LE RISORSE RINNOVABILI: L utilizzo delle biomasse

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1 Università degli studi di Genova DIPTEM, Dipartimento di Ingegneria della produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, Sezione TErmoenergetica e Condizionamento ambientale, TEC LE RISORSE RINNOVABILI: L utilizzo delle biomasse Corso di Energie Rinnovabili 1 Marco Fossa Dipartimento di Ingegneria della Produzione, Termoenergetica e Modelli Matematici, DIPTEM Rev. 13/12/2007 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.1/ 35 Contenuti M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.2/ 35 1

2 Biomasse: tipologia Con il termine biomasse si intende, ogni la sostanza organica, di origine vegetale o animale, da cui sia possibile ricavare energia. La direttiva europea 2001/77/CE sulla produzione dell energia prodotta da fonti rinnovabili sancisce che per biomassa si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. La direttiva inoltre include tra le fonti rinnovabili (fonti energetiche non fossili): le biomasse medesime, i gas di discarica, i gas residuati dai processi di depurazione e i biogas. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.3/ 35 Tipologia (I) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.4/ 35 2

3 Tipologia (II) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.5/ 35 residuali Biomasse colture energetiche La filiera Raccolta (sul territorio, in discarica, da usi agricoli) pretrattamento trasporto Trattamento (densificazione, e.g. pellet) stoccaggio Conversione (termochimica, biochimica, chimica) Calore Energia elettrica Biocombustibili (solidi, liquidi, gassosi) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.6/ 35 3

4 Superifici forestate (I) Europa Superficie kmq ha Superficie boscata kmq ha Coefficiente di boscosità 46 % Area boschiva pro capite 1,4 ha Biomassa presente stimata m m 3 /ha Tasso di crescita 0,1 % annuo Biomassa Utilizzabile m 3 anno -1 Italia Superficie kmq ha Superficie boscata kmq ha Coefficiente di boscosità 34 % Area boschiva pro capite 0,17 ha Biomassa presente stimata m m 3 /ha Tasso di crescita 0,3 % annuo Popolazione abitanti Densità 195 abitanti/kmq M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.7/ 35 Superfici forestate (II) Liguria Superficie a kmq ha Superficie boscata a kmq ha Coefficiente di boscosità a 69 % Area boschiva pro capite 0,23 ha Popolazione a abitanti Densità a 299 abitanti/kmq Il consumo di energia elettrico dei liguri è, secondo il bilancio energetico regionale 1998 **, pari a 3,42 Mtep annui, ovvero 40.3 TeraWh annui. Consumo procapite annuo 1998 c 2,11 Tep per abitante ovvero 25 MW per abitante Consumo ligure totale c Tep anno -1 ovvero MWh annui Biomassa presente stimata b m 3 Biomassa Utilizzabile b m 3 anno -1 Energia elettrica potenziale b GWh ovvero 28 Tera Wh annui Lo sfruttamento delle sole biomasse forestali in via teorica potrebbe consentire una produzione di energia pari a circa il 67 % del fabbisogno energetico ligure. Ovviamente non tutto il territorio (e con esso la biomassa teorica) è utilizzabile, per ragioni ambientali, paesaggistici, di non accessibilità, o non economicità Fonti State of the World's Forests 2003 Food and Agriculture Organization of the United Nations Regione Liguria M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.8/ 35 4

5 Disponibilità (residui agricoltura) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.9/ 35 Disponibilità (residui agricoltura) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.10/ 35 5

6 Il processo di trattamento e conversione (colture dedicate, biomassa zuccherina) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.11/ 35 Il processo di trattamento e conversione (colture dedicate, biomassa lignea-cellulosica) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.12/ 35 6

7 Caratteristiche M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.13/ 35 Caratteristiche energetiche Potere calorifico - È legato al contento di C, H - Rispecchia le caratteristiche chimiche dei componenti presenti (lignina cellulosa resine) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.14/ 35 7

8 Caratteristiche energetiche M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.15/ 35 Struttura chimica lignina (legami aromatici) Caratteristiche chimiche Struttura chimica cellulosa Cellulosa, potere calorifico ~ 17.3 MJ/kg Lignina, potere calorifico ~ 26.5 MJ/kg M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.16/ 35 8

9 Caratteristiche (umidità) La biomassa è un combustibile caratterizzato da un certo quantitativo di acqua in esso contenuto Maggiore è il contenuto di acqua, minore è il potere calorifico della biomassa Il contenuto di umidità nella biomassa solida dipende da: tipo di biomassa trascorrere del tempo (e.g. cippato, da taglio e/o raccolta) umidità atmosferica e irraggiamento solare Riferendosi alla biomassa, il contenuto di acqua è specificato su: base secca (mcdb), mcdb (%) = [massa di acqua nel combustibile] / [massa secco della biomassa] x 100 base umida (mcwb), mcwb (%) = [massa di acqua nel combustibile] / [massa umido della biomassa] x 100 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.17/ 35 Caratteristiche (umidità) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.18/ 35 9

10 Caratteristiche (ceneri) Per ceneri si intende il materiale inorganico che rimane dopo la combustione del campione in condizioni standard La presenza di ceneri incide sulla frazione combustibile della biomassa < potere calorifico > quantità di materiale solido da smaltire (costi) > formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni) > fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.19/ 35 Densità apparente Caratteristiche fisiche Paglia ~ (sfusa) Kg/m3 ~ (imballata) Kg/m3 Biom. Legnose ~ Kg/m3 (in funzione della pezzatura) Pellet ~ Kg/m3 la densità dipende da forma e dimensioni del materiale, umidità, porosità M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.20/ 35 10

11 Densificazione Densificazione (compattazione) della materia prima: aumento della densità apparente Materia prima potenziale: Residui agroforestali, Scarti di lavorazione legno (segatura, ), Altri residui non trattatati (gusci,...) Altro Cippato o legno sminuzzato, o chips di legno, il legname in scaglie ottenuto da apposite macchine. Per produrre chips viene utilizzato legno di qualità inferiore, come i residui delle potature boschive, agricole o urbane, le ramaglie e i cimali Prodotti commerciali Mattoncini, brichette, pellets M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.21/ 35 Pellets Materiale omogeneo Normativa esistente sulle caratteristiche dimensionali e fisiche Si presta per impianti automatizzati Mercato in forte crescita Paesi Leader: Svezia, Austria, Germania M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.22/ 35 11

12 Pellets (produzione e trasporto) Materia prima: segatura Depolverizzazione in ciclone Trasporto e distribuzione pneumatica Trafilazione M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.23/ 35 Pellets (certificazione) Austria: ÖNORM M1735 (briquettes and pellets) Sweden: SS (pellets) and SS (briquettes) Germany: DIN (briquettes and pellets) Suggestion for European Classification : CEN/TS "Annex A" Examples of specifications for high quality classes of solid biofuels recommended for household usage M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.24/ 35 12

13 Pellets (certificazione) Additional environmental or quality labels for pellets and pellets heating In several countries, additional environmental or quality labels for pellets or pellet heating have been published. In some countries these quality labels function as a substitute for the lack of a national standard, while in others they function as a supplement the national standard. Austria: The Federal Ministry for the Environment has devised a special environment label for biomass fuels, where only raw materials from natural wood is allowed. At present no Austrian pellet manufacturer has applied for this label. Sweden: The Swedish wood pellets trade body, Pellsam, consists of manufactures and suppliers of pellet heating equipment. Pellsam offers its member companies a competitive advantage in the form of a 6 year full cover insurance for unexpected break-down or damage to the pellet equipment. UK: The Department of Trade and Industry have produced Codes of Good Preactice for Biofuel pellets and these codes are adopted by British BioGen member as a standard for products and services. The Codes of good practice will be superseded by the European Standards for Solid Biofuels once they are published France: The Association for Bioenergy Professionals has created a Pellet club, which aim is to promote the quality of fuels and have established a quality label for this puprose. It faces specific advice on determinin a quality pellet for various uses - stoves, boilers, large scale heat og power plants. Denmark: A national standard for pellets have been in great demand for the Danish consumers and suppliers. As a substitute three quality labels from respectively FORCE Technology, Teknologisk Institut and soon the Danish environment label "Svanemærket" have entered the market and offer quality certifications for pellet manufactures and suppliers. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.25/ 35 La produzione di Pellets Retail price, Italy, M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.26/ 35 13

14 L utilizzo di Pellets in Italia The national consumption of pellets has been estimated by CTI in 2001 in about 150,000 ton/year. This figure has been updated for 2002 and 2003 and indicates 210,000 tons of pellets consumption for the year 2002/2003. Estimations for the year 2003/2004 indicate a further increase, thus causing more and more difficulties to pellets distributors/producers in satisfying the demand. Of this amount, about 160,000 tons are produced in Italy, while about ton/year are imported. M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.27/ 35 L utilizzo dei Pellets M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.28/ 35 14

15 Crescita della biomassa lignea Crescita in tonnellate/(anno ettaro) di varietà di salice in piantagioni sperimentali a turno breve (Atti 5 Congresso SISEF) Crescita in tonnellate/(anno ettaro) di varietà di pioppo in piantagioni sperimentali a turno breve (Atti 5 Congresso SISEF) In foreste, la crescita annua di biomassa lignea per ettaro (produttività) è molto variabile; valori indicativi possono considerarsi nel campo 4-6 tonnellate M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.29/ 35 Crescita della biomassa erbacea Prove di coltivazione(a Pisa dall'università di Studi di Pisa) Sorgo da fibra [t/ha] miscanto [t/ha] fino a 60 canna comune [t/ha] fino a 56 cardo [t/ha] fino a 35 kenaf [t/ha] Prove di coltivazione(a Pisa dall'enel) Sorgo da fibra [t/ha] miscanto [t/ha] canna comune [t/ha] cardo [t/ha] kenaf [t/ha] fino a 20 Sorgo da fibra [Gj/ha] Prove di coltivazione(a Pisa dall'università di Studi di Pisa) miscanto [Gj/ha] canna comune [Gj/ha] cardo [Gj/ha] kenaf [Gj/ha] 215,0 992,1 925,9 578,7 248,0 Prove di coltivazione(a Pisa dall'enel) Sorgo da fibra [Gj/ha] miscanto [Gj/ha] canna comune [Gj/ha] cardo [Gj/ha] kenaf [Gj/ha] Crescita in tonnellate/(anno ettaro) di varietà di colture erbacee (Fonte Univ. Pisa ed Enel) GJ/ha (Fonte CETA, Gorizia) Nota: Soleggiamento annuo per ettaro: Circa 15MJ/(m 2 giorno)= 5.4*10 4 GJ/(ha anno) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.30/ 35 15

16 Centrali a biomassa lignea Centrali per teleriscaldamento in Italia (Trentino Alto Adige) M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.31/ 35 Centrali elettriche a biomassa M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.32/ 35 16

17 Centrali elettriche a biomassa La centrale di Tirano, Sondrio M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.33/ 35 M.Fossa, Energie Rinnovabili 1, UniGe -Pag.34/ 35 17