nel settore dei combustibili rinnovabili: esperienze e potenzialità Giugno 2005 (Rev3) Stazione sperimentale per i Combustibili

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1 La nel settore dei combustibili rinnovabili: esperienze e potenzialità Fonti Energetiche Rinnovabili FER e Combustibili Derivati da Rifiuti CDR Giugno 2005 (Rev3)

2 Caratterizzazione merceologica e energetica Valutazione della sicurezza nella manipolazione e nello stoccaggio Comportamento alla combustione Impatto ambientale

3 La situazione attuale La (SSC) è un istituto sperimentale (ente pubblico economico) che opera principalmente nel campo dei combustibili svolgendo attività di analisi, studi, ricerche, sperimentazioni e consulenze Andamento dei campioni di combustibili rinnovabili analizzati presso la SSC Negli ultimi anni l attività della SSC, accanto ad una base consolidata legata ai combustibili fossili (circa analisi/anno ripartite tra gas, prodotti petroliferi e carbone), ha registrato una crescente richiesta di analisi su combustibili rinnovabili e, in particolare, su biomasse vegetali, combustibili derivati da rifiuti (CDR), biodiesel e biogas, per un ammontare complessivo superiore alle 1500 analisi/anno.

4 Lo sviluppo di tale attività, focalizzata principalmente alla caratterizzazione analitica, è ben rappresentato nel grafico successivo dove vengono segmentate le varie tipologie di combustibili rinnovabili. Dagli andamenti degli ultimi anni risulta evidente il ruolo preponderante che stanno acquisendo le biomasse vegetali. biomasse vegetali CDR biogas biodiesel Tipologia dei combustibili rinnovabili analizzati L ampia gamma di materiali analizzati (sanse, lolla di riso, cippato di legno, segatura, vinaccioli, scarti di lavorazioni e materiale vario) ha permesso alla SSC di acquisire una profonda e articolata conoscenza delle proprietà sia delle biomasse che dei biocombustibili, consolidando competenze specifiche utili non solo nell ambito analitico, ma anche per un più ampio progetto teso alla valutazione delle problematiche connesse all utilizzo dei biocombustibili a fini energetici. Nel seguito vengono presentate le potenzialità offerte dalla SSC per l analisi e lo studio dei combustibili rinnovabili.

5 CARATTERIZZAZIONE MERCEOLOGICA E ENERGETICA La SSC dispone di strumentazione analitica altamente specializzata che consente un accurata caratterizzazione merceologica e chimico-fisica dei combustibili solidi, liquidi e gassosi. In particolare è possibile determinare i seguenti parametri : sulle biomasse solide : Analisi immediata (umidità, materie volatili, ceneri) Analisi elementare (carbonio, idrogeno, azoto) Contenuto di cloro e di zolfo Contenuto in metalli pesanti Potere calorifico superiore e inferiore Composizione e comportamento termico delle ceneri Temperatura di fusione delle ceneri Densità vera Densità in mucchio sui biogas: Composizione (metano, anidride carbonica, azoto e altri costituenti) Contenuto di composti solforati Potere calorifico superiore e inferiore Massa volumica

6 sui biodiesel : Massa volumica Viscosità Punto di infiammabilità Analisi elementare (carbonio, idrogeno, azoto) Contenuto di zolfo Residuo carbonioso Numero di cetano Contenuto di ceneri solfatate Contenuto di acqua Contaminazione totale Corrosione su lamina di rame Stabilità termico-ossidativa Valore di acidità Contenuto di fosforo Metalli alcalini (Na + K) Contenuto in metalli pesanti Punto di scorrimento Prova di filtrazione a freddo (CFPP) Potere calorifico superiore e inferiore

7 VALUTAZIONE DELLA SICUREZZA NELLA MANIPOLAZIONE E NELLO STOCCAGGIO Presso i laboratori della SSC vengono effettuate determinazioni e sperimentazioni su gas, vapori, nebbie e polveri per definirne le caratteristiche di infiammabilità e di autoaccensione, parametri indispensabili ai fini della valutazione dei rischi di incendio e di esplosione nella manipolazione e nello stoccaggio dei prodotti. La tipologia di prove che vengono eseguite è in buona parte estendibile anche alle biomasse sulle quali è quindi possibile valutare: Infiammabilità (solidi) a Suscettibilità all autoaccensione a Temperatura di autoaccensione relativa dei solidi Infiammabilità a contatto con l acqua Su campioni polverizzabili possono inoltre essere eseguite, ai fini della valutazione del rischio (atmosfere esplosive sotto forma di nubi di polveri) le seguenti determinazioni : Limite inferiore di infiammabilità Temperatura di autoaccensione in nube e in strato Concentrazione limitante di ossigeno Parametri della violenza dell esplosione Energia minima di accensione Resistività elettrica (a) La valutazione può essere effettuata in conformità sia alla normativa Europea (Direttiva 67/548/CEE) in materia di classificazione ed etichettatura delle sostanze pericolose sia secondo il Manual of Test and Criteria dell ADR (European Agreement concerning the International Carriage of Dangerous Goods by Road).

8 COMPORTAMENTO ALLA COMBUSTIONE Nel settore dei combustibili per riscaldamento la SSC, accanto alla tradizionale caratterizzazione chimico-fisica, è in grado di condurre una estesa attività di ricerca e sperimentazione su prodotti gassosi, liquidi e solidi: combustibili tradizionali e alternativi (emulsioni, biomasse) e prodotti organici potenzialmente adatti allo smaltimento. L Istituto è dotato di impianti termici sperimentali con potenza da 25 a 300 kw. In queste prove sperimentali vengono valutate sia le caratteristiche prestazionali dei prodotti (stabilità della combustione, rendimenti termici) sia le emissioni (in particolare CO, SO 2, NOx, particolato). Inoltre nella valutazione del comportamento dei combustibili solidi al riscaldamento e alla combustione, la SSC è in grado di condurre: Studi di pirolisi rapida su reattore a lamina in grado di raggiungere temperature di 1200 C con velocità di riscaldamento fino a 10 4 C/s Studi di ossidazione di materiali solidi in atmosfera controllata Modellazione della combustione di solidi sia in termini fluodinamici che cinetici Indagini mediante tecniche non convenzionali: termogravimetria (TG) e calorimetria differenziale a scansione (DSC).

9 IMPATTO AMBIENTALE Parte dell attività SSC in campo ambientale riguarda il controllo e la caratterizzazione delle emissioni gassose alla fonte : - emissioni gassose prodotte da impianti termici di uso civile e industriale* (centrali termoelettriche, inceneritori, cementifici,ecc.) - controllo e verifica dei sistemi di monitoraggio in continuo - emissioni autoveicolari Emissioni da impianti Per impianti che utilizzano biomasse, anche sulla base di competenze sviluppate su caldaie sperimentali alimentate con combustibili tradizionali e rinnovabili, è in grado di effettuare le seguenti determinazioni : Parametri analitici Parametri termotecnici Anidride carbonica Portata fumi Monossido di carbonio Temperatura fumi Ossidi di azoto (NO e NO 2 ) Ossigeno nei fumi Anidride solforosa Contenuto di umidità Numero di Bacharach Composti carbonilici specifici Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) Composti organici volatili (espressi come C totale) Particolato totale PM2.5 e PM10 *Tra le esperienze più recenti e significative segnaliamo la sperimentazione sulla qualità dei combustibili per uso civile (svolta in collaborazione con ENEA, CTI e IPASS) promossa da Ministero Ambiente, Regione Lombardia, Regione Piemonte e Associazioni di settore (2003).

10 Controllo e verifica dei sistemi di monitoraggio in continuo La SSC è in grado di effettuare prove di validazione dei sistemi automatici di monitoraggio delle emissioni (SME) secondo quanto indicato dal DM Emissioni da autoveicoli e prestazioni motoristiche La SSC vanta esperienza pluridecennale in questo campo. Viene studiata l'influenza delle caratteristiche dei combustibili e dei dispositivi antinquinamento sulle emissioni inquinanti, regolamentate (CO, HC, NOx, PM) e non (microinquinanti), sulla distribuzione del particolato fine e sul consumo di combustibile. La misura delle emissioni e del consumo viene effettuata su autoveicoli (con motore ad accensione comandata e diesel) in marcia simulata su banco dinamometrico a rulli. Le sperimentazioni vengono effettuate in conformità con procedure normalizzate (ECE, EPA, ecc.) e non (cicli di guida non convenzionali). Per i combustibili di origine vegetale in particolare, si segnalano le sperimentazioni riguardanti la valutazione del comportamento prestazionale e ambientale a medio e lungo termine di autovetture turbodiesel alimentate con miscela di gasolio/esteri metilici di acidi grassi (1986) e di un motore diesel ID per trattori alimentato con esteri etilici di olio di palma (1993).

11 I nostri interlocutori Le attività specialistiche della sono rivolte principalmente a: Istituzioni ed Enti pubblici Università e Istituti di ricerca Enti di Normazione Associazioni e operatori del settore (produttori e/o utilizzatori di combustibili rinnovabili; progettisti e costruttori di impianti termici) Laboratori di analisi

12 Pubblicazioni SSC su biocombustibili e biomasse G.Salvi, E.Zanella Gassificazione in letto fluidizzato di biomasse e scarti industriali - La Rivista dei Combustibili 32 (1978) p. 233) M.T. Feruglio E. Zanella Studi sulla pirolisi rapida di vinacce - La Rivista dei combustibili 39 (1985) p. 313 F. Avella Formulazione, caratteristiche e impiego di un combustibile misto gasolio-derivati vegetali in motori diesel veloci - La Rivista dei Combustibili 41 (1987) p. 252 E. Zanella, E. Parodi Pirolisi rapida di biomasse in letto trascinato - La Rivista dei Combustibili 42 (1988) p. 265 G. Salvi Unità di gassificazione della lolla di riso munita di un gruppo elettrogeneratore - La Rivista dei combustibili 45 (1991) p. 243 Avella F., Galtieri A., Fiumara A. Characteristics and Utilization of Vegetable Derivatives as Diesel Fuels - La Rivista dei Combustibili 46 (1992) p. 181 F. Avella, S. Anselmi Prova di durata di un motore diesel ID alimentato con esteri etilici di olio di palma - La Rivista dei Combustibili 48 (1994) p. 99 G. Pinelli Stabilità delle miscele gasolio-biodiesel : aspetti analitici e metodi di prova - La Rivista dei Combustibili 55 (2001) p. 173 G. Migliavacca Cinetica di pirolisi e degradazione di carbone e biomasse - La Rivista dei Combustibili 57 (2003) p. 59 M. Perini (1), G. Migliavacca, A. Mancini (1), La termovalorizzazione dei rifiuti: la combustion engineering quale strumento gestionale degli inceneritori. Riv. Combustibili (2004), 58, 92 T. Zerlia, G. Pinelli Come si inseriscono le biomasse nel panorama dei combustibili alternativi, Convegno Impieghi e potenzialità di sviluppo dei combustibili alternativi, Istituto di Ricerca Internazionale, Milano, giugno 2004 S. Frigerio (2), G. Migliavacca, T. Faravelli (2), E. Ranzi (2), Carbon and Biomass Gasification. GRICU, Ischia, 2004 (1)Orim srl, Piediripa di Macerata (MC) (2)Dipartimento Chimica Materiali e Ingegneria Chimica, Politecnico di Milano G. Pinelli, T. Zerlia La caratterizzazione energetica e merceologica delle biomasse vegetali - La Rivista dei Combustibili 59 (2005) p. 23

13 Studi SSC Nell ambito di un accordo di collaborazione con il CTI, la SSC ha collaborato, per la parte riguardante la caratterizzazione analitica, alla realizzazione del progetto BIOCEN (Gestione e valorizzazione delle ceneri di combustione nella filiera Legno-Energia) sviluppato nell ambito di un Programma Regionale di ricerca della regione Lombardia, 2004., Dipartimento di chimica, materiali e ingegneri chimica del Politecnico di Milano, Istituto di chimica e biochimica G. Ronzoni Studio fondamentale della devolatilizzazione dei combustibili solidi: relazione fra struttura e prodotti di pirolisi Progetto RBAU014SW3 FIRB (Fondo per gli investimenti della ricerca di base), Nell ambito del progetto Nuovi Combustibili e Nuove tecnologie verranno affrontati, tra gli altri, i seguenti sottotemi : impiego di fonti rinnovabili (biomasse) per uso energetico produzione di H 2 da combustibili fossili e da biomasse Giugno 2005 Rev3

14 Redazione curata da Pianificazione Strategica SSC