Disponibilità e sostenibilità delle biomasse per uso energetico in Sardegna

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1 Tecnologie impiantistiche innovative utilizzabili per il risparmio energetico Caesar Hotel - Cagliari, 6 Ottobre 2014 Disponibilità e sostenibilità delle biomasse per uso energetico in Sardegna Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari daniele.cocco@unica.it

2 Postulato: Un pianeta con dimensioni e risorse limitate non può sostenere consumi continuamente crescenti

3 Ma, i consumi energetici crescono. I consumi di energia sono raddoppiati in meno di 35 anni e sono tutt ora basati per oltre l 80% su fonti fossili

4 cresce la CO 2 in atmosfera Ad Aprile 2013 per la prima volta in circa 3 milioni di anni sono stati misurati nell aria 400 ppm di CO 2

5 e aumenta la temperatura Rispetto all inizio del secolo scorso si registra un aumento della temperatura media dell atmosfera di oltre 0,5 C.

6 pertanto, una Terra sola non può bastare 19 Agosto 2014 A partire da questo giorno, nel 2014, abbiamo iniziato a consumare risorse che la Terra non sarà in grado di rigenerare nel corso dello stesso 2014! Per 4 mesi su 12 abbiamo intaccato il capitale Terra e non usato solo gli interessi che ha generato

7 A noi servirebbero 4 Italie! Per sostenere i nostri consumi attuali servirebbe un territorio grande 4 volte l Italia! A livello mondiale ci servirebbe una Terra più grande del 50%

8 Un pianeta con dimensioni e risorse limitate non può sostenere consumi continuamente crescenti Quali soluzioni?

9 Fonti Energetiche Rinnovabili (FER) Costante Solare: 1370 W/m 2 Il Sole invia sul suolo terrestre una quantità di energia pari a circa 5000 volte i consumi mondiali annui. Una piccola frazione di questa energia viene convertita in biomasse, energia eolica e del moto ondoso e in energia idraulica Energia del vento e del mare (10-20 volte i consumi mondiali) Energia idraulica (circa 1-2 volte i consumi mondiali) Energia chimica delle biomasse (circa 1-2 volte i consumi mondiali) Serve il contributo di tutte le FER

10 Le Biomasse, una fonte variegata Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, cardo, canna comune, etc.); Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.); Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali dell agroindustria, etc.); Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.); Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), il cosiddetto umido. Biomasse Residuali Coltivazioni Energetiche

11 Le tecnologie di conversione energetica Combustione Caldaie a pellet e a cippato Energia termica (riscaldamento e generazione elettrica da IV) Biocombustibili Etanolo da cereali (USA) e canna da zucchero (Brasile) Olio vegetale da colza, girasole e palma Combustibili per MCI (trazione e generazione elettrica Digestione anaerobica Biogas da FORSU, residui vegetali e coltivazioni erbacee Energia elettrica e termica da MCI Molte altre filiere e processi (gassificazione, pirolisi, etanolo da legnose, olio vegetale da microalghe, etc.) sono ancora in fase di sviluppo

12 La filiera energetica delle biomasse Le biomasse sono l unica FER che necessita di un combustibile non disponibile gratuitamente! ma che in compenso può essere facilmente accumulato e usato quando necessario. Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Combustibili Combustibili, energia el. Materiali, ecc. Energia solare Coltivazione biomassa Trasporto prodotto Conversione industriale Energia utile Residui Emissioni Emissioni Sottoprodotti Emissioni Occorre inoltre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell intera filiera!

13 Opportunità e Criticità Le biomasse sono l unica FER che necessita di un combustibile non disponibile gratuitamente (elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio); La biomassa può essere accumulata (è una fonte programmabile, diversamente da eolico e solare); La filiera di conversione energetica ha un suo bilancio energetico e ambientale (le filiere non sono pertanto tutte sostenibili allo stesso livello); Sul medio periodo e su larga scala possono sorgere problemi di competizione con le coltivazioni ad uso alimentare, specie in alcune aree geografiche. FILIERA CORTA USO DEI RESIDUI O DELLA PIANTA INTERA SOSTITUZIONE DI COMBUSTIBILI FOSSILI PREMIUM

14 L impatto ambientale diretto Aria Rumore Calore Emissioni gassose (Polveri, NOx, CO,..) Altri impatti Impatto visivo Occupazione del suolo Emissioni elettromagnetiche altro... Combustibile Residui solidi Effluenti liquidi

15 Impianti a vapore a Biomassa Gli impianti a vapore alimentati con biomasse sono molto simili a quelli a combustibili fossili, ma più piccoli (10-20 MWe contro MWe) e con minori rendimenti (25-27% contro 38-42%). Possono operare in cocombustione con carbone nonché in modalità cogenerativa.

16 Impianti a Vapore a Biomassa

17 La linea di trattamento dei gas di scarico NH 3 Sorbente Fumi Carbone CALDAIA SCR PA ESP FGD Carbone Ceneri pesanti Ceneri A) CONFIGURAZIONE HIGH-DUST Fumi Aria Ceneri leggere Acque reflue Gli impianti a vapore a biomassa, rispetto agli impianti convenzionali, richiedono di solito minori NH 3 trattamenti per Sorbente il rientro nei limiti di emissione (SO mg/m 3, NO X ESP CALDAIA mg/m 3, CO 100 mg/m 3, Polveri mg/m 3 ) SCR PA FGD talvolta è sufficiente il solo filtro per la rimozione delle Ceneri leggere polveri e il sistema di riduzione degli NOx)

18 Impianti operativi in Sardegna al Sardegna, 2013 Centrale a biomassa di Serramanna (Sardinia Bio Energy) per una potenza lorda di circa 13 MWe Fonte: GSE 2014

19 Impianti operativi in Sardegna al Sardegna, 2013 Impianti di co-combustione carbone-biomasse Enel (circa 60 MWe equivalenti a biomassa ) ed EoN (circa 32 MWe) Fonte: GSE 2014

20 Impianti operativi in Sardegna al Anche i 2 impianti per lo smaltimento dei rifiuti con recupero energetico (Tecnocasic, circa 4,7 MWe e Tossilo, circa 2,1 MWe) sono basati su cicli a vapore. Fonte: GSE 2014

21 La filiera degli oli vegetali Solventi Energia elettrica Metanolo Energia elettrica Colza, girasole, soia, ecc. Estrazione olio grezzo Olio grezzo Transesterifica zione Biodiesel Panello proteico Glicerina Energia termica Motore Diesel Energia elettrica Gas di scarico Il Biodiesel è un ottimo sostituto del gasolio nei motori Diesel per autotrazione, mentre i meno raffinati oli vegetali grezzi sono utilizzabili da motori Diesel industriali di medio-grande potenza (da 100 kw a oltre 10 MW)

22 I motori Diesel ad olio vegetale I motori diesel sono una tecnologia consolidata che consente con l olio vegetale di conseguire rendimenti globali molto elevati (45-47%) e di poter operare in cogenerazione o in ciclo combinato.

23 Limiti di emissione in atmosfera SO 2 (mg/nm 3 ) NO 2 (mg/nm 3 ) Polveri (mg/nm 3 ) Combustibili liquidi (fumi con il 3% di O 2 ) 50<P<100 MW 100<P<300 MW P>300 MW P Tabella 8.9 Valori limite di emissione per i grandi impianti di combustione di nuova realizzazione alimentati con combustibili liquidi. Per i motori alimentati SO 2 con olio vegetale, NO 2 l unico dispositivo indispensabile (mg/nmper 3 ) il trattamento (mg/nm 3 ) dei gas di scarico è di solito quello per la riduzione degli NOx ed eventualmente per l ossidazione del CO. 5 Combustibili gassosi (fumi con il 3% di O 2 ) Gas in genere Gas liquefatto Gas da forni a coke Polveri (mg/nm 3 )

24 Impianti operativi in Sardegna al L impianto Biopower Sardegna di Ottana è un impianto combinato costituito da due MCI da 17 MWe con a valle una turbina a vapore (36,5 MWe in totale) ad olio di palma Fonte: GSE 2014

25 La filiera del biogas Biogas Co-substrato Digestore Substrato Fumi Stoccaggio biogas Compost Centrifuga Substrato digerito Concime liquido U Acqua calda Motore Energia elettrica Torcia

26 I motori alimentati con biogas sono una tecnologia consolidata che consente di conseguire rendimenti globali elevati (30-40%) e di poter ben operare in cogenerazione. I motori a biogas

27 Limiti di emissione in atmosfera CO NO X (come NO 2 ) Carbonio organico (COT) Cloro (come HCl) Motori a combustione interna (fumi con il 5% di O 2 ) P < 3 MW P > 3 MW Turbine a gas fisse (fumi con il 15% di O 2 ) Anche per i motori alimentati con biogas, l unico P < 8 MW dispositivo MW < P < 15 MW indispensabile 80 per il 80 trattamento dei gas 5 di 15 scarico MW < P è < 50 di MW solito quello 60 per la 80 riduzione degli 50 NOx ed 5 P > 50 MW eventualmente per l ossidazione del CO. Altri sistemi di combustione

28 Impianti operativi in Sardegna al Sardegna, impianti a biogas per oltre 14,5 MWe (13 sono recenti e hanno potenze di circa 1 MWe). Fonte: GSE 2014

29 Impianti operativi in Sardegna al Fonte: GSE 2014

30 Impianti in fase di sviluppo in Sardegna Diversi altri impianti a biomassa sono già autorizzati e in corso di realizzazione (impianto PowerCrop di Assemini, da 50 MWe, centrale Enipower di Porto Torres da 43,5 MWe a servizio dello stabilimento Matrica) e altri sono in fase di progetto (biogas, biomasse solide, etc.). Fonte: GSE 2014

31 La sostenibilità della filiera delle Biomasse Le biomasse sono l unica FER che necessita di un combustibile non disponibile gratuitamente ma che deve essere coltivato/raccolto, trasportato e pre-trattato (in compenso può essere facilmente accumulato e usato quando necessario). Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Combustibili Combustibili, energia el. Materiali, ecc. Energia solare Coltivazione biomassa Trasporto prodotto Conversione industriale Energia utile Residui Emissioni Emissioni Sottoprodotti Emissioni Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell intera filiera

32 La sostenibilità della filiera Energia solare CO 2 Acqua Nutrienti Fotosintesi Biomassa Ossigeno Il bilancio teorico della CO 2 è in pareggio! Conversione Energia CO 2 Ceneri

33 L Analisi del Ciclo di Vita (LCA) La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti sull ambiente, ovvero l uso delle risorse e le conseguenze ambientali delle emissioni, lungo tutta la vita del prodotto (o del servizio), dalla estrazione delle materie prime, alla produzione, uso, trattamento di fine vita, riciclo e smaltimento finale, secondo un approccio denominato dalla culla alla tomba. (UNI EN ISO e 14044, Ottobre 2006).

34 Le fasi di uno studio LCA 1. Definizione degli scopi e degli obiettivi 2. Analisi di inventario 4. Interpretazione e miglioramento LCA 3. Analisi degli impatti

35 Definizione delle categorie di impatto Esaurimento delle materie prime; Esaurimento delle fonti energetiche Riscaldamento globale; Impoverimento dello strato di ozono; Acidificazione; Eutrofizzazione; Tossicità per l uomo; Queste categorie di impatto si inquadrano in tre grandi aree tematiche: l esaurimento delle risorse, la conservazione dell ambiente e la tutela della salute.

36 Definizione delle categorie di impatto In uno studio LCA occorre preliminarmente definire quali impatti esaminare e come essi devono essere computati, indicando: 1. Le categorie di impatto ambientale prese in esame (es. consumo di energia primaria, riscaldamento globale, potenziale di acidificazione, etc.); 2. I corrispondenti indicatori di categoria (es. MJ di energia primaria, kg di CO 2 equivalente, kg di SO 2 equivalente); 3. I modelli di caratterizzazione (es. potenziale di riscaldamento globale a 100 anni, potenziale di acidificazione). Altro aspetto fondamentale è la definizione dell Unità Funzionale (ettaro coltivato, kwh prodotto, km percorso, etc.

37 Esempio: Filiera delle oleaginose (colza) Gasolio e lubrificante Fertilizzanti Gasolio e lubrificante Produzione macchine Energia Elettrica Produzione macchine Lubrificante Produzione macchine Coltivazione Semi Trasporto Estrazione Olio Olio Motore Diesel Energia Elettrica Energia Termica Produzione macchine Diserbanti Emissioni Emissioni Emissioni Emissioni Panello Alcune assunzioni di base: condizioni climatiche Sardegna, resa media 1800 kg/ha, 44% in olio, spremitura meccanica (80% di resa), distanza media di trasporto 50 km, rendimento motore Diesel 44%.

38 Esempio: Filiera delle oleaginose (colza) Bilancio Energetico Globale (MJ primari) 8945 MJ 105 MJ 315 MJ 2150 MJ Coltivazione Semi Semi Olio Trasporto Estrazione Olio 1800 kg 615 kg Motore Diesel Energia elettrica 2850 kwh Consumo Energia Primaria: MJ Consumo Evitato di Energia: MJ Risparmio Netto di Energia: MJ (57% circa) Produz. Evitata MJ

39 Esempio: Filiera delle oleaginose (colza) Riscaldamento globale (GWP 100 anni) kgco 2eq kgco 2eq kgco 2eq kgco 2eq Coltivazione Semi Semi Olio Trasporto Estrazione Olio 1800 kg 615 kg Motore Diesel Energia elettrica 2850 kwh Emissioni dirette: 1673 kg CO2eq Emissioni evitate: 1780 kg CO2eq Risparmio netto: 107 kg CO2eq (6% circa) Produz. Evitata 1780 kgco 2eq

40 Esempio: Filiera delle oleaginose (colza) Potenziale di acidificazione 15,6 0,1 0,1 1,7 kgso 2eq kgso 2eq kgco 2eq kgso 2eq Coltivazione Semi Semi Olio Trasporto Estrazione Olio 1800 kg 615 kg Motore Diesel Energia elettrica 2850 kwh Emissioni dirette: 17,5 kg SO2eq Emissioni evitate: 8,3 kg SO2eq Risparmio netto: -9,2 kg SO2eq (+ 110 % circa!!) Produz. Evitata 8,3 kgso 2eq

41 Esempio: Filiera pianta intera (cardo) Gasolio e lubrificante Fertilizzanti Gasolio e lubrificante Produzione macchine Energia Elettrica Produzione macchine Lubrificante Produzione macchine Coltivazione Semi Trasporto Estrazione Olio Olio Motore Diesel Energia Elettrica Energia Termica Produzione macchine Diserbanti Panello Emissioni Emissioni Emissioni Emissioni Emissioni Balle Trasporto Impianto a vapore Energia Elettrica Energia Termica Gasolio e lubrificante Produzione macchine Lubrificante, Chemicals Produzione macchine

42 Esempio: Filiera pianta intera (cardo) Bilancio Energetico Globale (MJ primari) 7070 MJ 1668 MJ 101 MJ 1290 MJ Coltivazione Semi + Paglie Semi Olio Trasporto Estrazione Olio kg Paglie Consumo Energia Primaria : MJ Consumo Evitato Energia: MJ Risparmio Netto Energia: MJ (89 % circa) Sezione Potenza Energia elettrica 9855 kwh Produz. Evitata MJ

43 Esempio: Filiera pianta intera (cardo) Riscaldamento globale (GWP 100 anni) kgco 2eq kgco 2eq kgco 2eq kgco 2eq Coltivazione Semi + Paglie Semi Olio Trasporto Estrazione Olio kg Paglie Emissioni dirette: 1266 kg CO2eq Emissioni evitate: 6232 kg CO2eq Risparmio netto: 4966 kg CO2eq (80% circa) Sezione Potenza Energia elettrica 9855 kwh Produz. Evitata 6232 kgco 2eq

44 Esempio: Filiera pianta intera (cardo) Potenziale di acidificazione 20,6 0,6 0,1 60 kgso 2eq kgso 2eq kgco 2eq kgso 2eq Coltivazione Semi + Paglie Semi Olio Trasporto Estrazione Olio kg Paglie Emissioni dirette: 81,3kg SO2eq Emissioni evitate: 29,2 kg SO2eq Risparmio netto: -52,1 kg SO2eq (+ 78 % circa!!) Sezione Potenza Energia elettrica 9855 kwh Produz. Evitata 29,2 kgso 2eq

45 Esempio: Biomasse Residuali Gasolio e lubrificante Emissioni Emissioni Raccolta e Cippatura Cippato Trasporto Impianto a vapore Energia Elettrica Energia Termica Produzione macchine Emissioni Gasolio e lubrificante Produzione macchine Lubrificante, Chemicals Produzione macchine Manca la fase della coltivazione (che incide per il 75-80% sul totale delle emissioni dirette), sostituita da quella di raccolta e cippatura, sebbene possa essere talvolta rilevante la fase di trasporto fino all impianto a vapore.

46 Esempio: Biomasse Residuali Bilancio Energetico Globale (MJ primari) 860 MJ 1450 MJ 650 MJ Raccolta e Cippatura Cippato kg Trasporto Sezione Potenza Energia elettrica 9028 kwh Consumo Energia Primaria: 2960 MJ Consumo Evitato Energia: MJ Risparmio Netto Energia: MJ (96 % circa) Produz. Evitata MJ

47 Esempio: Biomasse Residuali Riscaldamento globale (GWP 100 anni) kgco 2eq kgco 2eq kgco 2eq Raccolta e Cippatura Cippato kg Trasporto Sezione Potenza Energia elettrica 9028 kwh Emissioni dirette: 440 kg CO2eq Emissioni evitate: 5709 kg CO2eq Risparmio netto: 5269 kg CO2eq (92% circa) Produz. Evitata 5709 kgco 2eq

48 Esempio: Biomasse Residuali Potenziale di acidificazione 2,2 0,5 60 kgso 2eq kgso 2eq kgso 2eq Raccolta e Cippatura Cippato kg Trasporto Sezione Potenza Energia elettrica 9028 kwh Emissioni dirette: 62,7 kg SO2eq Emissioni evitate: 26,7 kg SO2eq Risparmio netto: -36,0 kg SO2eq (+ 135 % circa!!) Produz. Evitata 26,7 kgso 2eq

49 La sostenibilità nella attuale normativa Decreto MSE 6 Luglio 2012 Sono previste diverse tipologie di biomasse: a) prodotti di origine biologica b) sottoprodotti di origine biologica c) rifiuti con frazione biodegradabile determinata a forfait d) rifiuti non provenienti da raccolta differenziata; Per i bioliquidi, gli incentivi sono subordinati al rispetto dei criteri di sostenibilità della direttiva 2009/30/CE; Il Decreto 6 luglio 2012 prevede premi per: a) impianti con potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di gas serra (10 /MWh) e biomasse da filiera (20 /MWh); b) impianti con ridotte emissioni inquinanti (30 /MWh); c) impianti operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da 10 a 40 /MWh).

50 Criteri di sostenibilità dei Biocarburanti Dlgs n. 55 del 31 Marzo 2011

51 Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

52 Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

53 Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

54 Produzione di energia da FER in Italia Su circa 125 GW totali, abbiamo installati 18,5 GW di fotovoltaico (ripartiti su quasi impianti), circa 8,5 GW di eolico, 4,0 GW da biomasse e 18 GW di idroelettrico. La produzione da FER (specie da eolico e solare) ha caratteristiche di notevole variabilità e aleatorietà ed è distribuita sul territorio. Fonte: TERNA % del totale

55 Uno sguardo in casa nostra Sardegna, 2013 Fonte: TERNA 2014

56 Uno sguardo in casa nostra Sardegna, 2013 Numero impianti Potenza lorda (MW) Produzione lorda (GWh/anno) Idroelettrico ,7 482,6 Eolico ,4 1815,9 Fotovoltaico ,3 875,1 Bioenergie 30 88,7 769,3 Totale ,0 3942,9 Nel complesso, pertanto, la potenza degli impianti FER in Sardegna è il 45% circa della potenza totale installata. Per quanto riguarda la produzione, su un totale lordo di circa GWh, nel 2013 gli impianti a FER hanno prodotto circa 3943 GWh, ovvero il 27,5% del totale. Fonte: GSE 2014

57 Potenzialità di biomasse da colture dedicate Negli anni passati sono state sperimentate (AGRIS) in Sardegna diverse coltivazioni energetiche Fonte: PEARS 2014

58 Potenzialità di biomasse da colture dedicate Negli anni passati sono state sperimentate (AGRIS) in Sardegna diverse coltivazioni energetiche ettari a Sorgo e Cardo per oltre t/a Fonte: PEARS 2014

59 Disponibilità di biomasse residuali Residui agroindustriali Disponibilità interessanti dalle cantine (circa t/a) e dai frantoi (18000 t/a). Fonte: PEARS 2014

60 Disponibilità di biomasse residuali Sottoprodotti animali Disponibilità molto elevate di reflui zootecnici (oltre 4 milioni di m 3 /a) e siero di latte ( t/a) Fonte: PEARS 2014

61 Disponibilità di biomasse residuali Residui agricoli Interessanti i residui di potatura ( t/a) e di carciofo ( t/a) e le paglie di frumento ( t/a) Fonte: PEARS 2014

62 Disponibilità di biomasse residuali Rifiuti civili e industriali Interessanti gli scarti legnosi ( t/a), i fanghi (67000 t/a) e la frazione umida di rifiuti (79000 t/a) Fonte: PEARS 2014

63 Potenzialità di produzione energetica Impianti di Digestione Anaerobica Le biomasse con elevati valori di umidità e rapporti N/C sono più adatte per la produzione di Biogas. I potenziali maggiori derivano da reflui zootecnici, colture dedicate e scarti agricoli. Complessivamente potrebbero essere prodotti oltre 1500 GWh/a (12-13% della produzione totale) Fonte: PEARS 2014

64 Disponibilità di biomasse residuali Impianti Termochimici Le biomasse con minori valori di umidità e rapporti N/C sono più adatte per processi di Combustione. I potenziali maggiori derivano da residui agricoli (paglie, potature di vite, olivo e frutteti) e forestali. Fonte: PEARS 2014

65 Disponibilità di biomasse residuali Impianti Termochimici Di potenziale interesse anche la coltivazione del cardo (Filiera Matrica) e i residui dei frantoi. Nel complesso, la potenzialità di generazione elettrica è di oltre 3300 GWh/a (oltre il 27% della produzione totale). Fonte: PEARS 2014

66 Il PEARS 2014 Gli scenari di domanda Fonte: PEARS 2014

67 PEARS 2014 Scenario Base (9700 GWh al 2020) Fonte: PEARS 2014

68 PEARS 2014 Scenario Base (9700 GWh al 2020) Fonte: PEARS 2014

69 PEARS 2014 Scenario Base (9700 GWh al 2020) Fonte: PEARS 2014

70 PEARS 2014 Scenario Sviluppo (10200 GWh) Fonte: PEARS 2014

71 PEARS 2014 Scenario Sviluppo (10200 GWh) Fonte: PEARS 2014

72 Le Biomasse: opportunità e criticità Le biomasse possono certamente concorrere all incremento della produzione energetica da fonti rinnovabili (FER), nel cui ambito costituiscono una fonte programmabile; Gli impianti a biomassa necessitano di un combustibile non disponibile gratuitamente e quindi possono determinare elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio; Le filiere di conversione energetica non sono tutte uguali e il bilancio energetico e ambientale è molto favorevole soprattutto nel caso di filiere corte, di utilizzo di biomasse residuali e di applicazioni cogenerative; Il problema della competizione fra coltivazioni ad uso energetico e alimentare deve essere governato, specie su larga scala e sul medio-lungo periodo.

73 Grazie per la vostra attenzione!