometro ed un agitatore ed è riempito con acqua distillata Bomba di Mahler recipiente cilindrico metallico; il coperchio di chiusura porta inferiormente due elettrodi di cui uno, terminando ad anello, sostiene il crogiolo contenente il campione da esaminare. Nel coperchio stesso è alloggiata una valvola per il caricamento dell ossigeno e lo scarico dei gas di combustione Potere calorifico

30 30 Caratterizzazione chimico-fisica Potere calorifico Determinazione del Potere Calorifico Superiore Il PCS ottenuto con la strumentazione descritta è a volume costante dove m 1 : massa del campione da analizzare (circa 1 g) Q S : contributo derivante dalla trasformazione di acido solforico liquido in anidride solforosa e ossigeno gassosi e acqua liquida durante la combustione a volume costante (J) Q S = 94,1 * S * m 1 ΔT: dove S è il contenuto % di zolfo nel campione incremento di temperatura (K) sul secco

31 31 Caratterizzazione chimico-fisica Potere calorifico Determinazione del Potere Calorifico Inferiore Si possono definire due valori del Potere Calorifico Inferiore: a volume costante (PCI V ) e a pressione costante (PCI P ) sul secco. Il valore a pressione costante è quello più significativo in quanto rispecchia la situazione in cui i gas di combustione si espandono a pressione atmosferica dove H d : O d : N d : contenuto % di idrogeno sul campione secco contenuto % di ossigeno sul campione secco si calcola per differenza O d = 100 C d H d N d S d - ceneri d contenuto % di azoto sul campione secco Dovrebbero essere condotte almeno 2 analisi verificando che la differenza dei valori di PCS sia inferiore a 120 J/g

32 32 Caratterizzazione chimico-fisica Potere calorifico Confronto con altri combustibili

33 33 Caratterizzazione chimico-fisica UNI EN 15289:2011 Preparazione del campione Il campione destinato alla determinazione del contenuto di cloro e zolfo deve avere una pezzatura massima di 1 mm. Strumentazione bilancia analitica con precisione di 0,1 mg pressa idraulica calorimetro cromatografo ionico Cloro, Zolfo Procedura Pressare il campione formando una pastiglia di circa 1 g Effettuare un analisi con il calorimetro, aggiungendo all interno della bomba 1 ml di acqua distillata come soluzione ricevente Aprire lentamente la valvola della bomba facendo gorgogliare i gas all interno di recipiente con acqua distillata (50 ml o 100 ml) Aprire la bomba e lavare con acqua distillata tutte le parti interne Riunire all interno dello stesso recipiente i due volumi di acqua Prelevare 1 ml con una siringa e iniettarlo all interno di un cromatografo ionico

34 34 Caratterizzazione chimico-fisica Cloro, Zolfo Fasi dell analisi

35 35 Caratterizzazione chimico-fisica Cloro, Zolfo su base secca w Cl ( c co )* V m *100 w S ( c co )* V m *0,3338*100 dove: w Cl = contenuto di cloro nel campione (%) w S = contenuto di zolfo nel campione (%) c = concentrazione di solfato/cloruro nella soluzione in mg/l c 0 = concentrazione di solfato/cloruro del bianco (acqua distillata) in mg/l m = massa del campione utilizzato nella prova calorimetrica (mg) V = volume della soluzione in l 0,3338 = è il rapporto stechiometrico delle masse molari dello zolfo e del solfato La misura deve essere ripetuta almeno due volte

36 36 Caratterizzazione chimico-fisica Strumentazione del laboratorio CRB Bilancia analitica Cloro, Zolfo Cromatografo ionico (ICS 90) Calorimetro (AC 350)

37 37 Caratterizzazione chimico-fisica UNI EN :2006 Fusibilità delle ceneri Preparazione del campione Triturare la cenere in un mortaio d agata o mediante un altro adeguato strumento di macinazione fino a quando la dimensione massima delle particelle sia inferiore a mm. Inumidire una sufficiente quantità di cenere preparata con acqua distillata, destrina o etanolo, farne una pasta e comprimerla in uno stampo di forma cilindrica di 3 o 5 mm di altezza e con un diametro uguale all altezza.

38 38 Caratterizzazione chimico-fisica Fusibilità delle ceneri Strumentazione forno in grado di raggiungere temperature di 1600 C dotato di videocamera per osservare il profilo del provino che permetta di scattare una foto ogni 10 C Procedura Trasferire il campione sul proprio supporto nel forno e impostare il tipo di atmosfera (ossidante o riducente). Un atmosfera ossidante è ottenuta con aria o anidride carbonica. L atmosfera riducente può essere ottenuta con una delle seguenti miscele: a) dal 55% al 65% di monossido di carbonio e dal 35% al 45% di anidride carbonica; b) dal 45% al 55% di idrogeno e dal 45% al 55% di anidride carbonica. Incrementare la temperatura fino a 550 C e successivamente con un tasso uniforme compreso tra 3 C/min e 10 C/min. Registrare le temperature di inizio contrazione, deformazione, emisferica e fluida.

39 39 Caratterizzazione chimico-fisica Fusibilità delle ceneri Definizioni Shrinkage (Softening) Starting Temperature (SST) (temperatura di inizio contrazione): la temperatura alla quale il provino si contrae. Questa temperatura è individuata quando l area del campione raggiunge il 95% dell area del campione iniziale a 550 C. Deformation Temperature (DT) (temperatura di deformazione): la temperatura alla quale si verificano i primi segni di arrotondamento dei bordi del campione dovuti alla fusione (variazione del fattore di forma del 15%)

40 40 Caratterizzazione chimico-fisica Fusibilità delle ceneri Definizioni Il fattore di forma (F) è definito come il rapporto tra la circonferenza della semisfera perfetta (b) della stessa area del campione (A ) e la lunghezza del perimetro del campione in esame (a) di area (A) Hemisphere Temperature (HT) (temperatura emisferica): la temperatura alla quale la forma del campione approssima una semisfera, vale a dire quando l altezza diventa uguale alla metà del diametro di base. Flow (Melting) Temperature (FT) (temperatura fluida): la temperatura alla quale la cenere fluidifica sulla piastrina di supporto, pertanto quando l altezza del provino raggiunge metà del valore alla temperatura emisferica.

41 41 Caratterizzazione chimico-fisica Fusibilità delle ceneri Carbone Cippato di legno

42 Caratteristiche chimico fisiche ed energetiche a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 42

43 Caratteristiche chimico fisiche ed energetiche a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 43

44 Confronto prezzi combustibili (Mag. 2011) a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 44

45 Processi di conversione energetica delle biomasse a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 45

46 46 Processi di conversione energetica

47 47 Processi di conversione energetica

48 48 Processi di conversione energetica combustione attuata in apposite apparecchiature combustori reazione chimica in cui una sostanza (combustibile) si combina con l'ossigeno dell'aria (comburente) sviluppando calore (conversione di energia chimica in calore) ottimizzazione della miscelazione tra combustibile e comburente biomassa movimentazione dalla sezione di carico al combustore ceneri dal combustore alla sezione di scarico gas di combustione successivamente avviati ad una sezione dove avviene lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo principali tecnologie di combustione per la biomassa combustione a griglia (fissa o mobile) combustione a letto fluido

49 Processi di conversione energetica combustione a griglia biomassa collocata sopra a griglie (fisse o mobili) aria comburente fornita dal basso (aria primaria) ossidazione del carbonio fisso aria iniettata al di sopra della griglia (aria secondaria) ossidazione delle sostanze volatili combustore a griglia fissa a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti combustore a griglia mobile 49

50 Processi di conversione energetica Griglia fissa 50

51 Processi di conversione energetica Griglia fissa 51

52 Processi di conversione energetica Griglia mobile 52

53 Processi di conversione energetica Griglia mobile 53

54 54 combustione a letto fluido Processi di conversione energetica Letto fluido camere di forme diverse con pareti refrattarie o membrane all interno è presente un letto granulare di materiale inerte, mantenuto in sospensione da un flusso d aria proveniente dalla base del cilindro letto inerte: permette un elevato scambio termico con la biomassa ridotta di pezzatura ( dimensioni del letto sabbioso) garantisce capacità termica al sistema gestisce la variabilità delle caratteristiche energetiche della biomassa

55 Processi di conversione energetica Letto fluido 55

56 Processi di conversione energetica Controllo emissioni 56

57 Processi di conversione energetica Controllo emissioni 57

58 Processi di conversione energetica Gassificazione Volendo darne una definizione si può affermare che la gassificazione è la decomposizione termica controllata di un materiale organico che produce un gas combustibile ed un residuo inerte Durante il processo avvengono molte reazioni chimiche consecutive e/o parallele, endotermiche e esotermiche. Queste sono influenzate: da temperatura e pressione dal tipo di gassificatore dal regime fluidodinamico dall agente gassificante dal combustibile usato Il processo di gassificazione avviene generalmente in seguito ad una fase di essiccamento e di pirolisi; durante quest ultima fase si ha la produzione di gas che possono essere usati come combustibili e, inoltre, si formano residui solidi. La pirolisi, che precede la fase di gassificazione, consiste in una demolizione termica dei legami delle molecole organiche, generalmente con assorbimento di calore, con liberazione di gas quali monossido di carbonio, idrogeno e metano e con la formazione di catrami e carboni a loro volta combustibili. a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 58

59 Processi di conversione energetica Gassificazione 59

64 Processi di conversione energetica Gassificatori Updraft 64

69 Processi di conversione energetica Gassificatori Downdraft 69

70 Processi di conversione energetica Gassificatori Letto fluido 70

71 Processi di conversione energetica Gassificatori Letto fluido 71

73 Processi di conversione energetica Pirolisi 73

78 Processi di conversione energetica Cogenerazione 78

79 Processi di conversione energetica Cogenerazione 79 Sistemi di cogenerazione attualmente diffusi sul mercato abbinati a processi termochimici Combustione (griglia mobile) Turbina a ciclo Rankine organico Combustione (griglia mobile) Microturbina a combustione esterna Gassificatore (letto fisso) Motore a combustione interna (ciclo Otto)

80 Processi di conversione energetica ORC 80

81 Processi di conversione energetica ORC 81 Il turbogeneratore ORC è un sistema che permette la produzione contemporanea di energia elettrica e calore sotto forma di acqua calda ad C. L impianto deve essere accoppiato ad una centrale termica ad olio diatermico. Il circuito ad olio diatermico che alimenta il turbogeneratore, raggiunge temperature attorno ai 300 C e riscalda tramite uno scambiatore di calore il vero e proprio fluido di processo, ovvero un olio siliconico. Quest ultimo va ad azionare una turbina che esegue un ciclo Rankine a circuito chiuso. Il ciclo è simile a quello di una convenzionale turbina a vapore, la principale differenza sta nel fluido organico ad alta massa molecolare. Il turbogeneratore ha un rendimento elettrico netto pari a circa il 18-20% e termico del 77-80%, con perdite termiche ed elettriche intorno al 2-3%. L ottimizzazione del sistema ed il fatto che gli impianti ORC possono funzionare senza la presenza continua di un conduttore ha aperto la strada per l uso di sistemi ad olio diatermico per la cogenerazione nel settore delle biomasse. il ciclo si ammortizza se il termico viene valorizzato

82 Processi di conversione energetica EFMGT L aria in ingresso, aspirata direttamente dall ambiente circostante attraverso la bocca di ingresso, è portata alla pressione di esercizio tramite un compressore centrifugo (fase di compressione); da qui passa al recuperatore (fase di rigenerazione) dove incrementa la sua temperatura per effetto del calore sottratto all aria di scarico della turbina che fluisce verso il condotto di uscita. Dal recuperatore l aria pressurizzata entra in caldaia convogliata per mezzo di uno scambiatore a più giri di fumo ad elevata efficienza in controcorrente rispetto ai gas combusti. Qui acquista ulteriore energia dai fumi caldi provenienti dalla combustione della biomassa legnosa (fase di combustione). Questa energia termica sarà poi trasformata in energia meccanica attraverso il salto entalpico nella turbina (fase di espansione). L albero della turbina è collegato a un generatore elettrico, che converte il lavoro meccanico in energia elettrica. Generatore, compressore e turbina sono calettati sullo stesso albero. a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 82

83 Processi di conversione energetica EFMGT 83

84 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 84 La tecnologia della digestione anaerobica può utilizzare quello che altre tecnologie di conversione energetica non possono utilizzare. Può utilizzare, infatti, matrici vegetali e/o animali, sottoprodotti o colture dedicate con tenore di solidi totali e volatili dal 2% al 100%. In digestione anaerobica il contenuto energetico di una matrice organica viene prima convertito in un biocombustibile per mezzo di una flora batterica e poi in energia elettrica e termica

85 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 85

86 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 86 Acidificazione

88 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 88 La produzione di CH 4 rappresenta la conclusione della catena trofica anaerobica. CH 4. Il metano infatti è l unico composto non reattivo nell intero processo di digestione anaerobica e può, pertanto, essere considerato il prodotto finale dell intero processo.

89 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 89 Il biogas è costituito da metano (50-70%) e da CO 2 e poi da tracce di altri gas. Il biogas ha un potere calorifico di ~ kcal /Nm3 ( kj/nm 3 ) e può essere impiegato sia per veicoli a gas (previa purificazione al 95% di metano) che per la combustione diretta finalizzata alla produzione di calore e/o elettricità.

90 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 90 Delle tre fasi principali del processo di DA la fase metanigena è la più lenta e, di conseguenza, condiziona l intera trasformazione. Inoltre è assolutamente necessario mantenere un equilibrio tra la quantità di acido acetico prodotta (durante la fase acidogena) e quella metabolizzata e trasformata in metano (fase metanigena); un allontanamento da questo equilibrio verso l accumulo di acido acetico determinerebbe un eccessiva acidificazione del substrato, una tossicità per i batteri metanigeni ed un rallentamento del processo che, addirittura, potrebbe arrivare all arresto. D altro canto è anche necessario bilanciare il flusso di materiale digerito e di materiale fresco ancora da decomporre; in sintesi i valori di carico organico devono essere indicativamente compresi tra 2 e 6 kgsv/m 3 di digestore al giorno.

91 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica 91 CARICO ORGANICO TEMPO DI RESIDENZA

93 Processi di conversione energetica Digestione anaerobica kwh term./m 3 biogas

97 97 WET Processi di conversione energetica Digestione anaerobica Il reattore più frequentemente utilizzato in questo tipo di processo è il classico reattore completamente miscelato (Completely stirred tank reactor - CSTR). La biomassa, prima di essere introdotta nel digestore, subisce un trattamento per raggiungere un appropriato tenore di solidi totali ed un buon grado di omogeneizzazione. Inoltre, di solito, si effettua una diluizione mediante aggiunta di acqua (liquami vari e/o acqua di processo, ricircolata dal digestore stesso) e viene praticata la rimozione degli eventuali materiali inerti e grossolani, potenzialmente dannosi per la meccanica dell impianto.

98 98 WET Processi di conversione energetica Digestione anaerobica Nei processi ad umido si opera generalmente con carichi organici compresi tra 2 e 5 kgsv/m 3 giorno; quantitativi maggiori possono portare a cali nella produzione di biogas, probabilmente a causa della diffusione in tutta la massa di sostanze inibenti dovuta alla completa miscelazione che si ha in questi digestori tra i differenti componenti (biomassa di partenza, metaboliti, microrganismi) del substrato. Infatti, se da un lato risulta essere necessaria per un buon esito del processo, dall altro favorisce lo stretto contatto tra biomassa ed eventuali sostanze inibenti prodotte nelle varie fasi del processo nei confronti di particolari gruppi microbici, con conseguenti squilibri del sistema.

100 100 DRY Processi di conversione energetica Digestione anaerobica Opera con tenori di sostanza secca superiori al 20% ed è stata sviluppata per consentire il trattamento del rifiuto organico senza necessità di diluizioni. Infatti è applicata in particolare alla frazione organica dei rifiuti urbani, ottenuti sia da raccolta indifferenziata che da raccolta differenziata. In questo tipo di sistema il materiale utilizzato è molto più concentrato e viscoso con la conseguenza che la tecnologia dei reattori e dei sistemi di trasporto, pompaggio e miscelazione deve essere opportunamente adattata a tali caratteristiche. Normalmente, l unico pre-trattamento previsto è una vagliatura grossolana in grado di rimuovere le frazioni con dimensioni > 40 mm. Il fatto di limitare i pretrattamenti del materiale fresco rappresenta un indubbio vantaggio in quanto consente di contenere la perdita di sostanza organica biodegradabile utile alla produzione di biogas.

101 101 DRY Processi di conversione energetica Digestione anaerobica A causa della elevata densità e viscosità dei flussi trattati i reattori per il trattamento dry non sono del tipo completamente miscelato (CSTR) ma con flusso parzialmente o totalmente a pistone (plug-flow): ciò rende i reattori più semplici dal punto di vista meccanico ma comporta problemi di miscelazione tra il rifiuto organico fresco e la biomassa fermentante. La risoluzione di questo problema è fondamentale per evitare fenomeni localizzati di sovraccarico organico ed eventuale acidificazione che porterebbe ad inibizione del processo di formazione di biogas. Il fatto di operare con flussi molto densi porta inoltre al superamento del problema della suddivisioni di tre fasi distinte all interno del reattore

107 Processi di conversione energetica Estrazione olio 107

115 Processi di conversione energetica Estrazione olio 115 Degommazione: utile in quanto i fosfolipidi possono assorbire umidità dall'aria e formare gomme insolubili nei serbatoi nelle tubazioni e nei filtri. Neutralizzazione: eliminazione chimica o fisica sino alla neutralità degli acidi grassi liberi che compromettono la qualità dell olio in quanto molto suscettibili all'ossidazione e ad alte temperature formano sali con il metallo e quindi possono danneggiare il motore o i serbatoi di stoccaggio

116 Processi di conversione energetica Estrazione olio La viscosità è il parametro che maggiormente differenzia gli oli vegetali dal gasolio. L'elevato valore di viscosità degli oli incide in maniera negativa sui sistemi di alimentazione e di iniezione dei motori, che devono essere opportunamente modificati nel caso di utilizzo di olio vegetale puro. La viscosità dell'olio si riduce notevolmente con l'aumentare della temperatura. Il numero di cetano, invece, è indice del comportamento dei motori nella fase di accensione. Ad un numero elevato di cetano corrisponde un avviamento a freddo più rapido e una migliore combustione. Il punto di infiammabilità, invece, gioca a favore degli oli vegetali, che risultano essere molto più sicuri del gasolio in tutte le fasi di stoccaggio e trasporto. Il numero di iodio misura la presenza di acidi con legami doppi che portano alla formazione di depositi in varie parti interne dei motori a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 116

117 Processi di conversione energetica Estrazione olio 117 Il calore viene recuperato oltre che dai fumi anche dal circuito di raffreddamento di olio lubrificante ed acqua

118 Processi di conversione energetica Biodiesel 118

119 Processi di conversione energetica Biodiesel 119

120 Processi di conversione energetica Bioetanolo 120 Resa (cereali) 1:3 La fermentazione alcolica è il processo di trasformazione biochimica per mezzo del quale gli zuccheri sono trasformati in alcool etilico secondo la reazione: C 6 H 12 O 6 2C 2 H 5 OH + 2CO 2

121 Incentivazione delle biomasse a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 121

122 122 Incentivi per le bioenergie Gli incentivi finanziari in Italia sono evoluti dai contributi in conto capitale ai contributi in conto esercizio. Gli incentivi attualmente in vigore sono: Incentivi fiscali sugli usi per il riscaldamento. Detrazioni fiscali per acquisto o allaccio di impianti domestici. Incentivi per la produzione di elettricità. Incentivi per la produzione di energia termica. Contributi per colture dedicate. Esenzioni fiscali per biodiesel e bioetanolo. Contributi regionali per impianti. INCENTIVAZIONE DELL ENERGIA ELETTRICA Legge n.244 del 24/12/07 (Legge Finanziaria 2008), DM 18/12/08 L. 99 del 23/07/09 istituzione di un nuovo meccanismo di incentivazione dell energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti rinnovabili, entrati in esercizio dopo il 31/12/07, che prevede la possibilità di scegliere tra l ottenimento di Certificati Verdi e di tariffe incentivanti.

123 123 Incentivazione energia elettrica

124 Incentivazione energia elettrica Certificati Verdi a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 124

125 125 Incentivazione energia elettrica Certificati Verdi Energia annua prodotta: al netto dell energia elettrica assorbita dai servizi ausiliari relativi al gruppo di generazione, delle perdite nei trasformatori e delle perdite di linea fino al punto di consegna con obbligo di connessione di terzi; la rimanente parte può essere commercializzata o autoconsumata, a discrezione del produttore. è moltiplicata per i seguenti coefficienti: FONTE COEFFICIENTE Eolica per impianti di taglia superiore a 200 kw 1,00 Eolica offshore 1,50 Geotermica 0,90 Moto ondoso e maremotrice 1,80 Idraulica diversa da quella del punto precedente 1,00 Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto 1,30 successivo Biomasse e biogas prodotti da attività agricola, allevamento e 1,80 forestale da filiera corta Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e 0,80 biogas diversi da quelli del punto precedente

130 Incentivazione energia elettrica Tariffa omnicomprensiva a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 130 È riconosciuta alla sola energia netta immessa in rete, che deve essere necessariamente ritirata dal GSE. Naturalmente, nel caso in cui un impianto prelevi dalla rete l energia elettrica necessaria per alimentare i propri servizi ausiliari (alimentazione del combustibile, trattamento fumi, ecc.), l energia incentivata mediante la Tariffa Onnicomprensiva non è tutta quella effettivamente immessa in rete, ma quest ultima decurtata dei prelievi dalla rete destinati ad alimentare tali servizi ausiliari. Fonte Biogas e biomasse (esclusi i biocombustibili liquidi ad eccezione degli oli vegetali puri tracciabili attraverso il sistema integrato di gestione e di controllo previsto dal Regolamento (CE) n. 73/2009 del Consiglio, del 19 gennaio 2009) Gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biocombustibili liquidi (ad eccezione degli oli vegetali puri tracciabili attraverso il sistema integrato di gestione e di controllo previsto dal Regolamento (CE) n. 73/2009 del Consiglio, del 19 gennaio 2009) Tariffa c /kwh 28 18

131 131 DLgs 28/2011

132 Incentivazione energia termica a.a. 2011/12 - Fonti energetiche rinnovabili E. Moretti 132

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