Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione

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1 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione 1

2 Caratterizzazione biomassa OBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATORE Decollo e competitività filiera biomasse Valorizzazione dei prodotti Definire la qualità del prodotto in funzione dell utilizzo Avere garanzie sulla qualità del prodotto Caratterizzare il prodotto secondo prove standardizzate Verificarne la rispondenza rispetto a specifiche tecniche 2

3 Caratterizzazione biomassa Obiettivo: scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi CARATTERIZZAZIONE = Perché adottare prove normalizzate? Il comportamento di un combustibile è fortemente influenzato dalle condizioni sperimentali Per confrontare le proprietà di combustibili diversi su base omogenea devono essere adottate le stesse condizioni sperimentali Prove di laboratorio Prove normalizzate procedure e condizioni note e ben definite 3

4 Caratterizzazione biomassa caratterizzazione di laboratorio si basa di un numero relativamente limitato di misure che mirano a definire proprietà macroscopiche del materiale in condizioni sperimentali ben definite. Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto Punto di forza: Confronto su base omogenea La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi insieme ai parametri dell impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto. 4

5 Il combustibile biomassa Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse: H2O (umidità) ceneri Sul campione come ricevuto Frazione combustibile (C,H,O, N,S,Cl,...) Sul secco e privo di ceneri Sul secco 5

6 H2O (umidità) ceneri Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) Potere calorifico Kcal/kg; MJ/kg È una misura quantitativa del valore energetico del combustibile È la quantità di calore che si sviluppa dall unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate Potere Calorifico Superiore PCS Potere Calorifico Inferiore (netto) PCI energia/massa: [Kcal/kg; MJ/kg;..] Il PCI viene calcolato al netto del contributo dell umidità del combustibile e dell acqua che si forma nella reazione di combustione (si sottrae cioè dal PCS il calore di condensazione dell H2O prodotta nella combustione) 6

7 Potere calorifico - È legato al contento di C, H - Rispecchia le caratteristiche chimiche dei componenti presenti (lignina cellulosa resine) Andamento del PCI col contenuto di C in campioni di biomasse legnose dati riferiti al "secco e privo di ceneri" PCI (MJ/Kg) scortecciato C % 53 Dati SSC (2003) : 52 tronco verde coperto 4/5 mesi cippato rnld segatura tronco secco ramaglie Carbonio (%) sperimentazione in collaborazione con FIPER - Campioni di biomasse vergini prelevati a TIRANO presso impianto di cogenerazione (Società TC VVV SPA) PCI Carbonio (%) 7

8 Potere calorifico - Valutazioni Empiriche Può essere calcolato mediante equazioni empiriche, ad es.: HHV [Btu/lb] = C H N S O Ash 15 MJ/Kg 22 MJ/Kg Fonte - Updated (March 2003) - from Graboski, M. S. and Bain R. L. (1979). Chapter 3: Properties of Biomass Relevant to Gasification, in A Survey of Biomass Gasification, Volume II - Principles of Gasification, Solar Energy Research Inst., Golden, CO, SERI/TR

9 Potere calorifico - Osservazioni Ai fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCI Il calore reale prodotto in impianto è legato al PCI Mezzo di combustione (aria, altro) ma dipende da numerosi fattori, tra altri : Sistema di combustione e disegno costruttivo Condizioni esercizio impianto Altre caratteristiche chimiche e fisiche del combustibile (Pezzatura, Umidità, Ceneri) A parità di altre condizioni: Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,.. Il potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneri 9

10 H2O (umidità) ceneri Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) Umidità L umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico) E una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l ambiente L umidità varia in maniera consistente in f (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio) In laboratorio si determina l umidità: Sul tal quale (campione come ricevuto) Sul campione essiccato all aria (in condizioni normalizzate) 10

11 Umidità - Osservazioni L umidità influenza negativamente: potere calorifico, prestazioni in impianto costi di trasporto, costi di essiccamento L umidità superficiale dipende dalla pezzatura Influisce negativamente sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) sui trasportatori meccanici È un parametro del valore energetico/commerciale della biomassa e può influire sul prezzo 11

12 Variazione del Potere Calorifico con l umidità Campione di segatura PCI (MJ/Kg) umidità (%) 0 campione come ricevuto campione essiccato all'aria campione secco 0 PCI (MJ/kg) umidità (%) Sperimentazione SSC (2003) Collaborazione con TC VVV Tirano 12

13 Andamento generale del Potere Calorifico con l umidità PCI (MJ/Kg) Umidità (%) 13

14 Umidità - Osservazioni Efficienza di combustione e umidità Si osserva un calo dell efficienza di combustione all aumentare dell umidità. La concentrazione massima di acqua che consente l utilizzo della biomassa come combustibile è di circa il 65-68%. Oltre questo limite, il calore richiesto per l evaporazione dell acqua è superiore all energia intrinseca del combustibile: la combustione non si sostiene se non fornendo energia dall esterno. Dati sperimentali indicano una efficienza massima di combustione per un contenuto di umidità attorno al 5% ~: l acqua eserciterebbe un azione moderatrice nella combustione creando condizioni più favorevoli al trasferimento di calore rispetto al brusco passaggio in presenza di legno molto secco. 14

15 H2O (umidità) ceneri ceneri Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) Per ceneri si intende il materiale inorganico che rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate > quantità ceneri: Le ceneri influenzano negativamente: potere calorifico, prestazioni in impianto < frazione combustibile, quindi < 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) 15

16 H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile (C,H,N,S,Cl,..) ceneri biomassa CONTENUTO ceneri mediamente più basso (tenori molto elevati per alcune particolari specie, ad es. lolla di riso) Rispetto al carbone CARATTERISTICHE maggiore alcalinità metalli alcalini > SLAGGING >FOULING scorie su scambiatori, refrattari,... < efficienza processo La propensione delle ceneri di scorificare in impianto: condizioni operative, fattori impiantistici,..; composizione delle ceneri; comportamento alla fusione. Prove di laboratorio > Quantità fly ash nel flue gas (depositi, emissioni) 16

17 Ceneri: Comportamento alla fusione Fusione Ceneri da carbone sudafricano (1979, Archivio Storico SSC) T C Fusione Ceneri da impianto - cippato di legno (2004, SSC) T C

18 T fusione ceneri e contenuto in metalli basici (biomasse legnose) metalli basici (mg/kg) T fusione ceneri ( C) cippato scort. cippato secco segatura cippato verde cippato cippato ramaglie metalli basici T fusione ceneri ( C) Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano 18

19 Metalli in biomasse legnose (dati espressi come ossidi) 8000 Na2O mg/kg K2O CaO MgO P2O5 SiO2 0 Al2O3 cippato scort. cippato secco cippato verde segatura cippato cippato ramaglie Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano 19

20 ceneri e umidità: Importanza sulla redditività impianto Dati specifici calcolati sulla filiera da 10 MWe Indice di Redditività = profitto o perdita dell operazione di investimento per unità di investimento Elab.dati da: Impianti a biomassa per la produzione di energia elettrica CTI dicembre

21 Confronto biomasse carbone ANALISI ELEMENTARE e PCI - Range di valori (B) biomasse vegetali (C) Carbone C B C B B MJ/kg 20 C B C min ossigeno max idrogeno carbonio PCI Dati medi di letteratura 21

22 Caratterizzazione L Ossigeno è presente nei macrocostituenti della biomassa olocellulosa cellulosa emicellulosa lignina Legno: Range: 22-29% ~ Diagramma ternario C-H-O Fonte: G. Migliavacca, La Rivista dei Combustibili, vol. 57, 2003, pag

23 Analisi immediata (proximate analysis) H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile Sostanze Volatili (SV) + Carbonio Fisso (CF) Umidità Sostanze Volatili Carbonio Fisso Contenuto informativo: comportamento termico 23

24 H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile Sostanze Volatili (SV) + Carbonio Fisso (CF) SOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSO SV = frazione di combustibile che si sviluppa sotto forma gassosa La prova normalizzata di laboratorio consente di differenziare la frazione del combustibile che brucia in forma gassosa (SV) da quella che brucia sotto forma solida ( carbonio fisso ) Le SV sono la parte più reattiva del combustibile Si liberano nelle prime fasi del riscaldamento (pirolisi/devolatilizzazione) Influenzano accensione, stabilità e temperatura della fiamma Confronto col carbone SV (biomasse) > SV (carbone) ~ 70% energia biomassa è contenuta nelle SV (contro il 30-40% carbone) Nella pirolisi: > resa di conversione della biomassa in metano (migliori caratteristiche per la pirolisi) Carbonio Fisso (biomassa) = contiene più ossigeno; è più poroso e reattivo (diverse T letto e fiamma) 24

25 Monitoraggio Sostanze Volatili con tecniche avanzate: TG-FTIR Campione di biomassa legnosa Riscaldamento in azoto Riscaldamento in aria CH 4 Intensità Intensità Sperimentazione SSC (2004) 25

26 Potere calorifico ~ 17.3 MJ/kg Struttura cellulosa Potere calorifico ~ 26.6 MJ/kg Struttura lignina (aromaticità) Gruppi ossigenati chimicamente diversi 26

27 Confronto biomasse carbone ANALISI IMMEDIATA - Range di valori (B) biomasse vegetali (C) Carbone B B C C 20 C B C B 0 umidità volatili ceneri C fisso min max Dati medi di letteratura 27

28 Riepilogo Proprietà medie biomasse vegetali/carbone Riferimento: database analisi SSC 400 campioni di carboni fossili, 70 cippati, 40 sanse 100 Analisi immediata 100 Analisi elementare carbone cippato sansa carbone cippato sansa C fisso Volatili Ceneri Umidità C H N S O 28

29 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Caratteristiche FISICHE 29

30 Caratteristiche FISICHE Densità Kg/m3 massa volumica (bulk density) Massa/Volume apparente Range Paglia ~ (sfusa) Kg/m3 ~ (imballata) Kg/m3 Biom. Legnose ~ Kg/m3 (in funzione della pezzatura) Pellet ~ Kg/m3 Per una data biomassa la densità dipende da forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi) umidità porosità Densità energetica MJ/m3 Energia/volume apparente = PCI x densità 30

31 Caratteristiche FISICHE Principali Caratteristiche dimensionali dei prodotti commerciali biomassa Dimensione tipica (mm) brichette Diam > 25 pellet Diam < 25 polverino < 1 segatura 1-5 cippato 5-50 Legno in pezzi, legno intero > 50 Balle di paglia Fascine, corteccia, semi e granella, gusci, noccioli, fibre, m3 Varia 31

32 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Evoluzione qualità dei prodotti commerciali: densificazione 32

33 Evoluzione qualità prodotti: densificazione Densificazione (compattazione) della materia prima: aumento densità vantaggi Aumento densità energetica Migliore trasportabilità (minori costi) Materia prima potenziale: Residui agroforestali, Scarti di lavorazione legno (segatura, ), Altri residui non trattatati (gusci,...) Altro Prodotti commerciali Mattoncini (bricchette) Pellet 33

34 Evoluzione qualità prodotti: pellet PELLET vantaggi Materiale omogeneo Alta densità energetica migliore regolazione della combustione, migliore controllo delle emissioni impianti più semplici e automatizzabili Comodità di impiego CTI Energia Ambiente. Progetto Fuoco - Verona 19 marzo 2004 Mercato del pellet in forte crescita (piccola utenza e impianti di combustione) Leader (UE): Svezia Austria Germania Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatori aspetti tecnici, economici, ambientali 34

35 Evoluzione qualità prodotti: qualità pellet Raccomandazione CTI R-04/5 aprile 2004 Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa Accordo tra produttori e utilizzatori Caratteristiche pellet Origine Diametro (D) Lunghezza (L) Umidità Ceneri Durabilità meccanica Polveri Agenti leganti Zolfo Azoto Cloro Massa volumica apparente P.C.I. t.q. Lista dei metodi normalizzati per determinare i parametri indicati nelle caratteristiche metodi esistenti e Progetti di norma in fase di elaborazione a livello europeo (pren) Parametri aggiuntivi As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn V, Zn Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P,Ti Disponibile sul sito CTI 35

36 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Tipologia biomasse analizzate 36

37 Tipologia biomasse analizzate (SSC) (denominazione da parte committenti) BIOMASSA CIPPATO DI LEGNO SANSA SANSA ESAUSTA SEGATURA CENERI DI BIOMASSA CENERI LEGGERE DI BIOMASSA CENERI PESANTI DI BIOMASSA MISCELA BIOMASSE SANSA DI OLIVA OSSO DI VINACCIOLO LOLLA DI RISO VINACCIA MAIS VINACCIOLI BUCCE DI UVA BUCCE DI ARANCIA OLIVE NOCCIOLO DI SANSA BAGASSA SCORZE DI AGRUMI ESAUSTE SCARTI DI LEGNO E CORTECCE RESIDUI LAVORAZ. GRANO POLPE ESAUSTE PELLET DI LEGNA PELLET DI BUCCE DI GIRASOLE PASTICCIO DI AGRUMI GRASPI AMIDO DI MAIS CARBONE DI GUSCI DI PALMA CARBONE VEGETALE DA PIROLISI FANGHI FARINA DI GERME DI MAIS FARINA DI SOIA TUTOLI HUMUS GUSCIO DI NOCE DI PALMA SCARTI LAVORAZ. CAFFE SCARTI LAVORAZ. BISCOTTI SCADUTI RISO RESIDUI CANNA DA ZUCCHERO RASPI DI UVA RAMAGLIE POTATURA DI ULIVO POLVERE DI TABACCO OSSO DI SANSA OLIO DI VINACCIOLO MISCELA DI FANGHI E CORTECCE MISCELA DI FANGHI E CORTECCE MISCELA DI FANGHI LETTIERA DI FUNGAIA TABACCO SEMI DI PALMA LAVORAZIONE DI LIQUIRIZIA FARINA VEGETALE FARINA DI GIRASOLE FARINA DI CARNE CORTECCE CARBONELLA DI BIOMASSA CELLULOSA 37

38 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Metodi normalizzati 38

39 Metodi normalizzati (situazione in progress aggiornamento al maggio 2004) Parametro CAMPIONAMENTO E RIDUZIONE CAMPIONE Principale metodo attualmente utilizzato UNI Metodo unificato in preparazione (CEN/TC 335 "Solid Biofuels") Draft prcen/ts Draft prcen/ts Draft prcen/ts Draft prcen/ts UMIDITA' UNI ASTM D 5142 Final Draft prcen/ts Final Draft prcen/ts Final Draft prcen/ts SOSTANZE VOLATILI ASTM D 5142 WI MASSA VOLUMICA ISO DIN WI WI CENERI UNI ASTM D 5142 Final draft prcen/ts FUSIONE CENERI DIN WI CARBONIO, IDROGENO, AZOTO ASTM D 5373 WI OSSIGENO per calcolo WI CLORO, ZOLFO U WI POTERE CALORIFICO UNI ASTM D 5865 WI MACRO ELEMENTI (Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na, Ti) MICRO ELEMENTI (As, Cd, Co, Cr, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V, Zn) ASTM D 6349 ASTM D 6357 WI WI