La sostenibilità ambientale nell impiego energetico delle biomasse

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1 VALUTAZIONI SULL UTILIZZO DELLE BIOMASSE FORESTALI PER LA COGENERAZIONE DIFFUSA Auditorium Centro Ricerche Sotacarbo - Carbonia, 6 Maggio 2014 La sostenibilità ambientale nell impiego energetico delle biomasse Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari daniele.cocco@unica.it

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

3 Crescono i consumi energetici. 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 Una Terra sola non ci basta Over Shoot Day 2013: 20 Agosto Ci servirebbe un 50% in più!

7 Un pianeta con dimensioni e risorse limitate non può sostenere consumi continuamente crescenti Proposte?

8 FER: tutto (o quasi) viene dal Sole 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 energia idraulica del vento e del mare (10-20 volte i consumi mondiali) idraulica (circa 1-2 volte i consumi mondiali) chimica delle biomasse (circa 1-2 volte i consumi mondiali) Serve il contributo di tutte le FER

9 FER: le Biomasse Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, etc.); 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 (FORSU), il cosiddetto umido. Biomasse Residuali Coltivazioni Energetiche

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

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

12 Impianti a vapore a Biomassa Gli impianti a vapore alimentati con biomasse sono molto simili a quelli convenzionali alimentati con combustibili fossili, ma più piccoli (10-20 MWe contro MWe) e con minori rendimenti (25-27% contro 38-42%). Possono operare in cogenerazione con penalizzazioni sulla potenza elettrica.

13 Impianti a Vapore a Biomassa

14 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 400 ESP mg/m 3 CALDAIA, CO 100 mg/m 3, Polveri 30 mg/m 3 ) talvolta è SCR PA FGD sufficiente il solo filtro per la rimozione delle polveri e il Ceneri leggere sistema di riduzione degli NOx)

15 La filiera degli oli vegetali 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 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)

16 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.

17 Limiti di emissione in atmosfera Dlgs 152/2006 (Limiti per i grandi impianti di combustione) 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 )

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

19 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

20 Limiti di emissione in atmosfera Dlgs 152/2006 (Limiti per gli impianti a biogas) 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

21 La 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. 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

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

23 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).

24 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

25 Analisi LCA di filiera Gasolio e lubrificante Fertilizzanti Gasolio e lubrificante Produzione macchine Elettrica Produzione macchine Lubrificante Produzione macchine Coltivazione Semi Trasporto Estrazione Olio Olio Motore Diesel Elettrica Termica Produzione macchine Diserbanti Panello Emissioni Emissioni Emissioni Gasolio e lubrificante Emissioni Emissioni Raccolta e Cippatura Cippato Trasporto Impianto a vapore Elettrica Termica Produzione macchine Emissioni Gasolio e lubrificante Produzione macchine Lubrificante, Chemicals Produzione macchine

26 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.

27 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).

28 Esempio: Filiera delle oleaginose (colza) Gasolio e lubrificante Fertilizzanti Gasolio e lubrificante Produzione macchine Elettrica Produzione macchine Lubrificante Produzione macchine Coltivazione Semi Trasporto Estrazione Olio Olio Motore Diesel Elettrica Termica Produzione macchine Diserbanti Emissioni Emissioni Emissioni Emissioni Panello 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%.

29 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 2850 kwh Consumo Primaria: MJ Consumo Evitato di : MJ Risparmio Netto di : MJ (57% circa) Produz. Evitata MJ

30 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 2850 kwh Emissioni dirette: 1673 kg CO2eq Emissioni evitate: 1780 kg CO2eq Risparmio netto: 107 kg CO2eq (6% circa) Produz. Evitata 1780 kgco 2eq

31 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 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

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

33 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 Primaria : MJ Consumo Evitato : MJ Risparmio Netto : MJ (89 % circa) Sezione Potenza 9855 kwh Produz. Evitata MJ

34 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 9855 kwh Produz. Evitata 6232 kgco 2eq

35 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 9855 kwh Produz. Evitata 29,2 kgso 2eq

36 Esempio: Biomasse Residuali Gasolio e lubrificante Emissioni Emissioni Raccolta e Cippatura Cippato Trasporto Impianto a vapore Elettrica 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, anche se può essere rilevante la fase di trasporto fino all impianto a vapore.

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

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

39 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 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

40 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).

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

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

45 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.

46 Grazie per la vostra attenzione!