LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA
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- Sofia Arcuri
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1 Sei in: agricoltura biologica>produzione di energia da fonti rinnovabili>biomasse LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi termochimici: a_combustione diretta I processi di conversione termochimica sono basati sull'azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N (Carbonio su Azoto) abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.). Combustione diretta La combustione diretta è la metodologia di conversione delle biomasse più sviluppata al mondo sia nei Paesi industrializzati sia nei Paesi in via di sviluppo pur con tecnologie e rese di conversione completamente diversi (Paesi ind. 85% PVS 30-40%) La combustione viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%. I campi di applicazione sono sia civili sia industriali con differenti scopi: Civile: produzione autonoma di calore Industriale: produzione di calore ma soprattutto di elettricità La tecnologia è matura ed è arrivata ad un rendimento paragonabile alle caldaie alimentabili a metano o gasolio; il rendimento è superiore all 85% (metano 87-92%, gasolio 90-94%). Per la combustione diretta possiamo avere caldaie a fiamma inversa alimentate a ciocchi di legna o bricchetti. Data la necessità di caricarle manuale, le caldaie a legna hanno una potenza limitata a qualche decina di kw, e trovano l impiego ottimale per il riscaldamento di case isolate comprendenti uno o pochi appartamenti. Le caldaie a fiamma inversa sono così chiamate per la posizione della camera di combustione, situata al di sotto del vano nel quale viene caricata la legna. Si tratta generalmente di caldaie provviste di una ventola per la circolazione forzata dell aria comburente. Una parte dell aria (primaria) viene introdotta in caldaia immediatamente sopra la griglia sulla quale è appoggiata la legna. L aria primaria consente l avvio della combustione (fase di gassificazione), con formazione di uno strato di braci a contatto della griglia e lo sviluppo di gas combustibili derivanti dalla pirolisi del legno (soprattutto monossido di carbonio e idrogeno). I gas sprigionati vengono trascinati in basso attraverso la griglia e giungono nella camera sottostante, dove l aggiunta dell aria secondaria consente il completamento della combustione. Fattori essenziali per ottenere una combustione ottimale sono
2 Sei in: agricoltura biologica>produzione di energia da fonti rinnovabili>biomasse LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi termochimici: Cogenerazione a vapore Le centrali a biomassa legnosa di piccola taglia sono attive da oltre 10 anni in Europa con particolare concentrazione a ridosso dell arco Alpino. Inizialmente, le centrali sono nate per la generazione di calore legata a piccole reti di teleriscaldamento comunali e, solo successivamente ad un primo periodo di operatività (circa 2 anni), veniva accoppiato il sistema di generazione elettrica per la vendita dell energia elettrica alla rete. L evoluzione della tecnologia con riduzione delle taglie di impianti di turbina a vapore (da oltre 5 MWel a 500 kwel), oltre agli incentivi statali garantiti prima dai certificati verdi ed ora dalla tariffa omnicomprensiva, ha permesso lo sviluppo di centrali di pura generazione elettrica con calore residuale a temperature di 50 C. Naturalmente è possibile, in caso di sistemi legati al teleriscaldamento o a processi agro-industriali, produrre calore sia sotto forma di vapore che di acqua calda sanitaria. L impiego di tecnologie O.R.C. a fluido organico è consigliabile solo con pressioni di vapore necessarie superiori ai 12 bar. La tecnologia proposta è una caldaia a griglia mobile che permette di ottenere energia elettrica utilizzando il calore prodotto dalla combustione di biomassa legnosa (cippato, corteccia, segatura, etc...) o biomasse erbacee e vari altri prodotti forestali, agricoli, o agroindustriali (vinacce, sansa di olive, lolla di riso, trebbie di birra, etc...) con accoppiata una turbina a vapore che garantisce un rendimento elettrico massimo del 20-25% con uno scarico di acqua calda a C. Per quanto concerne la produzione di vapore per impieghi tecnologici, ogni riduzione di 100 kwel (spillamenti intermedi) è possibile ipotizzare la produzione di 1 MWth a temperature superiori ai C. I residui della combustione da trattare come rifiuti da discarica (contenuto di metalli pesanti) sono nell ordine dello 0,3-1,2%, mentre un quantitavo pari al 4-13% può essere riutilizzato nella produzione di compost.
3 (aprile 2011) 1
4 Sei in: agricoltura biologica>produzione di energia da fonti rinnovabili>biomasse LA PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI IN AGRICOLTURA LA BIOMASSA: I PROCESSI DI CONVERSIONE ENERGETICA I processi termochimici: Sistema RENEX La tecnologia proposta è una caldaia a griglia mobile o a letto fluido accoppiata ad un sistema RENEX che permette di ottenere energia elettrica utilizzando il calore prodotto dalla combustione di biomassa legnosa (cippato, corteccia, segatura, etc...) o biomasse erbacee e vari altri prodotti forestali, agricoli, o agroindustriali (vinacce, sansa di olive, lolla di riso, trebbie di birra, etc...). Tale calore, prodotto dalla condensazione di un fluido opportunamente formulato, ecologico, non infiammabile e atossico, verrà ceduto ad una o più utenze termiche collegate ad una temperatura di circa 80 C, mentre l energia elettrica potrà essere ceduta alla rete o autoconsumata. Pensato per un mercato in cui non si sono fino ad ora trovate soluzioni tecnologiche realmente affidabili, e concepito per riprodurre le garanzie e performance tecnologiche fino ad ora esclusive dei grandi impianti, esso permette anche a piccole utenze termiche di poter entrare a pieno titolo nel mercato della cessione elettrica in rete. Come funziona: una ormai collaudata caldaia a griglia mobile studiata, in questo caso, per bruciare biomassa legnosa (cippato, corteccia, segatura, etc...), munita di scambiatore autopulente dimensionato per funzionare con acqua surriscaldata a 125/130 C, viene equipaggiata con un particolare scambiatore vaporizzante. All interno di questo scambiatore circola un particolare fluido vettore appositamente formulato, che riesce ad espandere in assoluta sicurezza, cioè a basse temperature (40 C) e riscaldandosi si trasforma in un gas avente pressione pari a circa 10 bar. Tale gas scarica la propria energia su una speciale turbina ad alta velocità ( rpm). La turbina, attraverso il suo moto rotativo, produce energia elettrica che può essere facilmente consumata in loco o immessa nella rete elettrica nazionale. Il gas espanso uscente dalla turbina viene fatto confluire direttamente in un condensatore ove lo stesso gas viene fatto condensare, ritornando allo stato liquido. L energia termica tolta al processo per liquefare il gas espanso, può così essere utilizzata direttamente nel circuito termico dell utenza in cui il sistema è inserito (strutture ricettive, strutture natatorio-ricreative, processi industriali produttivi, teleriscaldamenti, ecc. )
5 Quando il gas risulta essere completamente liquefatto, un sistema di controllo di livello attiva la pompa di reintegro che provvede a sua volta a rimandare il fluido vettore nello scambiatore di espansione, chiudendo così il circuito. I turbogeneratori RENEX hanno dimostrato un efficienza elettrica netta intorno al 12%, mentre la resa complessiva del sistema può tranquillamente raggiungere il 86% (riferito alla biomassa in combustione). I residui della combustione da trattare come rifiuti da discarica (contenuto di metalli pesanti) sono nell ordine dello 0,3-1,2%, mentre un quantitavo pari al 4-13% può essere riutilizzato nella produzione di compost. Si può affermare che il processo non necessita per il suo utilizzo di personale patentato specializzato; utilizza fluidi termovettori perfettamente ecologici; non contribuisce ad aumentare la concentrazione di O3 in atmosfera (effetto serra); non partecipa all innalzamento della temperatura atmosferica. (maggio 2011) mandata e ritorno fluido vettore turbina generatore mandata e ritorno utenza termica rete elettrica condensatore 1
6 una giusta quantità di aria, temperatura e turbolenza elevate nella camera di combustione, e la permanenza dei gas caldi nel focolare per un tempo sufficiente al completamento delle reazioni termochimiche di combustione. L inversione della fiamma consente di ottenere una combustione progressiva della legna, che non prende totalmente fuoco nel vano di carico ma brucia solamente quando giunge in prossimità della griglia. Questo fa sì che la potenza erogata dalla caldaia sia più stabile nel tempo, e che la combustione possa essere meglio controllata, aumentando considerevolmente il rendimento e riducendo le emissioni inquinanti. Abbiamo poi delle caldaie a caricamento automatico alimentate a cippato o pellet. Le caldaie a cippato utilizzano legno vergine ridotto in piccoli pezzi della dimensione di qualche centimetro, caricato automaticamente per mezzo di appositi dispositivi meccanici. Il combustibile è costituito da materiali di diversa origine, quali potature sminuzzate, scarti di segheria o biomasse derivanti dalle attività selvicolturali (taglio del bosco ceduo, diradamenti, tagli di conversione, ecc.). Gli impianti a cippato sono totalmente automatizzati e non hanno limiti dimensionali, potendo raggiungere potenze anche di diversi MW termici. I rendimenti e il comfort sono gli stessi delle caldaie a gas/gasolio. Per le caratteristiche di automazione e risparmio di esercizio, gli impianti a cippato sono particolarmente indicati per il riscaldamento di edifici di dimensioni medie o grandi, quali alberghi, scuole, condomini, ospedali e centri commerciali. Poichè il caricamento del combustibile in caldaia avviene in modo automatico, è necessario che accanto al locale caldaia venga predisposto un locale (silo) per lo stoccaggio del combustibile. Figura 1: Schema di una centrale termica a cippato Al fine di facilitare le operazioni di scarico del cippato dai mezzi di trasporto, il silo è situato spesso al di sotto del piano stradale. Dal silo di alimentazione il cippato viene estratto automaticamente e convogliato, per mezzo di una coclea dosatrice, nella caldaia, dove avviene la completa combustione mediante l immissione di aria primaria e secondaria.
7 Figura 2: Sistema di caricamento della biomassa e tre tipologie differenti di silos di stoccaggio La combustione avviene in caldaie a griglia che può essere: fissa, per bruciare materiali fini e a basso contenuto di umidità mobile, per bruciare combustibili a pezzatura grossolana e ad alto contenuto di ceneri ed umidit. (fino al 50% in peso di acqua), quali le biomasse forestali fresche di taglio. Nei sistemi più avanzati il flusso di cippato e la combustione sono regolati in continuo da un microprocessore in base alla richiesta di energia dell utenza e alla temperatura e concentrazione di ossigeno dei fumi (regolazione lambda). Il sistema può modulare la potenza erogata mantenendo la combustione ottimale anche con combustibili diversi, sia con pieno carico sia con il carico minimo. L accensione del cippato può avvenire sia manualmente, sia automaticamente per mezzo di dispositivi sia elettrici sia a combustibile liquido (bruciatore pilota). In alcuni modelli esiste la funzione di mantenimento braci, che consente alla caldaia di mantenere una piccola quantità di brace accesa durante le pause di funzionamento, consentendo così la riaccensione immediata al riavvio dell impianto. Figura 3: Caldaia a griglia mobile (aprile 2011)
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