BIOMASSE, BIOENERGIA e BIOPRODOTTI fonti primarie, caratteristiche, processi di conversione, sistemi di utilizzo, rapporto con il territorio

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1 BIOMASSE, BIOENERGIA e BIOPRODOTTI fonti primarie, caratteristiche, processi di conversione, sistemi di utilizzo, rapporto con il territorio Le biomasse nel panorama dei combustibili alternativi (1-128) La caratterizzazione energetica e merceologica delle biomasse vegetali ( ) Indagine conoscitiva dedicata al tema delle biomasse vegetali realizzata dalla Stazione Sperimentale per i Combustibili e co-finanziata dal Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio ( ). Stazione Sperimentale per i Combustibili T. Zerlia - G. Pinelli

2 Le biomasse nel panorama dei combustibili alternativi 1

3 Indice argomenti Biomasse: esigenze del del mercato e evoluzione della della qualità qualità del del prodotto p (3-7) (3-7) Fonti Fonti primarie per per la la produzione di di bioenergia (8-12) (8-12) Caratteristiche energetiche e merceologiche delle delle biomasse: significato ificato e determinazione (13-51) (13-51) Principali processi di di conversione: bioenergia e bioprodotti (52-105) (52-105) Sistemi per per l utilizzo della della bioenergia ( ) ( ) 118) Importanza e sinergie nel nel rapporto biomasse-territorio ( ) ( ) 128) 2

4 Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodotto Slides 3-7 3

5 Biomasse e combustibili alternativi: le richieste del mercato biomasse vegetali CDR biogas biodiesel Dall osservatorio SSC : Incremento consistente di richieste di analisi di biomasse vegetali Le biomasse sono entrate nel novero dei beni di valore economico Esigenze del mercato di conoscere e confrontare le caratteristiche Esigenze di garanzia del prodotto 4

6 Biomasse: evoluzione del concetto di QUALITA del prodotto Stiamo assistendo ad un evoluzione del concetto di qualità del prodotto biomassa concetto che ha caratterizzato l evoluzione del mercato a partire dagli anni 50 L industria ha incrementato la competitività attraverso la qualità dei prodotti industria Prodotto a norma Q mercato Specifiche tecniche Verificate secondo norme tecniche 5

7 QUALITA del prodotto biomassa e sviluppo filiera Ottimizzazione Ciclo produttivo Filiera Q tot = f (Qraz + Qamb + Qemoz + Qserv) Aspetti tecnici Energia/Risorse Impatto ambientale Esigenze utilizzatore Vendita e uso Individuazione e caratterizzazione degli aspetti energetici merceologici ambientali 6

8 Complessità della filiera biomasse e competitività Emissioni Approvvigionamento Coltivazione Raccolta Pretrattamento Trasporto Alimentazione Caratterizzazione Pretrattamento Stoccaggio Bioenergia Conversione Bioprodotti Ceneri FATTORI INDISPENSABILI per COMPETERE: Bilancio energetico/ambientale COSTI/BENEFICI Approccio multidisciplinare 7

9 Fonti primarie per la produzione di bioenergia Slides

10 La filiera biomasse: fonti primarie Le biomasse In campo energetico, col termine biomassa, si intende genericamente ogni la sostanza organica, di origine vegetale o animale, da cui sia possibile ricavare energia. Dal decreto di recepimento della direttiva europea 2001/77/CE sulla promozione dell energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili per biomassa si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. fonti rinnovabili (fonti energetiche non fossili): eolica, solare geotermica, del moto ondoso, maremotrice idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas. 9

11 Biomasse FONTI PRIMARIE - Schema semplificato Biomassa Di origine vegetale Di origine animale Produzioni agricole e forestali Colture dedicate TERRESTRI PIANTE Legnose Erbacee Frutti Semi Industria agro-alimentare Industria non alimentare - Piante a rotazione breve Arboree Salice pioppo robinia eucalipto ginestra Residui agricoli e forestali -da manutenzione boschiva -arredo verde, alberature stradali,... Residui e sottoprodotti da industria agro-alimentare e non - Scarti di olive, sanse, vinaccioli, gusci, lolla riso,.. - segatura, trucioli, sughero,... Erbacee Sorgo, miscanto, canna comune, - Piante oleaginose soia, colza, girasole,.. ACQUATICHE Alghe, microalghe Reflui zootecnici 10

12 Biomasse - Provenienza del materiale da valorizzare Biomassa Residuali Colture energetiche Colture Oleaginose Colture da sostanza secca Colture zuccherine e alcoligene Scarti forestali Scarti industriali Legnose Erbacee Erbacee Scarti agro-industriali perenni perenni annuali Frazione biodegr. RSU Residui da zootecnia Fonte: ISES - Ecoenergie n. 3 dicembre

13 FILIERA Biomasse: dalla RACCOLTA alla TRASFORMAZIONE residuali Biomasse colture energetiche sul suolo altri usi agricoli raccolta raccolta in discarica (pretrattamento) trasporto valorizzazione densificazione pellet, bricchette pretrattamento stoccaggio conversione termochimica, biochimica, chimica calore e/o elettricità bioprodotti gassosi liquidi solidi 12

14 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Slides

15 Caratterizzazione biomassa OBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATORE Decollo e competitività filiera biomasse Valorizzazione dei prodotti Definire la qualità del prodotto in funzione dell utilizzo Avere garanzie sulla qualità del prodotto Caratterizzare il prodotto secondo prove standardizzate Verificarne la rispondenza rispetto a specifiche tecniche 14

16 Caratterizzazione biomassa Obiettivo: scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi CARATTERIZZAZIONE = Perché adottare prove normalizzate? Il comportamento di un combustibile è fortemente influenzato dalle condizioni sperimentali Per confrontare le proprietà di combustibili diversi su base omogenea devono essere adottate le stesse condizioni sperimentali Prove di laboratorio Prove normalizzate procedure e condizioni note e ben definite 15

17 Caratterizzazione biomassa caratterizzazione di laboratorio si basa di un numero relativamente limitato di misure che mirano a definire proprietà macroscopiche del materiale in condizioni sperimentali ben definite. Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto Punto di forza: Confronto su base omogenea La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi insieme ai parametri dell impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto. 16

18 IL COMBUSTIBILE BIOMASSA Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Il combustibile biomassa Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse: H2O (umidità) ceneri Sul campione come ricevuto Frazione combustibile (C,H,O, N,S,Cl,...) Sul secco e privo di ceneri Sul secco 17

19 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio H2O (umidità) ceneri Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) Potere calorifico Kcal/kg; MJ/kg È una misura quantitativa del valore energetico del combustibile È la quantità di calore che si sviluppa dall unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate Potere Calorifico Superiore PCS Potere Calorifico Inferiore (netto) PCI energia/massa: [Kcal/kg; MJ/kg;..] Il PCI viene calcolato al netto del contributo dell umidità del combustibile e dell acqua che si forma nella reazione di combustione (si sottrae cioè dal PCS il calore di condensazione dell H2O prodotta nella combustione) 18

20 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Potere calorifico - È legato al contento di C, H - Rispecchia le caratteristiche chimiche dei componenti presenti (lignina cellulosa resine) Andamento del PCI col contenuto di C in campioni di biomasse legnose dati riferiti al "secco e privo di ceneri" PCI (MJ/Kg) scortecciato tronco verde coperto 4/5 mesi cippato rnld segatura tronco secco ramaglie 54 C % 53 Dati SSC (2003) : Carbonio (%) sperimentazione in collaborazione con FIPER - Campioni di biomasse vergini prelevati a TIRANO presso impianto di cogenerazione (Società TC VVV SPA) PCI Carbonio (%) 19

21 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Potere calorifico - Valutazioni Empiriche Può essere calcolato mediante equazioni empiriche, ad es.: HHV [Btu/lb] = C H N S O Ash 15 MJ/Kg 22 MJ/Kg Fonte - Updated (March 2003) - from Graboski, M. S. and Bain R. L. (1979). Chapter 3: Properties of Biomass Relevant to Gasification, in A Survey of Biomass Gasification, Volume II - Principles of Gasification, Solar Energy Research Inst., Golden, CO, SERI/TR

22 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Potere calorifico - Osservazioni Ai fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCI Il calore reale prodotto in impianto è legato al PCI Mezzo di combustione (aria, altro) ma dipende da numerosi fattori, tra altri : Sistema di combustione e disegno costruttivo Condizioni esercizio impianto Altre caratteristiche chimiche e fisiche del combustibile (Pezzatura, Umidità, Ceneri) A parità di altre condizioni: Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,.. Il potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneri 21

23 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio H2O (umidità) ceneri Umidità Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) L umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico) E una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l ambiente L umidità varia in maniera consistente in f (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio) In laboratorio si determina l umidità: Sul tal quale (campione come ricevuto) Sul campione essiccato all aria (in condizioni normalizzate) 22

24 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Umidità - Osservazioni L umidità influenza negativamente: potere calorifico, prestazioni in impianto costi di trasporto, costi di essiccamento L umidità superficiale dipende dalla pezzatura Influisce negativamente sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) sui trasportatori meccanici È un parametro del valore energetico/commerciale della biomassa e può influire sul prezzo 23

25 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Variazione del Potere Calorifico con l umidità Campione di segatura PCI (MJ/Kg) umidità (%) 0 campione come ricevuto campione essiccato all'aria campione secco 0 PCI (MJ/kg) umidità (%) Sperimentazione SSC (2003) Collaborazione con TC VVV Tirano 24

26 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Andamento generale del Potere Calorifico con l umidità PCI (MJ/Kg) Umidità (%) 25

27 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Umidità - Osservazioni Efficienza di combustione e umidità Si osserva un calo dell efficienza di combustione all aumentare dell umidità. La concentrazione massima di acqua che consente l utilizzo della biomassa come combustibile è di circa il 65-68%. Oltre questo limite, il calore richiesto per l evaporazione dell acqua è superiore all energia intrinseca del combustibile: la combustione non si sostiene se non fornendo energia dall esterno. Dati sperimentali indicano una efficienza massima di combustione per un contenuto di umidità attorno al 5% ~: l acqua eserciterebbe un azione moderatrice nella combustione creando condizioni più favorevoli al trasferimento di calore rispetto al brusco passaggio in presenza di legno molto secco. 26

28 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio H2O (umidità) ceneri ceneri Frazione combustibile (C, H, O, N,S,Cl,...) Per ceneri si intende il materiale inorganico che rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate >quantità ceneri: Le ceneri influenzano negativamente: potere calorifico, prestazioni in impianto < frazione combustibile, quindi < potere calorifico > quantità di materiale solido da smaltire (costi) > formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni) > fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl) 27

29 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile (C,H,N,S,Cl,..) CONTENUTO ceneri mediamente più basso (tenori molto elevati per alcune particolari specie, ad es. lolla di riso) ceneri biomassa Rispetto al carbone CARATTERISTICHE maggiore alcalinità metalli alcalini > SLAGGING >FOULING scorie su scambiatori, refrattari,... < efficienza processo La propensione delle ceneri di scorificare in impianto: condizioni operative, fattori impiantistici,..; composizione delle ceneri; comportamento alla fusione. Prove di laboratorio > Quantità fly ash nel flue gas (depositi, emissioni) 28

30 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Ceneri: Comportamento alla fusione Fusione Ceneri da carbone sudafricano (1979, Archivio Storico SSC) T C Fusione Ceneri da impianto - cippato di legno (2004, SSC) T C

31 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio T fusione ceneri e contenuto in metalli basici (biomasse legnose) metalli basici (mg/kg) T fusione ceneri ( C) cippato scort. cippato secco segatura cippato verde cippato cippato ramaglie metalli basici T fusione ceneri ( C) Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano 30

32 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Metalli in biomasse legnose (dati espressi come ossidi) 8000 Na2O mg/kg K2O CaO MgO P2O5 SiO2 0 Al2O3 cippato scort. cippato secco cippato verde segatura cippato cippato ramaglie Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano 31

33 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio ceneri e umidità: Importanza sulla redditività impianto Dati specifici calcolati sulla filiera da 10 MWe Indice di Redditività = profitto o perdita dell operazione di investimento per unità di investimento Elab.dati da: Impianti a biomassa per la produzione di energia elettrica CTI dicembre

34 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Confronto biomasse carbone ANALISI ELEMENTARE e PCI - Range di valori (B) biomasse vegetali (C) Carbone C B C B B MJ/kg 20 C B C min ossigeno max idrogeno carbonio PCI Dati medi di letteratura 33

35 Caratterizzazione per macrocostituenti L Ossigeno è presente nei macrocostituenti della biomassa olocellulosa cellulosa emicellulosa lignina Legno: Range: 22-29% ~ Diagramma ternario C-H-O 34

36 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Analisi immediata (proximate analysis) H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile Sostanze Volatili (SV) + Carbonio Fisso (CF) Umidità Sostanze Volatili Carbonio Fisso Contenuto informativo: comportamento termico 35

37 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio H2O (umidità) ceneri Frazione Combustibile Sostanze Volatili (SV) + Carbonio Fisso (CF) SOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSO SV = frazione di combustibile che si sviluppa sotto forma gassosa La prova normalizzata di laboratorio consente di differenziare la frazione del combustibile che brucia in forma gassosa (SV) da quella che brucia sotto forma solida ( carbonio fisso ) Le SV sono la parte più reattiva del combustibile Si liberano nelle prime fasi del riscaldamento (pirolisi/devolatilizzazione) Influenzano accensione, stabilità e temperatura della fiamma Confronto col carbone SV (biomasse) > SV (carbone) ~ 70% energia biomassa è contenuta nelle SV (contro il 30-40% carbone) Nella pirolisi: > resa di conversione della biomassa in metano (migliori caratteristiche per la pirolisi) Carbonio Fisso (biomassa) = contiene più ossigeno; è più poroso e reattivo (diverse T letto e fiamma) 36

38 Monitoraggio Sostanze Volatili con tecniche avanzate: TG-FTIR Campione di biomassa legnosa Riscaldamento in aria Riscaldamento in azoto Intensità Intensità CH4 Sperimentazione SSC (2004) Stazione sperimentale per i Combustibili T. Zerlia - G. Pinelli 37

39 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Potere calorifico ~ 17.3 MJ/kg Struttura cellulosa Potere calorifico ~ 26.6 MJ/kg Struttura lignina (aromaticità) Gruppi ossigenati chimicamente diversi 38

40 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Confronto biomasse carbone ANALISI IMMEDIATA - Range di valori (B) biomasse vegetali (C) Carbone B B C C 20 C B C B 0 umidità volatili ceneri C fisso min max Dati medi di letteratura 39

41 Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio Riepilogo Proprietà medie biomasse vegetali/carbone Riferimento: database analisi SSC 400 campioni di carboni fossili, 70 cippati, 40 sanse 100 Analisi immediata 100 Analisi elementare carbone cippato sansa carbone cippato sansa C fisso Volatili Ceneri Umidità C H N S O 40

42 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Caratteristiche FISICHE 41

43 Densità Kg/m3 Caratteristiche FISICHE massa volumica (bulk density) Massa/Volume apparente Range Paglia ~ (sfusa) Kg/m3 ~ (imballata) Kg/m3 Biom. Legnose ~ Kg/m3 (in funzione della pezzatura) Pellet ~ Kg/m3 Per una data biomassa la densità dipende da forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi) umidità porosità Densità energetica MJ/m3 Energia/volume apparente = PCI x densità 42

44 Caratteristiche FISICHE Principali Caratteristiche dimensionali dei prodotti commerciali biomassa Dimensione tipica (mm) brichette Diam > 25 pellet Diam < 25 polverino < 1 segatura 1-5 cippato 5-50 Legno in pezzi, legno intero > 50 Balle di paglia Fascine, corteccia, semi e granella, gusci, noccioli, fibre, m3 Varia 43

45 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Evoluzione qualità dei prodotti commerciali: densificazione 44

46 Evoluzione qualità prodotti: densificazione Densificazione (compattazione) della materia prima: aumento densità vantaggi Aumento densità energetica Migliore trasportabilità (minori costi) Materia prima potenziale: Residui agroforestali, Scarti di lavorazione legno (segatura, ), Altri residui non trattatati (gusci,...) Altro Prodotti commerciali Mattoncini (bricchette) Pellet 45

47 Evoluzione qualità prodotti: pellet PELLET vantaggi Materiale omogeneo Alta densità energetica migliore regolazione della combustione, migliore controllo delle emissioni impianti più semplici e automatizzabili Comodità di impiego CTI Energia Ambiente. Progetto Fuoco - Verona 19 marzo 2004 Mercato del pellet in forte crescita (piccola utenza e impianti di combustione) Leader (UE): Svezia Austria Germania Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatori aspetti tecnici, economici, ambientali 46

48 Evoluzione qualità prodotti: qualità pellet Raccomandazione CTI R-04/5 aprile 2004 Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa Accordo tra produttori e utilizzatori Caratteristiche pellet Origine Diametro (D) Lunghezza (L) Umidità Ceneri Durabilità meccanica Polveri Agenti leganti Zolfo Azoto Cloro Massa volumica apparente P.C.I. t.q. Lista dei metodi normalizzati per determinare i parametri indicati nelle caratteristiche metodi esistenti e Progetti di norma in fase di elaborazione a livello europeo (pren) Parametri aggiuntivi As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn V, Zn Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P,Ti Disponibile sul sito CTI 47

49 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Tipologia biomasse analizzate 48

50 Tipologia biomasse analizzate (SSC) (denominazione da parte committenti) BIOMASSA CIPPATO DI LEGNO SANSA SANSA ESAUSTA SEGATURA CENERI DI BIOMASSA CENERI LEGGERE DI BIOMASSA CENERI PESANTI DI BIOMASSA MISCELA BIOMASSE SANSA DI OLIVA OSSO DI VINACCIOLO LOLLA DI RISO VINACCIA MAIS VINACCIOLI BUCCE DI UVA BUCCE DI ARANCIA OLIVE NOCCIOLO DI SANSA BAGASSA SCORZE DI AGRUMI ESAUSTE SCARTI DI LEGNO E CORTECCE RESIDUI LAVORAZ. GRANO POLPE ESAUSTE PELLET DI LEGNA PELLET DI BUCCE DI GIRASOLE PASTICCIO DI AGRUMI GRASPI AMIDO DI MAIS CARBONE DI GUSCI DI PALMA CARBONE VEGETALE DA PIROLISI FANGHI FARINA DI GERME DI MAIS FARINA DI SOIA TUTOLI HUMUS GUSCIO DI NOCE DI PALMA SCARTI LAVORAZ. CAFFE SCARTI LAVORAZ. BISCOTTI SCADUTI RISO RESIDUI CANNA DA ZUCCHERO RASPI DI UVA RAMAGLIE POTATURA DI ULIVO POLVERE DI TABACCO OSSO DI SANSA OLIO DI VINACCIOLO MISCELA DI FANGHI E CORTECCE MISCELA DI FANGHI E CORTECCE MISCELA DI FANGHI LETTIERA DI FUNGAIA TABACCO SEMI DI PALMA LAVORAZIONE DI LIQUIRIZIA FARINA VEGETALE FARINA DI GIRASOLE FARINA DI CARNE CORTECCE CARBONELLA DI BIOMASSA CELLULOSA 49

51 Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione Metodi normalizzati 50

52 Metodi normalizzati (situazione in progress aggiornamento al maggio 2004) Parametro CAMPIONAMENTO E RIDUZIONE CAMPIONE Principale metodo attualmente utilizzato UNI Metodo unificato in preparazione (CEN/TC 335 "Solid Biofuels") Draft prcen/ts Draft prcen/ts Draft prcen/ts Draft prcen/ts UMIDITA' UNI ASTM D 5142 Final Draft prcen/ts Final Draft prcen/ts Final Draft prcen/ts SOSTANZE VOLATILI ASTM D 5142 WI MASSA VOLUMICA ISO DIN WI WI CENERI UNI ASTM D 5142 Final draft prcen/ts FUSIONE CENERI DIN WI CARBONIO, IDROGENO, AZOTO ASTM D 5373 WI OSSIGENO per calcolo WI CLORO, ZOLFO U WI POTERE CALORIFICO UNI ASTM D 5865 WI MACRO ELEMENTI (Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na, Ti) MICRO ELEMENTI (As, Cd, Co, Cr, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V, Zn) ASTM D 6349 ASTM D 6357 WI WI

53 Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti Slides

54 Struttura degli argomenti allegati 1 Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti (3-55) Processi meccanici/chimico-fisici e biochimici (alimentazioni processi prodotti) - meccanici/chimico-fisici: estrazione oli (filiera biodiesel) - biochimici: fermentazione alcolica (filiera bioetanolo) digestione anaerobica (biogas) - stato avanzamento tecnologie Processi termochimici (alimentazioni processi prodotti) - pirolisi -gassificazione - combustione diretta - co-combustione - stato avanzamento tecnologie 53

55 Principali Processi di trasformazione della biomassa Biomassa Parametri selettivi: Lignina/cellulosa; C/N; Umidità Piante e residui oleaginosi Piante e residui zuccherini e amidacei Piante e residui ligno-cellulosici Residui putrescibili, reflui animali Meccanici/ Chimico-Fisici Estrazione oli Fermentazione alcolica Biochimici Digestione anaerobica Termochimici Combustione Pirolisi Gassificazione 54

56 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI 55

57 Principali Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI MATERIA PRIMA Piante e residui oleaginosi estrazione PRODOTTO BIODIESEL Colture dedicate Oleaginose: Colza Girasole Soia Scelta materia prima: utilizzo profilo di composizione degli acidi grassi presenti Impieghi principali Uso autotrazione Uso riscaldamento 56

58 Estrazione oli: Filiera biodiesel Coltivazione semi trasporto Estrazione olio Raccolta MetOH/EtOH produzione biodiesel transesterificazione Bio-olio Trattamenti meccanici Riscaldamento Spremitura (pressione/ solventi) Raffinazione Motori diesel/ riscaldamento Prodotti Olio esterificato ~30% p/p colza glicerina Scarti di lavorazione (farina di spremitura~40%) Bilancio energetico 1 t metilestere colza PCI=37.7 GJ/t Ciclo colturale GJ Raffinazione 8-11 GJ Esterificazione GJ Fonte ENEA Rapporto Energia e Ambiente Le fonti rinnovabili 57

59 Principali Processi Meccanici-Chimico/Fisici: SPECIFICHE BIODIESEL EN Heating fuels Fatty acid methyl esters (FAME) Requirements and test methods (2003) EN Automotive fuels - Fatty acid methyl esters (FAME) for diesel engines Requirements and test methods (2003) Biodiesel - Produzione e capacità in Europa 2002 Fonte: eubionet.vtt.fi 58

60 Principali Processi Biochimici Piante e residui zuccherini e amidacei Residui fermentescibili, reflui animali Biochimici Fermentazione alcolica: BIOETANOLO Digestione anaerobica: BIOGAS 59

61 Principali Processi Biochimici Fermentazione alcolica: BIOETANOLO 60

62 Principali Processi biochimici: la filiera bioetanolo Colture zuccherine pretrattamento Canna da zucchero Barbabietole Sorgo zuccherino REFORMING (H 2 fuel cell) fermentazione distillazione BIOETANOLO Pretrattamento idrolisi Colture amidacee Substrati amidacei Substrati lignocellulosici ETBE CARBURANTI 61

63 Principali Processi Biochimici Digestione anaerobica: BIOGAS 62

64 Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica Digestione anaerobica trasformazione di materiale organico ad opera di microrganismi in assenza di ossigeno - Richiede ambiente povero di ossigeno - Avviene anche spontaneamente - É favorito in ambiente chiuso - C/N biomassa ~ umidità > 50% discarica Calore e/o elettricità BIOGAS purificazione CH 4 autotrazione digestori anaerobici rete gas 63

65 Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica Residui vegetali putrescibili, reflui animali Digestione anaerobica prodotti residuo solido Fertilizzante (fosforo, potassio, azoto mineralizzato) BIOGAS CH4 ~50-70%, CO2 ~30-35% tracce di H2S, NH3 (H2, CO, HC saturi) PCI ~ kcal/nm3 (22-24 MJ/m3) Purificazione - combustibile (calore e/o elettricità) - motori a combustione interna (energia elettrica) liquido chiarificato -riciclato -- zone di lagunaggio per colture energetiche - per la fertirrigazione. 64

66 Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica Concentrazione di metano in campioni dichiarati biogas % metano % metano campione Riferimento: 200 campioni di biogas (Database Analisi SSC) 65

67 Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica Vantaggi AMBIENTALI Recupero biogas = emissioni gas serra evitate potere riscaldante CH 4 21 volte CO 2 (orizzonte 100 anni) Delibera CIPE - RIDUZIONE DELLE EMISSIONI NAZIONALI DEI GAS SERRA OPZIONI PER ULTERIORI MISURE NAZIONALI DI RIDUZIONI Produzione di energia da Biogas, da rifiuti solidi urbani, da scarti delle lavorazioni agricole ed agroalimentari 0,9-1,9 Mt CO 2 -eq/anno Nota: per le discariche è obbligatorio sistema captazione gas (D.Lgs. n. 36, 13 gennaio 2003) 66

68 Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica Impianti GRTN a biogas EE con cogenerazione Andamento della produzione di energia elettrica da biogas ( ) GWh colture e scarti agro-industriali da deiezioni animali da fanghi da discariche Impianti GRTN a biogas - solo EE GWh colture e scarti agro-industriali da deiezioni animali da fanghi da discariche

69 Principali Processi chimici e biochimici stato avanzamento tecnologia processo tecnologia R&S Estrazione oli (biodiesel) Fermentazione (etanolo) Digestione anaerobica In Fase liquida (materiale secco nel digestore 5-10%) In Fase solida (materiale secco: 30-35% ) Provata Provata Provata (diverse soluz. tecniche) Matura anche tecnol. di depurazione biogas e gas da discarica (da CO2, H2S,..): consente utilizzo del gas separato (CH4) come sostituto del gas naturale Stadio pre-commerciale Leader: Francia e Belgio (Vantaggio rispetto a fase liquida: > velocità di produzione biogas e migliore qualità del compost) Riduzione costi Integrazione filiera Impiego sottoprodotti Riduzione costi Integrazione filiera: successi in Brasile e USA Ridurre costi Scale-up 68

70 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Principali processi Termochimici 69

71 Principali Processi Termochimici Sfruttano l energia chimica del materiale per trasformarla in Calore e/o energia elettrica, bioprodotti solidi-liquidi-gassosi Principali Parametri caratterizzanti Comportamento termico del materiale Mezzo di reazione 70

72 Principali Processi Termochimici BIOMASSA Piante e residui ligno-cellulosici Termochimici Aria in eccesso Aria in difetto Assenza di aria Combustione Co-combustione Gassificazione Pirolisi Carbonizzazione calore Gas combustibili (H 2 +CO) Liquidi Solidi Gas 71

73 Principali Processi Termochimici Fattori generali che influenzano le reazioni e i prodotti desiderati Comportamento del materiale al riscaldamento Condizioni di riscaldamento Proprietà chimico-fisiche del materiale Tecnologia Condizioni di reazione velocità di riscaldamento, tempo di residenza mezzo di reazione variabili di processo (T,P) 72

74 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Principali processi termochimici: PIROLISI 73

75 Principali Processi Termochimici: PIROLISI PIROLISI = processo di decomposizione termica in assenza di ossigeno Processo Prodotti desiderati Sottoprodotti Pirolisi OLIO Pirolisi-Carbonizzazione SOLIDI (carbone) Liquidi, Solidi, Gas Pirolisi-Gassificazione GAS 74

76 Principali Processi Termochimici: PIROLISI Confronto tra i diversi processi di pirolisi condizioni distribuzione indicativa dei prodotti (%) Temperatura ( C) Tempo di residenza Liquidi Solidi (char) Gas Carbonizzazione ~ Molto lunghi Pirolisi Fast Flash ~ >700 ~sec < sec Pirolisi Gassificazione lunghi

77 Principali Processi Termochimici: PIROLISI PIROLISI VELOCE Tecnica più promettente per produzione LIQUIDI BIO-OLIO (Pyrolysis Oil) PCS:16-19 MJ/kg VANTAGGI: combustibile liquido più facilmente stoccabile e trasportabile (costi di trasporto inferiori) rispetto alla materia prima PROBLEMI Instabilità (prodotto pirolitico) e corrosività S. Czernik - NREL mages/biooil-nrel.pdf 76

78 Principali Processi Termochimici: PIROLISI Olio da Pirolisi (1) Olio Combustibile(2) Acqua (%) < Densità (kg/m 3 ) Carbonio (%) Idrogeno (%) Ossigeno (%) Azoto (%) Zolfo (%) Ceneri (%) 0.1 < Potere Calorifico Superiore (MJ/kg) Bio-olio da (1) Dati di letteratura (2) Database SSC Range di valori su 1500 campioni analizzati ( ) 77

79 Principali Processi Termochimici: PIROLISI Fast pirolisi per produzione liquidi: Stato avanzamento tecnologie Stato avanzamento Problemi tecnici R&S Impianti pilota o dimostrativi Previsione prima dello stadio precommerciale: almeno 5-8 anni per superare barriere tecniche. TECNOLOGIA - Trasferimento calore (Processo endotermico) -Quenching rapido per bloccare la reazione allo stadio voluto PRODOTTO - Instabilità, incompatibilità -Acidità - definizione proprietà e specifiche commerciali - Miglioramento affidabilità e prestazioni tecnologie - scale-up impianti pilota e dimostrativi - Riduzione costi (competizione olio combustibile tradizionale) - individuazione possibilità CHP Miglioramento qualità prodotto Sviluppo metodi di caratterizzazione Definizione di specifiche tecniche in funzione utilizzo (motori e caldaie o per produzione di elettricità e calore). Sviluppi paralleli: USA notevole interesse per produzione di chemicals (es. adesivi e resine per l industria del legno) 78

80 Principali Processi Termochimici: PIROLISI Information on Pyrolysis of Biomass Pyrolysis Network PyNe 15 European Countries and USA 79

81 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE 80

82 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE = processo di ossidazione parziale (ossigeno substechiometrico) Combustibili solidi (Biomassa) PRODOTTO GAS IMPIEGO COMBUSTIBILE Calore e/o Elettricità H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+ Chemicals 81

83 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE Alimentazioni Combustibili fossili Varie tipologie di biomassa, tipicamente: legno e scarti di legno; scarti agricoli; pellet Promettente: uso colture dedicate Condizioni di processo T ~ 1000 C P = f (tecnologia) Variabile di processo più significativa: Gas: Mezzo di gassificazione Aria Ossigeno Vapore o miscele dei 3 Prodotti H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2+, N2 (TAR, gas acidi, NH3, H2O, particolato) Aria (O2/N2) O2 vapore Caratteristiche del gas prodotto PCI * (MJ/Nm3) ~ ~10 ~ * Valori indicativi (materia prima legna) Stazione sperimentale per i Combustibili - Zerlia -G. Pinelli 82

84 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE Composizione media del gas prodotto in funzione del mezzo di gassificazione Aria Ossigeno Vapore CO H Biomassa = C H 1.4 O 0.6 CALORE CH C 2 H CO N PCI (MJ/Nm3) Resa gas (Nm3/kg legno secco) Processo EXO EXO ENDO Valori indicativi: dipendono da alimentazione, tipo di gassificatore, Dati: 83

85 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE Tipi di gassificatori 1. A letto fisso 1. Updraft 2. Downdraft 2. A letto fluido 1. Circolante (CFB) e bollente (BFB) 2. Pressurizzato (PFB) Tipicamente accoppiato a B-IGCC Gassificazione integrata a ciclo combinato 84

86 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE ASPETTI CRITICI : (1) requisiti alimentazione forte influenza variabilità delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche biomassa Alcuni parametri significativi (valori indicativi) morfologiche Proprietà chim.-fis. downdraft GASSIFICATORE letto fisso updraft letto fluido Pezzatura biomassa (mm) Umidita (%) <15-20 <50 <25 Ceneri % (s.s.) <5 <15 <25 T fusione ceneri ( C) v. T esercizio v. T esercizio v. T esercizio Temperatura T ( C) Richiesto pretrattamento (essiccamento e macinazione) Prospettive interessanti: uso di pellet 85

87 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE ASPETTI CRITICI: (2) impurezze gas prodotto Principali impurezze del gas prodotto Tar (idrocarburi pesanti) Particolato (ceneri, char) Impurezze gassose ( H 2 S, HCl, NH 3, HCN ) Richiede trattamenti 86

88 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE ASPETTI CRITICI: (3) Taglia impianti Nel caso biomasse la taglia è vincolata dalla disponibilità materia prima ( 10 MW = taglia grande) Fonte: europa.eu.int/comm/energy/res/publications/doc1/report_p536_v2.pdf 87

89 gassificazione: stato avanzamento tecnologie Tecnologie di gassificazione Tecnologia Stadio dimostrativo o pre-commerciale Solo Updraft commerciale per produzione calore Efficienza di Conversione EE (20-40 %) Aspetto critico: rimozione tar R&S Migliorare flessibilità del sistema rispetto a caratteristiche alimentazione Affidabilità Gas cleanup Tar, NH3, H2O Particolato Costi Opportunità CHP Esperienza più significativa: A VARNAMO (SVEZIA): primo impianto dimostrativo della tecnologia B-IGCC (1993) Produce: 6 MWe + 9 MWth. Gassificatore: letto fluido pressurizzato turbina a gas e turbina a vapore. Efficienza elettrica ~ 33%; Efficienza globale (CHP) ~83%. B-IGCC: tecnologia del futuro per EE 88

90 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE Esperienza Italiana Progetti commerciali THERMIE Energy Farm Project, Cascina (Pisa), 14 MWe - 43 MWth Gassificatore CFB Alimentazione: Pellet (2.5 cm max) di pioppo, castagno, salice e residui vite, residui olive, segatura SAFI, Greve in Chianti, 6.7 MWe 15 MWth Gassificatore CFB Alimentazione: Pellet di RDF da 1.5 cm Turbina vapore (effic: ~ 20%) AMGA Legnano (VA) 1 MWe Fonte: IEA,

91 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE IMPIEGO del gas da gassificazione Calore e/o Elettricità Biomassa Gassificazione GAS H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+ Combustibile Chemicals Prospettiva a lungo...termine: economia all idrogeno IEA/H2/TR-02/001...Biomass has the potential to accelerate the realization of hydrogen as a major fuel of the future. 90

92 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE Utilizzo gas prodotto per CHEMICALS e altri PERCORSI POTENZIALI BIOMASS Cat: Ni, Fe, Cu-Zn Cat: Cu-Zn, Cu-Co HYDROGEN ETHANOL, MIXED ALCOHOLS Cat: Cu-ZnO METHANOL, DME FEED PREP GASIFICATION Cat: Ni SYNGAS Cat: H3PO4, Cr2O3 Cat: Fe Cat: Co/K FTL UPGRADING OLEFINS LPG NAPHTHA KEROSINE/DIESEL LUBES WAXES CLEANUP Cat: Cu-ZnO MeOH Cat: Zeolite GASOLINE Cat: Mixed Bases Na, Ca CaCN OXOCHEMICALS e.g., KETONES AMMONIA Cat: Ni/Mg SNG Cat = Catalytic Conversion Process Combined Cycle Cofiring/Reburn CHP CHP FONTE DOE-NREL: 91

93 Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE INFO Gasifier Inventory The Gasifier Inventory gives an overview of existing biomass gasifier installations and accompanying manufacturers. an independent information service funded by the European Commission Biological Materials for Non-Food Products (Renewable Bioproducts). It includes final results from the Fifth Framework Programme (FP5), FAIR Programme (FP4) and previous programmes, as well as ongoing research from the Fifth and Sixth Framework Programmes (FP5 and FP6 92

94 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA 93

95 Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA COMBUSTIONE = processo di ossidazione che trasforma l energia chimica di un combustibile in energia termica Gas caldi di combustione Calore Recupero energia Energia Elettrica Energia Elettrica + Calore (CHP) 94

96 Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA SCHEMA Legnose C, H, O, N, fraz inorg H2O Vapori e Gas combustibili, H2O Polveri CHAR CO2, H20, N2,O2 NOx, CO, HCl, SOx; particolato EMISSIONI Erbacee C, H, O, N, S, Cl fraz inorg Reazioni < 150 C ~ CALORE Aria primaria calore essiccazione < 600 C ~ Aria primaria Gassific. e pirolisi >800 C ~ Aria secondaria ossidazione ENERGIA CENERI 1 stadio 2 stadio 3 stadio 95

97 Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA Percorso desiderato nella COMBUSTIONE: OSSIDAZIONE COMPLETA Caso ideale COMBUSTIONE COMPLETA Idrocarburo (H,C) O2, calore CO2 + H2O ENERGIA TERMICA 96

98 Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA Caso reale COMBUSTIBILE SOLIDO Biomassa erbacea/legnosa = C, H, O, N, S, Cl,... + fraz. inorganica Aria eccesso (O 2 /N 2 ) calore EMISSIONI GASSOSE CO 2, H 2 O, CO, N 2, O 2, NOx, SOx, HC, particolato Energia termica SOLIDI Ceneri, incombusti Principali Processi in gioco disidratazione, devolatilizzazione/pirolisi, combustione (ossidaz.) Complessità reazioni in gioco (analogamente a pirolisi e gassificazione) trasferimento di massa e di calore reazioni eterogenee solido-gas reazioni omogenee tra gas diffusione dei gas verso l interfaccia solido/gas diffusione di composti gassosi dall interfaccia del solido verso la fase gas 97

99 Principali Tecnologie di combustione tecnologie Letto fisso Forni a griglia Fissa Mobile COMBUSTIONE Letto fluido Bollente (BFB) Ricircolante (CFB) 98

100 Principali Tecnologie di combustione Letto fisso con griglia mobile > Diffusione T ~ C Letto fluido Bollente o ricircolante Letto (combustibile + sabbia) in sospensione con aria primaria forzata dal basso Efficace miscelazione aria/combustibile: > Efficienza < Incombusti Caratteristiche Alimentazione: T ~ 850 C Piccoli eccessi aria < NOx < fumi < dispersione termica Accettano biomassa con Elevata umidità Dimensioni variabili Elevato contenuto di ceneri Biom. legnosa e mix: legno+residui agro industriali (vinacce, graspi, potature,..) Caratteristiche Alimentazione: Ceneri (~ <5 %); T fusione ceneri (K,Na) : vedi T esercizio (problemi con biomassa erbacea) Pezzatura: uniforme (la distribuzione omogenea del combustibile e braci regola la distribuzione di aria primaria) 99

101 Principali Processi termochimici: sintesi stato avanzamento tecnologia Tecnologie di Combustione Tecnologie mature Efficienza di Conversione EE (~ 20 %) Gestione ceneri Gestione Emissioni Condizioni per lo sviluppo commerciale Sito specifiche Garanzia approvvigionamento biomassa (a lungo termine) Buona flessibilità impianti per biomassa diversificata Costo del combustibile Costo Capitale Ricavi da vendita elettricità Individuazione possibilità CHP 100

102 Panorama dei principali processi di conversione e bioprodotti Principali processi termochimici : CO-COMBUSTIONE 101

103 Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE Influenza delle caratteristiche del combustibile sulla tipologia della caldaia Potere calorifico netto, MJ/Kg MODIFICHE Fuel Rank rispetto allo standard consistenti parziali nessuna standard Fonte: BIOMASS CO-FIRING - European Bioenergy Networks (EUBIONET) - VTT Processes

104 Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE Co-combustione = combustione simultanea di differenti combustibili Tipicamente: biomasse (e RSU) con carbone Opzione meno costosa e tecnicamente attuabile sfruttando impianti esistenti (grande taglia > efficienza) Correntemente utilizzata in USA, Finlandia Danimarca Germania Austria Spagna Svezia La % di biomassa nel blend è limitata: residui olive: 10-25%~ biomassa legnosa: 5-10% ~ L efficienza del processo peggiora leggermente Richiede modifiche parziali di progetto (caratteristiche diverse dei combustibili) dal punto di vista delle biomasse risolve una delle maggiori barriere (problemi di approvvigionamento) rappresenta la via più realistica per raddoppiare la produzione UE di energia rinnovabile dal punto di vista del carbone riduce le emissioni globali (e locali) abbassa i costi del combustibile (incentivi) può ridurre le penalizzazioni previste nella produzione di gas serra 103

105 Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE Esempio di potenziale riduzione delle emissioni di CO2 mediante cofiring 104

106 Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE INFO EUROPEAN CO-COMBUSTION OF COAL, BIOMASS AND WASTES - FINAL REPORT Project DIS UK EUROPEAN COMMISSION - DGXVII 105

107 Sistemi per l utilizzo della bioenergia Slides

108 Utilizzo energetico delle biomasse Dai processi di conversione della biomassa all utilizzo finale della bioenergia: calore e/o elettricità) 1 Combustione Fumi caldi 2 Pirolisi Carbonizzazione Gassificazione Digestione anaerobica Estrazione/esterificazione Combustibili liquidi, solidi, gas CALORE ELETTRICITA CHP 107

109 Utilizzo energetico della bioenergia: stufe e caldaie Combustione riscaldamento 1 Stufe Caldaie ~ Turbina a vapore elettricità Taglia Potenza Utilizzo tipico Piccola kwth Riscaldamento domestico CALDAIE Media MWth Civile di tipo collettivo /industriale Media MWth Teleriscaldamento uso civile Grande MWth EE, calore, Cogenerazione 108

110 Utilizzo energetico dei bioprodotti 2 Dalla conversione della biomassa in bioprodotti al loro utilizzo come combustibili Pirolisi Carbonizzazione Gassificazione Digestione anaerobica Combustibili liquidi, solidi, gas CALORE ELETTRICITA CHP Estrazione/esterificazione 109

111 Utilizzo energetico delle biomasse SISTEMI per la produzione di ENERGIA ELETTRICA - CALORE - CHP Tecnologia Microturbine Potenza (MW) EE CHP Fuel cell M otori alternativi Motori alternativi Turbine a gas Turbine a vapore Cicli combinati >5 Turbine a vapore T G B-IG CC Turbine a gas rendimento % Valori indicativi Valori indicativi 110

112 Utilizzo energetico delle biomasse COGENERAZIONE (CHP) = produzione combinata e simultanea di energia elettrica e termica dalla stessa fonte energetica Forte spinta a livello europeo e nazionale - Risoluzione del Consiglio del 18 dicembre 1997 concernente una strategia comunitaria per promuovere la produzione combinata di calore e di elettricità - LIBRO BIANCO per la valorizzazione energetica delle Fonti Rinnovabili VANTAGGI CHP Incremento sensibile del rendimento globale del processo A parità di energia prodotta, il sistema cogenerativo risparmia circa il 40% di biomassa primaria = Risparmio energetico = Emissioni evitate per unità di energia prodotta Impiego nel teleriscaldamento/teleraffrescamento Nel caso di biomassa disponibile sul territorio: uso razionale dei bacini di raccolta (prevenzione incendi, diminuzione dei rischi idrogeologici). 111

113 Utilizzo energetico delle biomasse Scenario energetico italiano 2002: generazione elettrica e cogenerazione Solo Generazione elettrica (GWh) Cogenerazione (GWh) RSU Colture/Scarti Biogas discariche Biogas - altro (1) - RSU Colture/Scarti Biogas discariche Biogas - altro (1) Nota : (1) da fanghi, da deiezioni animali e da colture e scarti agro-alimentari Fonte GRTN 112

114 Utilizzo energetico delle biomasse Impatto Ambientale: aspetti essenziali 113

115 La filiera: utilizzo energetico e impatto ambientale Emissioni Approvvigionamento Coltivazione Raccolta Pretrattamento Trasporto Alimentazione Caratterizzazione Pretrattamento Stoccaggio Bioenergia Conversione Bioprodotti Ceneri DECOLLO FILIERA Ottimizzare bilancio energetico/ambientale 114

116 La filiera: segmento emissioni Parametri termotecnici Portata fumi Temperatura fumi Ossigeno nei fumi Approvvigionamento Coltivazione Pretrattamento Trasporto Raccolta Emissioni Alimentazione Caratterizzazione Pretrattamento Stoccaggio Bioenergia Conversione Bioprodotti Segmento emissioni Controllo e verifica dei sistemi di monitoraggio in continuo (DM ) Esperienza SSC Parametri analitici Anidride carbonica Monossido di carbonio Ossidi di azoto (NO e NO2) Anidride solforosa Contenuto di umidità Numero di Bacharach Composti carbonilici specifici Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA) Composti organici volatili Particolato totale PM 2.5 e PM10 Ceneri 115

117 La filiera: segmento ceneri Segmento ceneri Emissioni Approvvigionamento Coltivazione Pretrattamento Trasporto Raccolta Alimentazione Caratterizzazione Pretrattamento Stoccaggio Ceneri Bioenergia Conversione Bioprodotti Ceneri di biomasse da impianti di generazione elettrica Stima indicativa della QUANTITA di ceneri residue/potenza di generazione Potenza impianti produz. EE biomasse Tonnellate Ceneri/anno Italia MW Italia MW DESTINAZIONE smaltimento/riutilizzo Base presunta= ~ t ceneri/mw 116

118 La filiera: segmento ceneri Ceneri da biomassa DESTINAZIONE Smaltimento in discarica Costo ~4-5 cent /kg Riutilizzo/Riciclo (DM 05/02/98) Cementifici/laterizi Compost Fertilizzanti Recuperi ambientali Carattezzazione ceneri = f (utilizzo) 117

119 La filiera: segmento ceneri uso agronomico Riutilizzo sul suolo: FERTILIZZANTE Ripristino parziale del materiale nutriente asportato con il prelievo biomassa Caratteristiche rilevanti delle ceneri Macro e micro nutrienti (Ca, K, P, Mg, Na,...) Composti / elementi di rilevanza ambientale carenza di dati sistematici a livello nazionale Valutazione della fattibilita tecnico-economica dell utilizzo delle ceneri da combustione di biomassa per la distribuzione agronomica su suoli agricoli o forestali (Progetto BIOCEN, Regione Lombardia - DG Agricoltura) SSC collabora con CTI e altri soggetti coinvolti INDAGINE SPERIMENTALE condotta su 5 impianti alimentati a biomassa legnosa: Campionamenti a frequenza settimanale Caratterizzazione biomassa e ceneri (SSC) Determinazione di 21 elementi in biomassa, in ceneri da sottogriglia e in ceneri leggere (SSC) 118

120 Importanza e sinergie nel rapporto biomasse-territorio Slides

121 Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia Ottimizzazione della filiera nel suo complesso Ridurre costi Massimizzare benefici Condizioni al contorno Localizzazione biomasse sul territorio L Ottimizzazione della filiera è legata a fattori sito-specifici Richiede specifica analisi territoriale 120

122 Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia Ottimizzazione dei segmenti approvvigionamento Raccolta/Pretrattamento Trasporto Stoccaggio/Pretrattamento Utilizzo (conversione energetica) Emissioni Energia Residui 121

123 Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia Prima barriera da superare: sicurezza approvvigionamento approvvigionamento Sicurezza Disponibilità e regolarità materia prima Stagionalità Diversificazione fonti disponibili sul territorio: bosco/ residui agroalimentari/ residui industria legno/ pellet/ colture dedicate (fattori climatici e pedologici locali) Ottimizzazione: MIX Costi approvvigionamento Fattori di rischio competizione con combustibili tradizionali competizione con usi diversi materia prima 122

124 Ottimizzazione dei segmenti filiera: riduzione costi Segmenti filiera Interventi sito specifici Raccolta/Pretrattamento Trasporto Meccanizzazione operazioni di raccolta Pretrattamento: es. sminuzzamento prima del trasporto (aumento densità) Creazione di infrastrutture di accesso (strade, piste, ecc.) per migliorare accessibilità agli addetti, alle macchine e alle attrezzature = aumento produttività = riduzione costi trasporto Stoccaggio/pre post trattamenti Utilizzo (conversione energetica) Ottimizzazione in funzione capacità impianto, caratteristiche e tempi di rifornimento materia prima (stagionalità), degrado biomassa (fermentazione). Costo terreno, opere consolidamento, copertura,.. Dispositivi per pre- o post-trattamenti (essicazione, densificazione materia prima) Aumento efficienza energetica = Riduzione costi e emissioni evitate Cogenerazione (EE+calore); Opportunità locali di teleriscaldamento/teleraffrescamento 123

125 Ottimizzazione dei segmenti filiera: massimizzare benefici Sviluppo armonico della filiera: positive ricadute sul territorio Riconversione, diversificazione e integrazione fonti di reddito nel settore agricolo (terreni set-side per coltivazioni non-food) Creazione opportunità occupazionali Riforestazione di terreni marginali (controllo erosione e dissesto idrogeologico) e contrasto dei fenomeni di spopolamento e di degrado Razionalizzazione cure colturali boschive (prevenzione incendi) Valorizzazione economica dei sottoprodotti e residui organici Risparmio costi depurazione e smaltimento dei residui agroindustriali e industriali Ruolo essenziale di regioni e enti locali per conseguire obiettivi significativi di diffusione Sviluppo del potenziale locale e di innovazione mediante la promozione/incentivazione/divulgazione di progetti specifici in materia di ricercainnovazione rispondenti alle esigenze locali coinvolgendo imprenditori agricoli, industriali e popolazione locale. 124