Sistemi per la produzione di energia elettrica su piccola scala da biomassa

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1 Sistemi per la produzione di energia elettrica su piccola scala da biomassa Consorzio RE-CORD / CREAR Università di Firenze

2 RE-CORD / CREAR Sommario Introduzione ai sistemi di conversione energetica Gassificazione: iipologie reattori/impianto, gas cleaning raccomandazione CTI Progetto GAST Progetto Yanmar Pirolisi Biogas Conclusioni pag.2

3 Chi siamo pag.3

4 SEDI E RISORSE RE-CORD Area sperimentale di 1 ha presso l azienda agricola Montepaldi (sede legale) Laboratorio chimico-analitico dedicato a biomasse solide, liquide e gassose RE-CORD, attraverso CREAR, progetta e esercisce impianti pilota a Fonti Rinnovabili RE-CORD segue tramite Spike la prima ingegnerizzazione e la realizzazione degli impianti RE-CORD opera inoltre presso la sede del CREAR a Firenze (Dip.Ingegneria Industriale) pag.4

5 Breve elenco Impianti Pilota/Demo presso RE-CORD Brichettatrice (100 kg/h) Impianto di pirolisi intermedia catalitica (1.5 kg/h) Gassificatore open-top twin-fire (70 kwe) Gassificatore downdraft di Imbert (10 kwe) Impianto pilota di Torrefazione/Carbonizzazione (in realizzazione) Reattore pilota di metanazione (in realizzazione) Microturbina Capstone convertita a biofuels (30 kwe) Microturbina Garret convertita a biofuels grezzi (20 kwe, 40 HP) Turbina a combustione esterna a biomassa/ng gas turbine ( kwe) Microcogeneratore a olio vegetale puro (5 kwe/10 kwth) Motore ad olio vegetale puro (7 kwe) Impianti pilota per coltivazione di alghe (in collaborazione con DIBA/F&M) Digestori anaerobici per prove di laboratorio

6 Briquetting machine 100 kg/h compactation system for testing conventional and unconventional feedstocks (e.g. agricultural residues, bioprocess co-products, etc) in pyrolysis and gasification

7 1.5 kg/h pilot pyrolyser In partnership with SEA-Marconi Pyrolysis - Advanced biofuels Development of pyrolysis and torrefaction systems Pyrolysis of innovative (2 gen) feedstocks: microalgae, lignin Torrefaction and Pyrolysis of lignocellulosic feedstocks, either dedicated or residual biomass Lignocellulosic ethanol chain Lignocellulosic ethanol chain scheme (Source:IEA)

8 In partnership with DIBA and F&M Gasification & Anaerobic Digestion Development and test of small scale gasification systems (in collaboration with IIS-Bangalore) Thermochemical conversion to upgraded biofuels (e.g. thermochemical methanation) Upgrading of biogas (from anaerobic digestion) or producer gas to bio-methane/sng 1 L 2 L

9 Laboratory fully dedicated to Renewable Energy/Biomass In addition: NDIR/Electrochem.Producer Gas Analyzer, Portable MicroGC Gas Analyzer, Portable Tar sampling collection system

10 Reti, scambi, progetti \ pag.10

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12 Tecnologie e sistemi di pretrattamento Attraverso il pretrattamento si prepara la biomassa (intermedio energetico) all utilizzo in impianti di conversione che richiedono specifiche caratteristiche fisiche (es. contenuto di umidità e pezzatura): Essiccazione Cippatura Macinatura Densificazione Pellet Briquettes Torrefazione Pirolisi pag.12

13 Combustione Tecnologia matura, accoppiata a cicli a vapore od ORC (anche solo produzione elettrica) Possibilità di alimentazione multicombustibile. Tipicamente però biomasse legnose con basso contenuto di ceneri. Elevata affidabilità, prestazioni interessanti Costi di investimenti significativi effetto di scala Source: Turboden, BIOS BIOENERGIESYSTEME

14 Combustione Ciclo a vapore dominante su taglie maggiori, ma si sta estendendo anche a impianti di scala inferiore (motori a vapore)

15 Biomasse per impianti di gassificazione di piccola scala Necessaria una buona qualità della biomassa per garantire prestazioni stabili. Possibilità pretrattamento per standardizzare la biomassa in ingresso. Contratto di manutenzione/assistenza pag.15

16 Tipologie principali di Gassificatori a Letto Fisso Updraft Open-top Double Fire Two/Three Stage Biomass Brennstoff Downdraft L u ft Air Air Gas, Tar L u ft P ro du ktg a s Air L u ft Trocknung Pyrolyse Air Oxidation Reduktion Oxidation Asche Ash Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007 IMPIANTI DI PICCOLA TAGLIA O PER SOLA GENERAZIONE DI CALORE

17 Tipologie principali di Gassificatori a Letto Fluido Bubbling fluidised bed gasifier Circulating fluidised bed gasifier Dual fluidised bed gasifier product gas flue gas biomass steam vapor air Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007

18 Tar (cartami, peci) devono essere sempre rimossi quando Il gas è raffreddato prima del suo utilizzo Il gas è compresso prima del suo utilizzo In sistemi quali motori a CI o GT Rimozione/Conversione dei tar Due principali sistemi per la pulizia dei tar contenuti nel gas grezzo (producer gas) Rimozione fisica si condensano gocce di tar e le si rimuovono con sistemi simili a quelli per il particolato Rimozione chimica Cracking catalitico o termico

19 Rimozione Tar Gas Cleaning Def basata su condensazione (princ.problemi). tutti I composti organici con punto di ebollizione superiore a quello del benzene. Tipologie di reattori e tar Updraft: 100 g/nm 3 Prevalentemente tar primari (con molto ossigeno) Fluid-Bed: 10 g/nm 3 Miscela tar primari e secondari Downdraft: 1 g/nm 3 Prevalentemente tar terziari Two-stage downdraft: contenuto di tar molto basso pag.19

20 Tre prodotti Pirolisi carbone (char), olio (tar) e gas. Tecnologia emergente, anche se non nuova Bio-oil Devolatilizzazione anaerobica a C seguita da combustione o gassificazione Boiler Upgrade Extract Due opzioni di processo valorizzazione energetica del solo gas di pirolisi (biomasse difficili ) in pirolisi lenta/intermedia + char e tar pirolisi flash (veloce) per produzione di bio crude oil Electricity Transport fuel Flash: Sistemi disponibili ma spesso non ancora a livello dimostrativo. Provenienza: USA, NL, Canada, Germania. Elevato rischio tecnico. Progetti in Toscana. Lenta/Intermedia: sistemi affidabili, di provenienza anche Nazionale. Rendimenti di conversione elettrica generalmente modesti. Heat Chemicals

21 Biogas Sistema pienamente maturo. Difficoltà con le attuali tariffe incentivanti se non residui. Possibile in presenza di materia prima idonea Fondamentale la conduzione opportuna dell azienda agricola Innovazione: il biometano

22 Sistemi di conversione energetica accoppiati a gassificazione pag.22

23 Sistema di conversione Motori alternativi (20<η el <35%): motori gas modificati: rendimenti contenuti; rumorosità; elevato CO; motori a ciclo diesel modificati: rendimenti elevati; necessitano di un 5-10% di combustibile liquido (pilota). Sezione di impianto che con un buon gas non evidenzia particolari criticità. pag.23

24 MGT (20<η el <30%): Rendimenti contenuti; Elevate richieste su syngas; Basse emissioni; Bassi costi di manutenzione; pag.24

25 Aspetti contrattuali pag.25

26 Alcuni elementi di criticità nello sviluppo di un progetto di gassificazione UTILITA DI VERIFICHE EFFETTUATE DA ENTE TERZO Gruppo CTI su gassificazione pag.26

27 Alcuni elementi di criticità nello sviluppo di un progetto di gassificazione Riferimenti chiari e linguaggio comune fornitore-cliente Si evitano imprecisioni/fraintendimenti Offerte confrontabili Verifica delle prestazioni e controllo loro mantenimento nel tempo Finanziamento impianto Definizione contratto di manutenzione e certezza sui costi Copertura assicurativa su garanzia per il fermo macchina. Altro Verifica terza filiera di approvvigionamento pag.27

28 Raccomandazione CTI 13 Impianti per la produzione e l impiego di gas da gassificazione di biomassa ligno-cellulosica Classificazione, requisiti essenziali, regole per l offerta, l ordinazione, la costruzione e il collaudo pag.28

29 Misura e caratterizzazione Biomassa in ingresso Misure minime per verifica prestazioni Misura Distribuzione T nel reattore Misura (a caldo) caratteristiche producer gas Analisi dei principali dati di funzionamento: potenza elettrica, ore accumulate, energia generata (netta e lorda), emissioni Analisi condensato Analisi producer gas Analisi ceneri Bilancio di Massa ed Energia pag.29

30 RE-CORD RE-CORD dispone di competenze e strumenti analisi impianti di gassificazione. Collaborazione con TÜV- Italia Gruppo TÜV-Sud). Sampling Tars Condensation Portable GC pag.30

31 Scopo Progetto GAST Experiences in biomass GAsification in South-Tyrol: energy and environmental assessment Preliminary screening of small scale biomass-gasification-based cogeneration plants located in South Tyrol Two or three representative plants selected for the monitoring campaign Characterisation/Monitoring Coordinatore e Partners Libera Università di Bolzano (Coordinatore prof Marco Baratieri) Eco Research SrL Sottocontraenti: RE-CORD, TIS Innovation Park pag.31

32 RE-CORD: YANMAR project Scopo Installazione e test impianto di gassificazione da 40 kwe Tecnologia Giapponese, diversi impianti esistenti (visitati in Luglio 2013) Adattamento sistema a condizioni/standard EU Modifiche migliorative alcuni sezioni Analisi della prestazioni pag.32

33 Biomassa Solida Conclusioni (1) tecnologie disponibili. Per le piccole taglie gli impianti di pirolisi/gassificazione si sono evoluti verso la piena maturità industriale. Necessari riduzione di costo sia per combustione che gassificazione. Impianti che richiedono attenzione nell utilizzo. Premialità emissioni. Biogas e Biometano processi maturi, necessaria disponibilità di materia prima, conduzione azienda agricola fondamentale. Olio vegetale tecnologie consolidate, criticità di approvvigionamento. Fattore comune: valorizzazione Energia Termica

34 Aspetti economici-finanziari Conclusioni (2) Le attuali tariffe richiedono valutazioni molto attente, i margini sono minori. Necessario valorizzare l energia termica. La taglia tipica è minore che in passato. Particolare interesse fino a 200 kwe perchè «fuori registro» GSE. Ma i costi specifici di investimento ( /kwe installato) sono ancora maggiori. Improbabile sviluppare le iniziative tramite finanza di progetto: normalmente serve equity dell imprenditore Perchè un progetto sia bancabile occorre la disponibilità della risorsa e che il costo sia competitivo per consentire il business I BP si reggono su ore di fuz./anno... Attenzione a tecnologie e modalità di esercizio!

35 Grazie per l attenzione 35