Cos è e come si misura la qualità dei biocombustibili

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1 Cos è e come si misura la qualità dei biocombustibili Rosa Greco Laboratorio Analisi BioCombustibili (Lab. ABC) Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-forestali Università degli Studi di Padova

2 Cos è il biocombustibile? Biomassa Processo di trasformazione Tipo di biocombustibile Conversione energetica Legnosa risorse forestali, SRF, verde urbano, gusci, nòccioli ecc Taglio/spaccatura, cippatura, tritatura, pellettizzazione Biocombustibili solidi Combustione per riscaldamento, elettricità Semi e frutti girasole, colza, soia ecc Spremitura meccanica, esterificazione, fermentazione Biocombustibili liquidi Combustione per riscaldamento, elettricità, autotrazione Erbacea barbabietola, frumento, mais ecc e liquami zootecnici Digestione anaerobica Biocombustibili gassosi Combustione per riscaldamento, elettricità, autotrazione

3 Cos è il biocombustibile? BIOCOMBUSTIBILI SOLIDI residui e sottoprodotti derivanti dalle operazione di manutenzione dei boschi: cimali, ramaglie, potature e diradamenti residui derivanti dalla lavorazione del legno: cortecce, segatura e trucioli residui agricoli: potature di olivo e sarmenti di vite residui agro-industriali: paglie, gusci e noccioli della frutta ecc

4 Che forma ha il biocombustibile solido? PELLET CIPPATO BRIQUETTES LEGNA DA ARDERE GUSCI E NOCCIOLI FRUTTA NOCCIOLINO PELLET VINACCIOLI

5 Analisi di qualità: perché? Trasparenza nel mercato dei biocombustibili Accesso alle informazioni necessarie alla compravendita Prezzi calibrati sulla base della qualità Rispetto dei limiti di emissione imposti per legge Conto termico, certificati bianchi e finanziamenti Le proprietà dei materiali sono monitorate e certificare ISO La tracciabilità a ritroso di tutta la filiera è assicurata UNI EN È possibile risalire ex post al ciclo di vita del combustibile

6 L ANALISI DELLA QUALITÀ: LA FILIERA Attori Ditte di utilizzazione Industrie Ditte trasformazione Ditte di produzione Utilizzatori finali Prodotti conversione produzione BIOMASSA BIOCOMBUSTIBILE BIOENERGIA Norme Dichiarazione di origine UNI EN (tab.1) Valutazione qualitativa del combustibile UNI EN Dichiarazione del prodotto finale UNI EN Qualità della filiera produttiva UNI EN 15234

7 Quadro normativo di riferimento per la qualità dei biocombustibili UNI EN ISO 17225:2014 Parte 1: requisiti generali Parte 2: pellet di legno per uso non industriale Parte 3: briquette di legno per uso non industriale Parte 4: cippato per uso non industriale Parte 5: legna da ardere per uso non industriale Parte 6: pellet non di legno per uso non industriale Parte 7: briquette non di legno per uso non industriale Manca la specifica per altri biocombustibili (gusci, noccioli e nocciolino)

8 Quadro normativo di riferimento: le analisi Campionamento EN ISO Origine della biomassa -UNI EN ISO Contenuto idrico ISO Specifiche e classificazioni UNI EN ISO Contenuto in ceneri ISO Distribuzione granulometrica ISO Massa volumica sterica ISO Potere calorifico EN ISO 18125:2017 Macro e Micro elementi ISO Durabilità meccanica ISO Particelle fini ISO Fusibilità delle ceneri CEN/TS Terminologia ISO 16559

9 Classi qualitative dei biocombustibili Proprietà Classificazione Origine (vedi classificazione di origine tab. 1) Unità A1 A2 B Diametro (D) e Lunghezza (L) mm D06 D L 40 D06 D L 40 D06 D L 40 Contenuto idrico, M % sul tal quale M10 10 M15 10 M15 10 Ceneri, A % sul peso secco A A A Durabilità meccanica, DU % sul tal quale DU DU DU Contenuto particelle fini, F % sul tal quale F F F Additivi Potere calorifico inferiore, Q % sul peso secco MJ/kg kwh/kg 2 (indicare tipo e quantitativi) Q Q 19.0 Q Q (indicare tipo e quantitativi) Q Q 19.0 Q Q (indicare tipo e quantitativi) Q Q 19.0 Q Q 5.3 Massa volumica sterica, BD kg/m 3 st BD BD BD

10 Origine e provenienza della biomassa 1.1 FORESTE, PIANTAGIONI E ALTRO LEGNO VERGINE Pianta intera senza radici Pianta intera con radici Latifoglie Conifere Ceduo a turno breve Cespugli Miscugli intenzionali o meno Latifoglie Conifere Ceduo a turno breve Cespugli Miscugli intenzionali o meno Fusto Latifoglie Residui di utilizzazione Conifere Miscugli intenzionali o meno Latifoglie fresche (con foglie) Conifere fresche (con aghi) Latifoglie pre-essiccate Conifere pre-essiccate Miscugli intenzionali o meno Ceppaie/Radici Latifoglie Conifere Ceduo a turno breve Cespugli Corteccia (da utilizzazioni forestali) Miscugli intenzionali o meno Legno da giardini, parchi, alberature, vigneti e frutteti Miscugli intenzionali o meno 1.2 LEGNO PROVENIENTE DA PRODOTTI E RESIDUI DELLE LAVORAZIONI INDUSTRIALI Residui di legno non trattato chimicamente Residui legnosi trattati chimicamente, fibre e costituenti del legno Latifoglie senza corteccia Conifere senza corteccia Latifoglie con corteccia Conifere con corteccia Corteccia da processi industriali Senza corteccia Con corteccia Corteccia da processi industriali Fibre e costituenti del legno Miscugli intenzionali o meno 1.3 LEGNO USATO Legno non trattato chimicamente Senza corteccia Con corteccia 1.4 Miscugli intenzionali o meno Legno trattato chimicamente Miscugli intenzionali o meno Corteccia Senza corteccia Con corteccia Corteccia Faggio a pianta intera senza radici Abete da residui di utilizzazione Sciaveri e refili di larice da segheria

11 Contenuto idrico (%)-UNI EN ISO 18134:2015 Massa di acqua presente in rapporto alla massa di legno fresco variabile da M10 a M55+ 24h in stufa a 105±2 C m 1 = massa del campione umido m 2 = massa del campione anidro Influenza contenuto idrico: Potere calorifico Temperature di combustione Conservazione e stoccaggio Proprietà meccaniche

12 Influenza dell acqua qualche numero CONTENUTO IDRICO t pellet/anno M10: 10 % 1500 t M6: 6 % 900 t Differenza 600 t Differenza Pellet più secco a parità di volume: maggior energia conferita per carico minori consumi di trasporto per MWh minori costi di trasporto per MWh CONTENUTO IDRICO t cippato /anno M50: 50% 7500 t M20: 20 % 3000 t Differenza 3500 t Differenza Alto contenuto idrico influenza: Stoccaggio del materiale (crescita di funghi e rilascio di spore) Rischi di autocombustione Biodegradazione del campione con perdite fino al 40 %

13 Contenuto in ceneri-uni EN ISO Massa di residuo inorganico rimanente dopo la combustione in determinate condizioni (550 C) di un combustibile variabile da A0.5 a A h in muffola a 550±10 C Influenza qualità combustione e i residui da smaltire/recuperare d= dry m 1 = tara del crogiolo (g) m 2 = massa del campione + tara (g) m 3 = tara + ceneri M ad = % del contenuto idrico del campione utilizzato (g)

14 Influenza della cenere qualche numero CENERI 4 t pellet/anno A3 : 3 % 120 kg A 0.3 : 0.3% 12 kg Differenza 108 kg Pellet più «puro» a parità di volume: maggior energia conferita per carico minori costi di smaltimento ceneri minori costi di manutenzione minori costi per MWh

15 Fusibilità delle ceneri CEN/TS SLAGGING (sono ceneri che si fondono e formano una crosta) Possono dipendere dalla materia da: Materia prima utilizzata che può contenere impurità (sabbia e terra!) o composti bassofondenti (silicio, cloro ) dalla composizione chimica degli elementi di formazione di ceneri aumento con il maggiore contenuto di ceneri, dalla elevata densità apparente e basso contenuto di acqua sistema di combustione non adeguato (impostazioni o generale)

16 Fusibilità delle ceneri CEN/TS La fusione delle ceneri è una serie di fasi in cui avviene il progressivo passaggio dallo stato solido allo stato fluido delle ceneri. variabile da 600 a C Analizzatore fusibilità delle ceneri con telecamera Esprime il comportamento delle ceneri ad alte temperature attraverso la determinazione di 4 temperature: SST shrinkage starting temperature (temperatura di contrazione) DT deformation temperature (temperatura di deformazione) HT hemisphere temperature (temperatura emisferica) FT flow temperature (temperatura di fusione) Influenza qualità della combustione, costi di manutenzione - va indicata la temperatura di deformazione DT

17 Effetti delle fusibilità delle ceneri Intasamento degli ugelli di ingresso dell'aria Disturbo del passaggio di aria nel focolaio a causa dell accumulo di ceneri agglomerate Materiale fuso sugli scambiatori di calore con riduzione dell efficienza e aumento del rischio di corrosione ad alte temperature di componenti del generatore Disturbi o blocchi di qualsiasi componente del generatore

18 Classificazione dimensionale Pellet Cippato, gusci, noccioli e nocciolino vagliatura Bricchetti Legna da ardere

19 Dimensioni pellet UNI EN ISO 17829:2016 Dimensioni mm Ø 6 mm ± 1 mm o Ø 8 mm ± 1 mm Lunghezza 3,15 L 40 mm Influenza qualità della combustione, rischio ostruzioni passaggio prodotto, aumento missioni Lunghezze > 45 mm possono: Bloccare la coclea durante il passaggio Disturbare il flusso del materiale in movimento Limitare il flusso d aria Rendere difficile la distruzione del pellet sul letto di combustione

20 Distribuzione granulometrica- UNI EN ISO 17827:2016 Esprime il rapporto percentuale delle frazioni dimensionali delle particelle che compongono il cippato n P16S P31S P45S Frazione principale (minimo 60% in peso) 3,15 P 16 mm 3,15 P 31,5 mm 3,15 P 45 mm Frazione fine (% in peso < 3.15 mm) 15% 10% 10% Frazione grossolana (% in peso) 6%, (> 31.5 mm) lunghezza massima delle particelle 45 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 2 cm 2 6%, (> 45 mm) lunghezza massima delle particelle 150 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 4 cm 2 10%, (> 63 mm), lunghezza massima delle particelle 200 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 6 cm 2

21 Distribuzione granulometrica P16 S Ø mm P45S 63.0 grossolana 6% 45.0 grossolana 10% Inceppamento alimentazione 31.5 principale >60% 16.0 principale >60% 3.15 fine 15% 0 fine 10% Combustione e sicurezza VTT,

22 Analisi elementare ANALISI ELEMENTARE Azoto, N Zolfo, S Cloro, Cl Arsenico, As Cadmio, Cd Cromo, Cr Rame, Cu Piombo, Pb Mercurio, Hg Nickel, Ni Unità % sul secco % sul secco % sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco mg/kg sul secco Valori limite secondo normativa N0.3 0,3 (A1); N0.5 0,5 (A2); N1.0 1,0 (B) S0.04 0,04 (A1) ; S0.05 0,05 (A2,B) Cl0.02 0,02 (A1, A2) ; Cl0.03 0,03 (B) 1 0, ,1 10 Zinco, Zn 100 mg/kg sul secco Normativa di riferimento Classif icazione Det erminazione del cont enut o t ot ale di carbonio, idrogeno e azot o Det erminazione del cont enut o t ot ale di zolfo e cloro Det erminazione dei microelement i As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mn, Mo, Ni, Pb, Sb, V e Zn UNI EN ISO :2014 UNI EN ISO 16948:2015 UNI EN ISO 16994:2015 UNI EN ISO 16968:2015 Influenzano le emissioni di gas in atmosfera e la quantità di ceneri prodotte

23 Perché è importante Azoto Azoto combustibili è il principale responsabile di emissione di Nox Il legno vergine ha un contenuto naturale di azoto inferiore allo 0,3 %, valori superiori sono dovuti a presenza di colle, additivi e plastiche Zolfo Principale responsabile di produzione di SO2 che si forma durante la combustione di acido solforoso Nel legno vergine ha concentrazione basse, un alto contenuto è dovuto a presenza di corteccia, additivi vegetali (amidi), trattamenti chimici a base di acido solforico Cloro Forma acido cloridrico in combustione ed è il maggior responsabile di corrosione negli impianti Alti contenuti di cloro sono dovuti a presenza di corteccia, vicinanza delle piante a zone vicino al mare, contaminazioni, fertilizzanti e trattamenti chimici

24 Durabilità meccanica (%)- UNI EN ISO 17831:2016 Durabilità meccanica pellet Variabile da DU96.5 a DU min a 50 rpm Durabilità meccanica bricchetti Variabile da DU90.0- a DU95+ 5 min a 21 rpm Perdite per polveri, intasamento, rotture, polveri in aria, salubrità ambiente

25 Influenza della durabilità qualche numero DURABILITÀ t pellet/anno DU 99.5 % 75 t DU 97.5 % 375 t Differenza 300 t Differenza Pellet più durevole a parità di volume: maggior energia conferita per carico minori rischi sicurezza-salute minori costi di manutenzione minori costi per MWh

26 Fini (%)-UNI EN ISO 18846:2017 Percentuale di polveri fini con dimensioni inferiori ai 3,15mm Setaccio con 3,15 mm diametro fori Diametro 400 mm Altezza 60 mm Per il cippato si determinano con granulometria, per il pellet si determinano manualmente effettuando dei movimenti circolari del setaccio Influenza combustione e emissioni Generalmente pellet di dimensioni minori o con bassa durabilità hanno quantità di fini più elevate

27 Bassa durabilità e alto contenuto di polveri fini Bassa durabilità provoca la formazioni di particelle fini < 3,15 mm In combustione Blocco dei sistemi di trasporto Efficienza ridotta Alte emissioni formazioni di alto contenuto di ceneri Trasporto e logistica emissioni di polveri Pericolo per la sicurezza (esplosione delle polveri)

28 Potere calorifico (MJ/kg)- UNI EN ISO 18125:2018 Rappresenta la quantità TOTALE DI ENERGIA sprigionabile dalla COMPLETA COMBUSTIONE di una unità di massa di biocombustibile POTERE CALORIFICO SUPERIORE PCS POTERE CALORIFICO INFERIORE PCI Considera anche l energia utile per far evaporare l acqua Non considera l energia che deriva dalla condensazione del vapore acqueo. Valore reale in caldaia. 1 kg di acqua: 2,44 MJ 1 kg legno 18,8 MJ

29 Conifere Latifoglie Potere calorifico È riferito all unità di peso 1 kg legno 18.8 MJ/kg 5.22 kwh/kg Conifere 2% > Latifoglie VALORI COSTANTI 3 MJ/kg MJ/kg Salice bianco Ontano bianco Carpino bianco Pioppo nero Cerro Acero Ontano nero Quercia Frassino Betulla Faggio Olmo Tiglio Castagno Robinia Larice Douglasia Abete bianco Abete rosso Pino silvestre Pino strobo

30 Potere calorifico Dipende da: COMPOSIZIONE CHIMICA Il legno è composto principalmente da: - Lignina MJ/kg ( % in conifere, 20 % latifoglie) - Cellulosa 17,2-17,5 MJ/kg (40-50 %) - Emicellulosa 16-16,4 MJ/kg (20-30 % in latifoglie, 15 % in conifere) - Oli, resine, grassi e zuccheri MJ/kg CONTENUTO IDRICO PARADOSSO Per parlare di FUOCO dobbiamo parlare di ACQUA

31 Potere calorifico diminuisce Potere calorifico Q (MJ/kg) POTERE CALORIFICO MJ/kg 20 Umidità U (%) Contenuto idrico M (%) Contenuto idrico aumenta 0.5 kg legno 0.75 kg legno 1 kg legno 0.5 kg H 2 O M kg H 2 O M25

32 /t CONCLUSIONI: influenza dell acqua Domanda Meglio vendere a peso o a volume? 1 - Vendita a volume /m st se M sconosciuto 2 - Vendita a peso /t se M noto 3 - Vendita dell energia /GJ - /MWh con M noto /MWh 25 /MWh 20 /MWh 0 M20 M25 M30 M35 M40 M50 M60

33 Caratteristiche di qualità: PELLET di LEGNO Proprietà Classificazione Unità A1 A2 B Origine Diametro (D) e lunghezza (L) mm D06, 6 ± 1; 3,15 L 40 D08, 8 ± 1; 3,15 L D06, 6 ± 1; 3,15 L 40 D08, 8 ± 1; 3,15 L D06, 6 ± 1; 3,15 L 40 D08, 8 ± 1; 3,15 L 40 Contenuto idrico, M % sul tal quale M10 10 M10 10 M10 10 Ceneri, A % sul peso secco A0.7 0,7 A1.2 1,2 A2.0 2,0 Durabilità meccanica, DU % sul tal quale DU ,5 DU ,5 DU ,5 Contenuto particelle fini, F Additivi Potere calorifico netto, Q % sul tal quale F 1.0 1,0 F 1.0 1,0 F 1.0 1,0 % sul peso secco 2 (indicare tipo e quantitativi) 2 (indicare tipo e quantitativi) 2 (indicare tipo e quantitativi) MJ/kg Q ,5 Q ,5 Q ,5 kwh/kg Q 4.6 4,6 Q 4.6 4,6 Q 4.6 4,6 Massa volumica sterica, BD kg/m 3 BD BD BD Riportare il contenuto di Azoto, Zolfo, Cloro, Arsenico, Cadmio, Cromo, Rame, Piombo, Mercurio, Nickel, Zinco (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Zn: ISO 16968)

34 Caratteristiche di qualità: BRICCHETTI di LEGNO Proprietà Classificazione Unità A1 A2 B Origine - Diametro (D) o lunghezza (L 1 ), larghezza (L 2 ) e altezza (L 3 ) mm Indicare D, L 1, L 2 e L 3 Indicare D, L 1, L 2 e L 3 Indicare D, L 1, L 2 e L 3 forma Specificare la forma Specificare la forma Specificare la forma Contenuto idrico, M % sul tal quale M12 12 M15 15 M15 15 Ceneri, A % sul peso secco A 1.0 1,0 A 1.5 1,5 A 3.0 3,0 Massa volumica, DE g/cm 3 DE 1.0 1,0 DE 0.9 0,9 DE 0.9 0,9 Additivi % sul peso secco 2 (indicare tipo e quantitativi) 2 (indicare tipo e quantitativi) 2 (indicare tipo e quantitativi) Potere calorifico netto, Q MJ/kg Q ,5 Q ,3 Q ,9 kwh/kg Q 4.3 4,3 Q ,25 Q ,15 Riportare il contenuto di Azoto, Zolfo, Cloro, Arsenico, Cadmio, Cromo, Rame, Piombo, Mercurio, Nickel, Zinco (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Zn: ISO 16968)

35 Caratteristiche di qualità: CIPPATO di LEGNO Proprietà Classificazione Unità A1 A2 B1* B2* Origine (vedi classificazione di origine dei biocombustibili pag. 12) ISO Contenuto idrico, M ISO % sul tal quale M10 10 M25 25 M35 35 Indicare il valore massimo Ceneri, A ISO Potere calorifico netto, Q ISO (normativa in fase di sviluppo) Densità sterica, BD ISO % sul peso secco A1.0 1,0 A1.5 1,5 A3.0 3,0 MJ/kg kwh/kg Indicare il valore minimo kg/m 3 BD BD BD Indicare il valore minimo BD BD BD BD Indicare il valore minimo Indicare il valore minimo n Frazione principale (minimo 60% in peso) Frazione fine (% in peso < 3.15 mm) P16S 3,15 P 16 mm 15% P31S 3,15 P 31,5 mm 10% P45S 3,15 P 45 mm 10% Frazione grossolana (% in peso) 6%, (> 31.5 mm) lunghezza massima delle particelle 45 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 2 cm 2 6%, (> 45 mm) lunghezza massima delle particelle 150 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 4 cm 2 10%, (> 63 mm), lunghezza massima delle particelle 200 mm L'area della sezione trasversale delle particelle sovradimensionali 6 cm 2

36 Caratteristiche di qualità: LEGNA DA ARDERE Proprietà Classificazione Unità A1 A2 B Origine Specie legnosa - Indicare la specie Indicare la specie Diametro, D Lunghezza, L Contenuto idrico, M Umidità, U Volume o peso Proporzione tra pezzi spaccati e pezzi tondi cm cm % sul peso tal quale % sul peso secco m 3 accatastato m 3 riversato kg D2 2 D5 2 < D 5 D15 5 < D 15 D15+ > 15 L20 20 L25 25 L30 30 L33 33 L40 40 L50 50 L M20 20 M25 25 D15 5 < D 15 D15+ >15 L30 30 L33 33 L40 40 L50 50 L M20 20 M25 25 M35 35 U25 25 U33 33 U33 33 U54 54 Indicare la tipologia di misurazione adottata nella commercializzazione (volume stero accatastato, volume stero riversato, peso) % dei pezzi Non richiesto Superficie di taglio Regolare Non richiesto Non richiesto Presenza di carie o muffe Densità energetica Stagionatura o essicazione % dei pezzi Non visibile 5 kwh/kg kwh/m 3 Indicazione raccomandata - Indicazione raccomandata (stagionatura o essicazione) Se la presenza è significativa ( 10), il potere calorifico inferiore può essere usato come indicatore

37 CONCLUSIONI: i vantaggi dell analisi dei biocombustibili Possibile il pagamento dell effettiva energia conferita Possibile l acquisto di materiale rispondente alle proprie esigenze Possibile scelta e confronto fra offerte alternative Strumento per la strutturazione di accordi di filiera chiari Produttori e rivenditori di macchine (caldaie stufe - cippatrici) possono dichiarare le specifiche per cui sono state prodotte Stimolo ad incrementare il livello di professionalità della filiera QUALITÀ = MIGLIORE UTILIZZO DELLE RISORSE DISPONIBILI

38 GRAZIE PER L ATTENZIONE