Energia dalle Biomasse - Parte A

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1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili Energia dalle Biomasse - Parte A Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari [email protected] A.A

2 Le Biomasse Specie arboree ed erbacee derivanti da coltivazioni agricole e forestali; Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.); Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali, etc.); Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.); Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (la cosiddetta Frazione Umida o FORSU). Biomasse Residuali Coltivazioni Energetiche

3 Biomasse ed effetto serra Energia solare CO 2 Acqua Nutrienti Fotosintesi Biomassa Ossigeno Il bilancio teorico della CO 2 è in pareggio! Conversione Energia CO 2 Ceneri

4 La sostenibilità della filiera 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!

5 Il Processo di Fotosintesi Radiazione non attiva Energia Riflessa Energia Persa 100% Radiazione solare incidente 50% 50% Radiazione attiva per la fotosintesi 20% 80% Energia solare assorbita 70% 30% Energia convertita Consumo interno 60% Energia netta Rendimento teorico fotosintesi 0,5 0,8 0,3 0,6=0,072 40%

6 La Produzione di Biomassa Radiazione media disponibile 4-5 kwh/m 2 giorno ( tep/ha anno) Produzione teorica di biomassa secca t/ha anno (rendimento 7%) Produzione massima sperimentata t/ha anno di sostanza secca Produzione effettiva sostanza secca 5-25 t/ha anno (rendimento 0,2-1,0%)

7 I processi di conversione Tipologia del Rapporto Processo di Umidità Processo C/N conversione Biochimico <30 >30% Fermentazione Digestione anaerobica Digestione aerobica Termochimico >30 <30% Combustione Gassificazione Pirolisi Fisico-chimico - - Estrazione di oli Transesterificazione Compattazione Prodotto principale Bioetanolo Biogas Energia termica Energia termica Gas di sintesi Gas di pirolisi, biooli Olio vegetale grezzo Biodiesel Pellets

8 Le filiere di conversione Processi termochimici Combustione Gassificazione Pirolisi Energia da biomasse Biocombustibili Etanolo Olio vegetale Biodiesel Digestione anaerobica Biogas

9 Usi attuali delle Biomasse Fonte: IEA, 2010

10 Le Biomasse nella UE % di produzione elettrica da biomassa Fonte GSE: Biomasse Rapporto Statistico 2009

11 Le Biomasse in Italia % di produzione elettrica da biomassa Fonte: GSE, Biomasse Rapporto Statistico 2009

12 Energia Elettrica Italia 2010 Fonte: TERNA, 2011

13 Le Biomasse in Italia Impianti di generazione elettrica (esclusi impianti di co-combustione) Fonte: GSE, Biomasse Rapporto Statistico 2009

14 Le Biomasse in Italia Impianti di generazione elettrica (esclusi impianti di co-combustione) Fonte: GSE, Biomasse Rapporto Statistico 2009

15 E in Sardegna? Impianti qualificati IAFR in esercizio al Circa 127 MW in totale, di cui circa la metà relativa ai due impianti a vapore ENEL di Portovesme che operano in co-combustione biomasse-carbone (5% il gruppo da 240 MW e 15% il gruppo da 340 MW) per una capacità massima di circa MW. Fonte: GSE, 2011

16 E in Sardegna? Impianti qualificati IAFR in esercizio al Una centrale a biomasse solide a Serramanna (13 MW); Una centrale a olio di palma (due MCI da 17 MW); Due impianti a biogas (Olbia e Villacidro) da FORSU; Due impianti di termovalorizzazione dei RSU (Capoterra 4,7 MW e Macomer 2,1 MW); Alcuni piccoli impianti a biogas, olio vegetale e biomasse solide. Fonte: GSE, 2011

17 Energia Termica Italia 2008 Circa 1% dei consumi finali Fonte: IEA, 2010

18 Attenzione alle statistiche! Fonte: ARPAL, 2007

19 La Direttiva Entro il 2020 l UE dovrà ridurre del 20% le emissioni di gas serra, ridurre del 20% i consumi finali di energia e aumentare al 20% il contributo delle FER sui consumi finali (di cui il 10% nei trasporti), rispetto ai valori del 2005.

20 Da dove si parte Nel 2005 le FER incidevano sui consumi finali per meno del 5% I Consumi Finali Lordi italiani sono rappresentati per il 21% da Energia Elettrica, per il 48,5% da Energia Termica e per il restante 30,5% da energia per il settore dei Trasporti (essenzialmente derivati petroliferi).

21 e dove si vuole arrivare Rispetto ai valori attuali (2008), il contributo delle FER dovrà raddoppiare nel settore dell Energia Elettrica e in pratica triplicare nel settore dell Energia Termica e dei Trasporti!

22 Settore dell Energia Elettrica Dal Piano di Azione Nazionale sulle FER (Giugno 2010)

23 Settore dell Energia Elettrica Il solare dovrà aumentare il suo contributo di 250 volte rispetto al 2005 (ma solo di 7-8 volte rispetto ad oggi)

24 Settore dell Energia Elettrica L eolico dovrà aumentare di 10 volte rispetto al 2005 (ma solo di 3-4 volte rispetto ad oggi)

25 Settore dell Energia Elettrica Le biomasse dovranno aumentare di oltre 2,5 volte rispetto al 2005 (di circa 2 volte rispetto ad oggi)

26 Riscaldamento e Raffrescamento La produzione dovrà crescere di 5 volte (circa 3 volte rispetto ad oggi) e il maggiore contributo è previsto derivare dalle biomasse, dalle Pompe di Calore e dal Solare

27 Settore dei Trasporti Il consumo da FER dovrà crescere di circa 10 volte (circa 3-4 volte rispetto ad oggi) e il maggiore contributo deriverà dai biocombustibili (ovvero Biodiesel e Bioetanolo)

28 Gli Strumenti previsti La razionalizzazione degli incentivi alle FER nel settore elettrico (certificati verdi, tariffa omnicomprensiva e conto energia); Un deciso potenziamento degli incentivi alle FER nel settore della produzione di calore e dei trasporti; La ripartizione degli obiettivi nazionali fra le Regioni (Burden Sharing).

29 Potenzialità in Sardegna Coltivazioni Energetiche (oleaginose)

30 Potenzialità in Sardegna B.1 Sassari; B.2 Olbia-Tempio; B.2 B.3 Nuoro; B.1 B.4 Ogliastra e Cagliari; B.3 B.5 Cagliari Residui da Vite e Ulivo B.4 Bacino Residuo prodotto tal quale (t/anno) Potenza termica (MW t ) B.5 B ,8 B ,8 B ,8 B ,1 B ,4

31 Potenzialità in Sardegna B.1 Carbonia-Iglesias e Cagliari; B.3 B.2 Oristano, Medio Campidano e Carbonia-Iglesias; B.3 Olbia-Tempio; B.4 Ogliastra. B.4 Bacino t/anno (tal quale) Potenza elettrica MW e B ,84 B ,45 B ,98 B ,34 B.2 B.1 Biomasse Forestali

32 Potenzialità in Sardegna Reflui da Allevamenti Suini e Bovini

33 Proprietà delle biomasse Umidità (sul secco o sul tal quale) Potere calorifico inferiore e superiore Composizione chimica (elementare e immediata) Densità (volumica ed energetica) Composizione e comportamento delle ceneri Contenuto di olio (oleaginose) e di zuccheri (zuccherine)

34 Proprietà dei biocombustibili Le proprietà sono determinate con riferimento a: Acqua Ceneri Materia combustibile (C, H, O, N, S, etc. Sul secco e privo di ceneri Sul secco Sul tal quale

35 Caratterizzazione del legno

36 Caratterizzazione del legno m 3 i, Metro cubo impilato o stero (circa 0,7 m 3 ), ovvero 0,3-0,5 t m 3 m, Metro cubo sul mucchio (circa 0,5 m 3 ), ovvero circa 0,15-0,25 t

37 L umidità delle biomasse U= U 0 = U= m A m A +m S m A m S U 0 1+U 0 Umidità sul tal quale Umidità sul secco R M = m A+m S 1 = m S 1-U Rapporto massico

38 Il potere calorifico Rappresenta la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell unità di massa di combustibile (kcal/kg, kj/kg, kwh/kh, etc.) e viene misurata attraverso i calorimetri PCI 0 =PCS 0 - m A r PCI=PCI 0 - U (PCI 0 + r) R H = PCI PCI 0 =1-U (1+ R E = (m A+m S ) PCI m S PCI 0 r PCI 0 =R M R H ) Rapporti energetici

39 Rapporti caratteristici PCI0=18 MJ/kg Rapporti R H, R E e R P Rapporto R H Rapporto R E Rapporto R P Umidità U (%)

40 Composizioni tipiche C H O N S Cl Ceneri PCI 0 (%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (MJ/kg) Legna di abete 49,00 5,98 44,75 0,05 0,01 0,01 0,2 18,74 Legna di pioppo 48,45 5,85 43,69 0,47 0,01 0,10 1,43 18,19 Legna di faggio 51,64 6,26 41, ,65 18,63 Legna di quercia 49,98 5,38 43,13 0,35 0,01 0,04 1,61 18,33 Legna di eucaliptus 49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,13 0,72 18,23 Paglia di frumento 43,20 5,00 39,40 0,61 0,11 0,28 11,40 16,49 Paglia di riso 41,78 4,63 36,57 0,70 0,08 0,34 15,90 15,34 Stocchi di mais 43,65 5,56 43,31 0,61 0,01 0,60 6,26 16,52 Residui potatura vite 47,14 5,82 43,03 0,86 0,01 0,13 3,01 17,86 Residui potatura mandorlo 51,30 5,29 40,90 0,66 0,01 0,04 1,80 19,93 Lolla di riso 40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 0,12 18,34 15,27 Gusci di mandorla 44,98 5,97 42,97 1,16 0,02-5,60 18,17 Noccioli pesca 53,00 5,90 39,14 0,32 0,05-1,59 19,62 Noccioli oliva 48,81 6,23 43,48 0,36 0,02-1,10 21,12 Sanse esauste 32,73 5,29 37,82-0,64-12,52 15,50

41 Composizioni tipiche Umidità Potere calorifico Densità apparente (%) PCI (MJ/kg) (kg/mci) (kg/mcm) Faggio fresco 50 7, Faggio essiccato 35 11, Faggio essiccato all aria 18 14, Abete fresco 50 8, Abete essiccato ,3 naturale Abete essiccato all aria 18 14, Pellet 10 17,0-600 Segatura 10 17,0-202 Trucioli 10 17,0-120 Paglia frumento (balle) 15 14, Paglia colza (balle) 15 14, Paglia mais (balle) 15 14, Miscanto (balle) 15 14, Grano sfuso 15 14,2-760

42 Composizioni tipiche

43 Caratteristiche dimensionali

44 Incentivi alle Rinnovabili

45 Obbligo di Certificati Verdi

46 Il Sistema dei Certificati Verdi La quota di CV viene calcolata al netto degli assorbimenti interni, per gli impianti con produzione superiore a 100 GWh, al netto della cogenerazione I certificati Verdi vengono emessi per ciascuna quota pari a 1 MWh di energia elettrica prodotta da impianti qualificati dal GSE come IAFR, moltiplicata per un coefficiente K I CV sono attribuiti agli impianti IAFR, a quelli alimentati con rifiuti organici, con idrogeno e agli impianti di teleriscaldamento (solo per la quota effettivamente usata in teleriscaldamento) L obbligo dei CV può essere espletato anche mediante l importazione di energia prodotta all estero mediante impianti rinnovabili certificati con meccanismi analoghi ai CV

47 Il Sistema dei Certificati Verdi

48 Il Valore dei Certificati Verdi I CV vengono scambiati su un apposito mercato organizzato dal GSE oppure mediante contratti bilaterali; Il GSE offre sul mercato anche i CV relativi agli impianti CIP 6/92 entrati in funzione dopo il 1/4/1999 Il GSE ritira inoltre i CV in scadenza nell anno su richiesta dei produttori al prezzo medio dell anno precedente

49 Il Valore dei Certificati Verdi Oltre 10 milioni di CV (1 MWh/CV)

50 La Tariffa Omnicomprensiva Tariffa per impianti con potenza inferiore a 1 MW

51 La remunerazione dell energia In alternativa alla vendita diretta sul mercato elettrico o attraverso contratti bilaterali, i produttori possono richiedere il ritiro dedicato dell energia da FER. Accedono al ritiro dedicato gli impianti non programmabili (eolico, moto ondoso, acqua fluente, etc.) di qualunque potenza e gli impianti programmabili (biomasse, idroelettrico a bacino, etc.) sotto i 10 MW. Il ritiro avviene al prezzo di mercato della zona nella quale è ubicato l impianto, mentre per gli impianti sotto 1 MW sono stati definiti prezzi minimi garantiti

52 La filiera delle legnose Ligno - cellulosiche Idrolisi Compattazione, essiccazione Combustione Zuccheri Fermentazione e distillazione Pellet, Cippato, ecc. Grezzi Energia termica Ciclo a vapore, Stirling, ORC Etanolo Trasporti, energia termica, energia Trasporti, elettrica energia termi ca Energia elettrica e termica (Pioppo, Robinia, Miscanto, Sorgo) Gassificazione Pirolisi Syngas Olio, Syngas, Char Turbina a gas, fuel cell, etc. Turbina a gas, fuel cell, etc. Energia elettrica e termica Energia elettrica e termica

53 La filiera delle oleaginose 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

54 La filiera delle zuccherine Zuccherine (Canna, Sorgo, Barbabietola) Amidacee (Mais, Patate, Frumento) Estrazione Succo Liquefazione e Saccarificazione Zuccheri Fermentazione e distillazione Etanolo Trasporti, energia elettrica e/o termica Acqua Energia elettrica Lieviti CO 2 Energia elettrica Vinasse Sorgo, Barbabietola ecc. Estrazione succo zuccherino Succo Fermentazione zuccheri ETOH + H 2 O Distillazione e de-idratazione Etanolo anidro Recupero esterno Residui Energia termica Energia termica Combustibile fossile Impianto di cogenerazione Energia elettrica

55 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

56 La sostenibilità della filiera 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!

57 Fattori da valutare La produzione di energia dalle biomasse è ambientalmente sostenibile? Quale è la migliore filiera di conversione energetica delle biomasse? Quale è il principale impatto ambientale prodotto dalle diverse filiere? Quante emissioni di CO 2 si possono evitare implementando tali filiere?

58 THE END