Energia dalle Biomasse - Parte C

Transcript

1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili Energia dalle Biomasse - Parte C Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari daniele.cco@dimeca.unica.it A.A

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

3 Processi Termochimici Aria in eccesso Biomassa Aria in difetto Biomassa Vapore Combustione Gassificazione CO 2 +H 2 O+ N 2 + O 2 + Gas combusti CO+H 2 +H 2 O+ CO 2 + Gas di sintesi Biomassa Calore Pirolisi Gas pirolitico Olio Char

4 Impianti a vapore Biomassa Vapore ~ energia elettrica generatore di vapore Acqua turbina a vapore Vapore Acqua Acqua di mare Pompe Condensatore

5 Tramoggia di carico

6 Caldaia a griglia

7 Caldaia a griglia

8 Caldaia a griglia

9 Ciclo a vapore

10 Bilancio energetico 13,89 kg/s (50 t/h) di vapore a 450 C e 55 bar, Potenza termica utile=39496 kw; 4,03 kg/s (14,5 t/h) di biomasse con PCI 11,72 MJ/kg (U=30%), Potenza=47250 kw; Potenza elettrica lorda kw, consumi interni 1500 kw, potenza netta kw; Potenza termica al condensatore kw, potenza termica al camino 5500 kw (166 C); Utilizzazione all 85% (7450 ore), produzione elettrica netta 84,1 GWh/anno, consumo di biomasse t/anno; Rendimento globale netto 23,9%.

11 Bilancio economico Costi specifici circa /kw, investimento iniziale 30 M (5-6 M /a); 0,7-0,8 M /a di personale, 0,2-0,3 M /a di materiali vari, 0,3-0,4 M /a di assicurazione, 0,3-0,4 M /a di spese varie, Totale 1,5 M /a; Costo biomassa /t, totale 5-9 M /a; Ricavi da incentivi (circa /MWh) 4-5 M /a (+ 30 /MWh, 2,5 M /a, se le emissioni inquinanti sono basse), ricavi da vendita energia (60-70 /MWh) 5-6 M /a; Superficie da coltivare a SRF (es. Pioppo) ha/anno;

12 Normativa di incentivazione Decreto MSE 6 Luglio 2012 Il costo cumulato di tutti gli incentivi, alle FER, escluso il fotovoltaico, non può superare 5,8 M /a; Oltre una prefissata potenza di soglia (5 MW per le biomasse) si accede agli incentivi mediante un meccanismo di aste competitive al ribasso, mentre sotto la soglia mediante l inserimento in posizione utile all interno di appositi registri; I piccoli impianti (sotto 200 kw per le biomasse di origine biologica e sotto 100 kw per il biogas) hanno accesso diretto agli incentivi; Gli impianti con potenza inferiore a 1 MW possono usufruire di una tariffa omnicomprensiva che include incentivo e valorizzazione dell energia. Sono previsti premi sulla tariffa incentivante in relazione al raggiungimento di specifici target di prestazione ambientale (riduzione emissioni o risparmio di energia).

13 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012 Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti soggetti a procedure d asta

14 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012 Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti iscritti al Registro del GSE

15 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012

18 Sostenibilità delle filiere 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 forfettariamente 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; Sono previsti premi per impianti con: a) potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di gas serra (10 /MWh) e biomasse da filiera (20 /MWh); b) ridotte emissioni inquinanti (30 /MWh); c) operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da 10 a 40 /MWh).

19 Criteri sostenibilità bioliquidi Dlgs n. 55 del 31 Marzo 2011

20 Premio per riduzione emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

23 Premio per riduzione emissioni inquinanti Decreto MSE 6 Luglio 2012

24 Inquinanti e Gas Serra Ossidi di Zolfo (SOx). Si formano a partire dallo zolfo contenuto nel combustibile; S O O SO 2 Ossidi di Azoto (NOx). Si formano a partire dall azoto dell aria e del combustibile; Particolato. Si forma a partire dalle sostanze solide presenti nel combustibile; N O N O O NO, NO 2 Ossido di Carbonio e HC. Si formano per combustione incompleta; Anidride Carbonica (CO 2 ). Si forma durante la combustione di tutti i combustibili a base di carbonio. C C O O O CO CO 2

25 D.lgs. 152/06 limiti di emissione Limiti di emissione per impianti di combustione alimentati con biomasse solide 0,15<P<3 MW 3<P<6 MW 6<P<20 MW >20 MW Polveri Totali COT CO NO X (come NO 2 ) SO X (come SO 2 ) I limiti sono espressi in mg/nm 3, riferiti a fumi secchi e con un tenore di ossigeno dell 11% in volume. Per le polveri è richiesta una efficienza di rimozione dell ordine del ( )/1830=98-99%! 99%!

26 Trattamento gas combusti

27 Rimozione ceneri leggere Cicloni

28 Rimozione ceneri leggere meccanismo di scuotimento Uscita uscita gas depurati gas Manica filtrante manica filtrante base di collegamento delle maniche ingresso gas grezzo Ingresso gas tramoggia di raccolta Filtro a manica

29 Filtri a manica Il filtro rimuove oltre il 99% del particolato

30 Filtri a manica Fibra Massima temperatura Resistenza agli acidi Resistenza agli alcali RESISTENZA MECCANICA Cotone 80 C Scadente Buona Buona Polipropilene (Propex) 90 C Ottima Ottima Molto buona Nylon (Neotex) 120 C Discreta Buona Ottima Acrilica (Dratex) 125 C Ottima Discreta Discreta Poliestere (Terytex) 150 C Buona Discreta Molto buona Poliestere (Ryton) 190 C Ottima Ottima Molto buona Nomex 200 C Discreta Buona Molto buona Teflon 260 C Ottima Ottima Ottima Tefair 260 C Molto buona Ottima Ottima Fibra di vetro 260 C Molto buona Discreta Scadente Tabella 9.3 Principali caratteristiche delle fibre utilizzate per i filtri in tessuto. Rendimenti elevati (>99,9%), ma con alte perdite di carico e temperature operative non molto elevate

31 Riduzione catalitica NO X Ammoniaca NH3 Gas con NO e NO2 350 C Gas depurati 4NH3 +4NO +O2 =4N2 +6H2O Si neutralizzano circa l 80-85% 85% degli NOX

32 Riduzione catalitica NOX

33 Rapporto potenza termica/potenza netta L Inquinamento Termico 10 8 Centrale a Biomassa: =25% P E =10 MW P T =30 MW MCI e MTG TG IV e IGCC IC FC Rendimento netto (%)

34 Le opzioni a disposizione Vapore Acqua di raffreddamento Vap Aria Con Condensa a) Condensatore operante in circuito aperto b) Condensatore ad aria Potenza termica al condensatore kw Incremento di temperatura dell acqua Aria umida 10 C Portata = Vapore kw = 620 kg/s = 2240 m 3 /h 4,186 10

35 Condensa Condensa Le opzioni a disposizione a) Condensatore operante in circuito aperto b) Condensatore raffreddato ad aria Aria umida Vapore Aria secca Reintegro Condensa Spurgo c) Condensatore operante in circuito con torre evaporativa Figura 4.1 Principali schemi del circuito di raffreddamento del condensatore.

36 L Inquinamento Termico

37 Le opzioni a disposizione ffreddamento Aria Vapore Aria Condensa in circuito aperto b) Condensatore raffreddato ad aria Aria umida

38 I motori a vapore Hammerschmid, A.S., I. Obernberger, et al., Demonstration and Evaluation of an Innovative Small-Scale Biomass CHP Module Based on a 730 kwel Screw-Type Steam Enginein 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protecion,. 2004: Rome.

39 I motori Stirling

40 I sistemi ORC

41 I sistemi ORC Pe=200 kw 80 C 250 C 60 C Pt=1200 kw 300 C Pa=950 kw

42 I sistemi ORC

43 I sistemi ORC

44 I sistemi ORC

45 I sistemi ORC Rendimento caldaia 80-90% Rendimento elettrico netto 14-16% Rendimento termico netto 60-70% Costi di impianto /kw Margini di convenienza solo attraverso il funzionamento in cogenerazione

46 Processi di gassificazione Combustibile Ossidante Vapore Sezione di gassificazione Ceneri Syngas CO H 2 CO 2 H 2 O CH 4 Sezione di Condizionamento TAR, Polveri, NH3, etc Principali linee di ricerca Syngas Sezione di conversione Energia elettrica Riduzione di TAR e particolato nel gas; Migliore automazione e affidabilità; Riduzione dei costi. Depurazione del syngas a caldo; Rimozione del TAR e del particolato; Rimozione dei composti alcalini. Sistemi di generazione elettrica avanzati (MGT, FC, sistemi ibridi, etc.); Riduzione dei costi; Produzione di idrogeno Produzione di DME, metanolo, FT, etc.

47 Processi di pirolisi Biomassa Processo di pirolisi Gas Olio Char Utilizzo energetico Energia termica Aree di Ricerca Massimizzazione delle frazioni combustibili più pregiate; Miglioramento della qualità dell olio pirolitico; Sviluppo di sistemi di conversione finale ad elevata efficienza Riduzione dei costi Il gas e il char vengono spesso utilizzati per fornire l energia termica richiesta dal reattore La conversione in olio e gas può essere incrementata aumentando le temperature e la velocità di riscaldamento (fast e flash pirolisi) L olio è poco stabile e poco miscibile con i combustibili convenzionali

48 Produzione biogas (%) Il biogas Regime Psicrofilo Regime Mesofilo Regime Termofilo Tempo di ritenzione (giorni) Figura 5.13 Produzione di biogas in

49 Energia da 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

50 THE END