L.E.A.P. LABORATORIO ENERGIA E AMBIENTE PIACENZA

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1 BIOMASSA Energia al L.E.A.P. LABORATORIO ENERGIA E AMBIENTE PIACENZA Descrizione La definizione ufficiale di biomassa comprende qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale o animale, destinata a fini energetici o alla produzione di ammendante agricolo. L appartenenza delle biomasse al novero delle fonti di energia rinnovabile è coerente con il fatto che, da un lato, le materie prime di origine vegetale rappresentano, da un certo punto di vista, degli accumuli alternativi di energia solare (quella immagazzinata nella crescita per effetto della fotosintesi clorofilliana), dall altro lato, il recupero degli scarti e la loro trasformazione in fonte di energia evidentemente rappresenta un modo per inserire una componente positiva al bilancio energetico complessivo. Esistono vari criteri di classificazione delle biomasse, riportati di seguito in figura1, ognuno dei quali evidenzia uno specifico aspetto di questo complesso settore. Tecnologia Descrizione Ciclo di Vita Sviluppi Futuri Applicazioni Possibili Contatti Referenti Infrastrutture

2 Figura 1: classificazione delle biomasse La figura 2 rappresenta i principali processi di conversione energetica della biomassa. Figura 1:processi di trasformazione della biomassa

3 La figura 3 si focalizza, invece, sulla conversione energetica per la quale ogni tipologia di biomassa è adatta. Figura 2: Conversione energetica per tipologia di biomassa Di seguito si riporta una descrizione sintetica delle principali tecnologie per la produzione di bioenergia. Le tecnologie possono essere classificate in base alla tipologia di energia prevalentemente prodotta: Energia termica: Caldaie a pellet: utilizzano un combustibile solido di matrice legnosa, il pellet. Possono essere dotate di sistema di caricamento automatico del pellet, il che le rende del tutto automatizzate e simili nel funzionamenti ad una caldaia a gas tradizionale. Assicurano quindi la possibilità di impostare orario di accensione e spegnimento, oltre alla temperatura. Hanno potenze nominali che vanno da pochi kw ad alcune centinaia di kw, nel caso in cui siano utilizzate per alimentare una piccola rete di teleriscaldamento. Caldaie a biomassa per teleriscaldamento: il teleriscaldamento a biomasse permette di fornire calore ad un insieme di abitazioni e/o attività industriali, commerciali o pubbliche, che si trovano nelle vicinanze del luogo di produzione della biomassa utilizzata. Negli impianti di teleriscaldamento, che utilizzano tipicamente

4 caldaie a griglia, possono essere valorizzati energeticamente tutti gli scarti della filiera del legno. Influenzano negativamente la fattibilità di questi impianti gli elevati costi necessari per la realizzazione di una opportuna rete di distribuzione del calore alle utenze finali. Energia elettrica e termica (eventuale cogenerazione): Impianti ORC: si basano su un ciclo Rankine chiuso e utilizzano un fluido di lavoro organico, che nella maggior parte dei casi è costituito da polisilossani. I combustibili per alimentare questi impianti possono essere biomassa legnosa (segatura, cippato, corteccia,ecc..), biomassa non legnosa (fanghi biologici, scarti di potature, lolla, sansa, ecc...) oppure RSU. Gli impianti ORC hanno taglie tipicamente comprese tra i 400 kwe e i 2 MWe. I principali campi di applicazione di queste tecnologie sono: o La cogenerazione da biomassa per piccole reti di teleriscaldamento o attività produttive; o Il recupero di calore, ossia la produzione di energia elettrica da scarichi dei processi industriali; o La realizzazione di piccoli cicli combinati, ossia la produzione di energia elettrica da calore residuo di motori a combustione interna o turbogas. Impianti di gassificazione e pirolisi: la gassificazione e la pirolisi sono dei processi di conversione termochimica di un combustibile solido (biomassa) in un combustibile gassoso (syngas) e/o liquido (quale l olio pirolitico o tar). Gli impianti che si basano sulla gassificazione e la pirolisi producono sia energia termica che elettrica e sono tipicamente di piccole dimensioni, con potenze che variano dai 250 kwe ai 2 MWe. Centrali a combustione da biomasse agroforestali: un impianto termoelettrico alimentato a biomasse agroforestali è composto da quattro sezioni principali: o Il combustore, in cui avviene il processo di combustione; o La caldaia, o sistema di recupero termico, che converte il contenuto energetico dei fumi caldi in vapore, raffreddandoli; o Il ciclo di potenza, che valorizza il vapore prodotto generando energia elettrica mediante un turboalternatore; o La linea di trattamento fumi, che abbatte gli eventuali inquinanti depurando i fumi prima del loro scarico in atmosfera. La potenza nominale media di questi impianti varia tra i 5 MWe e i 40 MWe, con una maggiore diffusione di quelli di taglia prossima al limite inferiore del range. Impianti per la produzione di energia da biogas: tali impianti sono composti da: o Il sistema di stoccaggio delle biomasse ed eventuali vasche per idrolisi delle biomasse; o Le apparecchiature di trasferimento ai digestori del substrato; o I digestori e i gasometri, dove nei primi avviene la produzione di biogas attraverso il processo di digestione; o Le tubazioni di convogliamento, pompaggio, condizionamento e trattamento del gas; o I gruppi di generazione (gruppi motore-alternatore) e il sistema di trattamento fumi.

5 Permette la produzione combinata di energia elettrica e termica. La taglia dei motori utilizzati in questi impianti varia da 200 kwe e 2 MWe. Impianti per la produzione di energia da oli vegetali: gli impianti sfruttano tecnologie mature e consolidate. Esse si compongono solitamente in: o I serbatoi di stoccaggio dell olio vegetale; o L impianto di pretrattamento dell olio, generalmente costituito da cisterne a doppia parete con serpentine; o La sezione di produzione di energia elettrica, che si compone di un motore endotermico, di tipo navale ad altissima affidabilità (superiore al 90%) e con rotazioni che non superano i 1000 giri/min. Esso è collegato ad un alternatore e al sistema di connessione alla rete di distribuzione; o Le eventuali apparecchiature per il recupero del calore, visto che normalmente l impianto funziona in cogenerazione, Esistono sia impianti con limitata potenza nominale, intorno a 1 MWe, che impianti di taglia maggiore, fino a 20 MWe, in cui sono affiancati più motori endotermici. Impianti per il recupero energetico da RSU: la struttura di tali impianti e del tutto analoga a quella di un impianto alimentato da biogas agroforestale. A causa della diversa materia prima, tuttavia, esistono delle differenze relative alla sezione di trattamento fumi, che in questo caso deve rispondere a requisiti decisamente più stringenti. La taglia di questi impianti varia tra i 5 MWe ed oltre i 100 MWe. Tradizionalmente questi impianti producono solamente energia elettrica, ma si segnalano numerosi casi recenti di impianti collegati a reti di teleriscaldamento. Di seguito si riporta un confronto fra le tecnologie sopradescritte: Tabella 2: confronto delle tecnologie per la produzione di bioenergia (fonte:

6 Si riportano i LEC per alcuni impianti considerati nell analisi nel caso in cui essi si approvvigionino di materia prima a costo zero : (fonte: L analisi dei LEC (Levelized Energy Cost*) mostra come, per effetto della relativa maturità tecnologica della maggior parte delle tecnologie, i valori di riferimento vadano da un minimo di 6 c /kwh (caldaie a biomassa) a un massimo di 9 c /kwh (caldaie a pellet) per la produzione termica e da un minimo di 14,3 c /kwh (centrali a combustione da biomassa, escludendo gli impianti per il recupero energetico da RSU per i quali l approvvigionamento è un ricavo ) a un massimo di 23,3 c /kwh (pirolisi) per la produzione elettrica. La vicinanza con il livello di costo dell energia dalla rete (grid parity) appare evidente ed è ulteriormente rafforzata nel caso in cui i costi di approvvigionamento della biomassa siano trascurabili, ossia quando gli utilizzatori dispongono in proprio della materia prima necessaria all alimentazione dell impianto. Secondo quanto stilato nel repot Biomass Executive Energy Report, redatto da Energy & Strategy Group, le tecnologie impiegate per la produzione di energia termica risultano ad oggi le più convenienti per gli investitori. La ragione è prima di tutto di natura tecnologia: la conversione in energia elettrica richieda (ad eccezione degli oli vegetali) una ulteriore trasformazione, e quindi una perdita di efficienza, rispetto alla generazione di calore.

7 (fonte: Torna all Indice Stadio rispetto al Ciclo di Vita Le tecnologie impiegate possono essere considerate complessivamente mature. Fra di esse la gassificazione e pirolisi sono attualmente ad uno stadio inferiore di maturità tecnologia, se confrontate con le altre tecnologie di produzione della bioenergia. Torna all Indice Sviluppi Futuri Il PAN (Piano di Azione Nazionale), stilato nel Luglio 2010, definisce le azioni che l Italia deve porre in atto per raggiungere l obiettivo vincolante di produzione del 17% del consumo nazionale lordo di energia da fonti rinnovabili entro il 17%. Entro il 2020 è necessario

8 arrivare a produrre ktep di energia elettrica (26,38% del consumo finale lordo di energia elettrica) e ktep di energia termica (17% del consumo finale lordo di energia per riscaldamento e raffrescamento) da rinnovabili. Secondo quanto stilato all interno del PAN, le biomasse avranno una crescita considerevole. Infatti, entro il 2020 è necessario arrivare a produrre ktep di energia elettrica (40% dell obiettivo totale per le rinnovabili) e ktep (oltre il 50% dell obiettivo totale) di energia termica da biomasse. Le tabelle seguenti riportano nel dettaglio come l obiettivo è articolato nelle diverse tecnologie (per la parte elettrica) e impieghi (per la parte termica). (fonte: Nei grafici seguenti, si riportano i valori obiettivo di produzione di energia da FER, secondo quanto stabilito all interno del PAN. Infine si riporta il consumo stabilito di energia da FER nel settore trasporti.

9 (fonte: Piano di Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili) (fonte: Piano di Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili)

10 (fonte: Piano di Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili) Torna all Indice Applicazioni Possibili e Sviluppi Futuri Come sottolineato in precedenza, le tecnologie impiegate sono complessivamente mature, ad eccezione degli impianti ORC e delle tecnologie di pirolisi e gassificazione. Tale maturità comporta un ridotto margine di possibile aumento di possibile miglioramento delle tecnologie e di efficientamento dei costi. Un possibile sviluppo interessante riguarda la produzione di biometano attraverso la purificazione e upgrading di biogas, destinato all immissione nella rete del gas o all impiego per autotrazione. Le principali tecnologie di upgrading (rimozione della CO2 dal biogas) attualmente in uso sono: Adsorbimento a pressione oscillante (PSA) Lavaggio ad acqua in pressione (PWS) Lavaggio chimico o con solventi Membrane separatrici

11 Diversi Paesi in Europa hanno esperienze di immissione di biometano in rete e/o del suo uso come combustibile per autotrazione: la purificazione del biogas a biometano è stata avviata già a partire dal 2007 in Germania e in altri paesi come ad esempio Austria, Svizzera, Svezia e Olanda. In Italia vi sono alcuni fattori che spingono verso la diffusione di tale tecnologia. Infatti, esiste una rete capillare di distribuzione del gas, esistono numerosi impianti di produzione di biogas e l utilizzo di gas naturale per autotrazione pone il nostro Paese al 1 posto in Europa (76% del totale) e al 4 nel Mondo. Nonostante ciò, non ci sono impianti dedicati continuativamente alla produzione di biometano, si registra un solo impianto sperimentale situato a San Giovanni di Persiceto (Persiceto Bioenergia). Complessivamente i costi di purificazione e upgrading del biogas a biometano risultano ad oggi molto elevati e, anche nei paesi in cui il biometano è già una realtà affermata, un costo di investimento alto risulta giustificato solo per impianti di una certa taglia (indicativamente>500 kwe). In generale si può affermare che i costi specifici diminuiscono al crescere delle dimensioni dell impianto di digestione anaerobica (D.A.) e quindi di quello di upgrading a parità di tipologie di matrici utilizzate. I costi diminuiscono passando da impianti operanti prevalentemente con colture energetiche dedicate a impianti operanti prevalentemente con reflui zootecnici, a parità di dimensioni dell impianto di D.A. Anche i margini di profitto sono maggiori al crescere della dimensione dell impianto in termini di kwhe installati e per impianti operanti prevalentemente con reflui zootecnici (rispetto alle colture dedicate): essi

12 appaiono essere strettamente legati ai costi di conferimento della biomassa e alla capacità operativa di un impianto (almeno pari a 500 Nm3 biogas/h). Torna all Indice

13 Contatti Referenti Federico Viganò Ruolo: ricercatore di ruolo Gruppi: Sistemi di conversione dell'energia (GECOS) - Dip. di Energia, Politecnico di Milano Laboratori: LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente di Piacenza Consorzio partecipato dal Politecnico di Milano) Indirizzo: Via Nino Bixio 27/C, Piacenza Telefono: Fax: federico.vigano@polimi.it CV sintetico: Federico Viganò Infrastrutture Infrastrutture disponibili per attività di R&S, competenze ed esperienze Laboratorio LEAP LEAP-Heat box Attività Studi di fattibilità tecnologie di conversione energetica di biomassa Misure di emissioni gassose / polveri Misure di temperatura in camera di combustione Misura e certificazione delle prestazioni energetiche generatori di calore a biomassa, con Pn < 100 kw Responsabile Scientifico Ing. Federico Viganò Ing. Federico Viganò Responsabile Operativo Ing. Marco Sutti Ing. Sutti Marco Riferimenti (telefono; mail) federico.vigano@polimi.it federico.vigano@polimi.it

14 LEAP - Wind box Misura e certificazione delle prestazioni dei terminali di scarico di generatori di calore Ing. Federico Viganò Ing. Sutti Marco federico.vigano@polimi.it Torna all Indice