Energia dalle Biomasse - Parte A

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1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili 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 solare CO 2 Acqua Nutrienti Fotosintesi Biomassa Ossigeno Il bilancio teorico della CO 2 è in pareggio! Conversione CO 2 Ceneri

4 La sostenibilità della filiera Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Combustibili Combustibili, energia el. Materiali, ecc. solare Coltivazione biomassa Trasporto prodotto Conversione industriale 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 Riflessa Persa 100% Radiazione solare incidente 50% 50% Radiazione attiva per la fotosintesi 20% 80% solare assorbita 70% 30% convertita Consumo interno 60% netta Rendimento teorico fotosintesi 0,5 0,8 0,3 0,6=0,072 40%

6 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 termica termica Gas di sintesi Gas di pirolisi, biooli Olio vegetale grezzo Biodiesel Pellets

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

8 Usi attuali delle Biomasse Fonte: IEA, 2010

9 Le Biomasse nella UE

10 Le Biomasse nella UE

11 Elettrica Italia 2012

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

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

14 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

15 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

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

17 Attenzione alle statistiche! Fonte: ARPAL, 2007

18 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.

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

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

21 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

22 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)

23 Potenzialità in Sardegna Coltivazioni Energetiche (oleaginose)

24 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

25 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

26 Potenzialità in Sardegna Reflui da Allevamenti Suini e Bovini

27 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)

28 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

29 Caratterizzazione del legno

30 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

31 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

32 Il potere calorifico Rappresenta la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell unità di massa di combustibile (kcal/kg, kj/kg, kwh/kg, 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

33 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 (%)

34 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

35 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

36 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%)

37 Composizioni tipiche

38 Caratteristiche dimensionali

39 La filiera delle legnose Ligno - cellulosiche Idrolisi Compattazione, essiccazione Combustione Zuccheri Fermentazione e distillazione Pellet, Cippato, ecc. Grezzi termica Ciclo a vapore, Stirling, ORC Etanolo Trasporti, energia termica, energia Trasporti, elettrica energia termi ca 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. elettrica e termica elettrica e termica

40 La filiera delle oleaginose Solventi elettrica Metanolo elettrica Colza, girasole, soia, ecc. Estrazione olio grezzo Olio grezzo Transesterifica zione Biodiesel Panello proteico Glicerina termica Motore Diesel elettrica Gas di scarico

41 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 elettrica Lieviti CO 2 elettrica Vinasse Sorgo, Barbabietola ecc. Estrazione succo zuccherino Succo Fermentazione zuccheri ETOH + H 2 O Distillazione e de-idratazione Etanolo anidro Recupero esterno Residui termica termica Combustibile fossile Impianto di cogenerazione elettrica

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

43 La sostenibilità della filiera Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Combustibili Combustibili, energia el. Materiali, ecc. solare Coltivazione biomassa Trasporto prodotto Conversione industriale utile Residui Emissioni Emissioni Sottoprodotti Emissioni Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell intera filiera!

44 THE END