Dispensa N. 10 Energia da Biomasse
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1 UNIVERSITA' DEGLI STUDI DI NAPOLI FEDERICO II Dispensa N. 10 Energia da Biomasse Corso di Gestione delle Risorse Energetiche A.A. 2011/2012 D.E.TE.C - Dipartimento di Energetica, TErmofluidodinamica applicata e Condizionamenti ambientali
2 Definizioni Biomassa (vegetale) = qualunque sostanza organica, non fossile, generata con il contributo dell energia solare attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana. Biomassa (in generale): qualsiasi sostanza organica non fossile, di origine sia vegetale che animale, come ad esempio: legno e derivati; sottoprodotti e scarti dell agricoltura e dell industria agro-alimentare; frazione organica dei Rifiuti Urbani e industriali; deiezioni animali. Formalmente (Direttiva Europea 2001/77/CE => D. Lgs. 387/03 e 28/2011): 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. Per l energia elettrica da RU, attualmente viene considerata biodegradabile una quota forfetaria pari al 51% (Decreto MSE 18 dicembre art. 19, comma 2).
3 Le biomasse come fonte di energia La biomassa vegetale - e, indirettamente, quella di origine animale - possono considerarsi un sofisticato sistema di accumulo dell energia solare: le piante utilizzano la luce per convertire la CO 2 sostanze nutritive, in materia organica; atmosferica, insieme ad altre l energia solare viene così immagazzinata nella materia, sotto forma di energia chimica; per ottenere il rilascio di tale energia, è necessario rompere, mediante combustione o altro processo chimico-fisico, i legami complessi tra atomi di carbonio, ossigeno ed idrogeno caratteristici delle sostanze organiche. Fonte: ISES
4 Principali vantaggi: Le biomasse come fonte di energia Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa tonnellate di carbonio all anno => contenuto energetico dell ordine di Mtep (circa 7 volte il fabbisogno energetico mondiale). Energia potenzialmente ricavabile (dalla sola biomassa di origine forestale ed agricola) TJ/anno (7% ca. del fabbisogno energetico mondiale). possono considerarsi una fonte rinnovabile (se utilizzate ad un ritmo inferiore a quello di rigenerazione naturale della risorsa) rappresentano una risorsa distribuita (anche se a bassa densità) il loro impiego non dà contributo diretto all emissione di gas serra (v. diapositive successive) Principali inconvenienti: il loro impiego, in generale, non è esente da implicazioni ambientali: in particolare, la loro combustione diretta comporta emissioni ricche di sostanze nocive (NOx, IPA, CO, particolato e ceneri), per cui è necessario prevedere una depurazione accurata dei fumi; nel caso delle biomasse di origine agricola e forestale, l utilizzo non controllato può avere effetti perversi, quali la competizione con l impiego alimentare e la deforestazione
5 Le biomasse e l effetto serra L uso delle biomasse per fini energetici non provoca contributo diretto all effetto serra: nel caso delle biomasse di origine vegetale, la CO 2 rilasciata durante la decomposizione, anche se la stessa avviene a seguito di processi combustione, è equivalente a quella assorbita durante la loro crescita; nel caso di biomasse di origine animale, di norma, l uso energetico comporta addirittura una riduzione delle emissioni di gas serra che si sarebbero comunque determinate nella decomposizione spontanea (v. esempi sul biogas) In un approccio Life Cycle Analysis (LCA), vanno ovviamente considerati i consumi energetici e le emissioni legati alla produzione e al trasporto delle biomasse, per cui il fattore di emissione LCA (in tonnellate di CO 2 /MWh) è variablie a seconda delle modalità con cui viene ottenuta la biomassa e delle distanze tra il sito di origine e quello di utilizzo.
6 N.B.: i valori minimi si riferiscono al caso di raccolta pienamente sostenibile. Le biomasse e l effetto serra
7 Le biomasse e l effetto serra L uso delle biomasse è dunque particolarmente virtuoso quando: si utilizzano residui e scarti (nel qual caso, l impiego energetico rappresenta anche una soluzione per lo smaltimento); si produce appositamente la biomassa (ex: colture energetiche, Short Rotation Forestry - SRF, ovvero coltivazione di specie ad alto contenuto energetico e rapida crescita, come i pioppi); si estrae materiale legnoso dai boschi secondo criteri adeguati (es. potature, estrazione di materiale legnoso in eccesso per riduzione del rischio di autoincendi, altre tecniche di disboscamento per protezione antincendio, etc.).
8 Le biomasse: classificazione Nelle applicazioni energetiche si possono distinguere 6 categorie principali di biomassa: residui agricoli; residui forestali; residui zootecnici; scarti delle industrie di trasformazione; biomasse da colture energetiche (energy crops); frazione organica dei rifiuti urbani (solidi e liquidi). Un ulteriore criterio di classificazione è lo stato fisico della biomassa: biomasse solide (ligno-cellulosiche, frazione organica dei RU,..) biomasse liquide (oli vegetali puri o modificati chimicamente) biomasse gassose (biogas)
9 Le principali biomasse per usi energetici COMBUSTIBILI SOLIDI COMBUSTIBILI LIQUIDI Cippato Legna Biodiesel Bioetanolo Briquette e pellet Energy crops Olio vegetale puro COMBUSTIBILI GASSOSI Biogas Fonte: Associazione Italiana Energie Agroforestali
10 Le biomasse: processi di trasformazione o o o Processi termochimici: la biomassa viene trasformata in combustibile o direttamente in energia termica, mediante la sola azione del calore: combustione diretta (biomasse ligno-cellulosiche); gassificazione o pirolisi (biomasse legnose, RU o altre biomasse solide): carbonizzazione (meno diffusa). Processi biologici: la biomassa viene trasformata in combustibile attraverso l azione di enzimi, funghi e micro-organismi che si formano nella biomassa stessa, in particolari condizioni: digestione anaerobica (ex.: rifiuti urbani, reflui zootecnici) o aeorbica; fermentazione alcolica di piante amidacee o zuccherine (ex.: bioetanolo additivo per benzine da piante amidacee o zuccherine). Processi chimico-fisici: la biomassa, dopo un primo trattamento fisico (spremitura di sostanze oleaginose) viene trasformata in combustibile attraverso opportune reazioni chimiche: esterificazione di oli ottenuti da piante oleaginose => produzione di biodiesel; utilizzo diretto di oli vegetali non modificati chimicamente (olio di colza, palma, Jatropha..)
11 Le biomasse: processi di trasformazione C/N = rapporto carbonio/azoto (C/N > 30) (C/N < 30) (piante oleaginose, C/N > 30) oli vegetali puri
12 Fonte: Cocco DIMECA Tecnologie delle energie rinnovabili Principali filiere produttive
13 Fonte: ITABIA Principali filiere produttive: combustibili solidi
14 Fonte: E. Moretti Fonti energetiche rinnovabili Principali biocombustibili
15 PCI dei principali combustibili ligno-cellulosici
16 Fonte: E. Moretti Fonti energetiche rinnovabili Principali coltivazioni (clima Italiano)
17 Producibilità e PCI di alcune specie vegetali Frazione di Producibilità (t/anno per ettaro) quale sostanza secca PCI PCI (s.s.) nel tal (kcal/kg_s.s.) (kcal/kg) 1 anno 5 anni 10 anni Sorgo Kenaf Miscantus Arundo Donax Topinambur Ginestra Robinia Pioppo Salice Paglia Stocchi di mais Stocchi di girasole Potature di vite 1, Sansa Lolla PCI w PCS d (1-U%/100) h ev (U%/100) U% = contenuto % di umidità 2450 kj/kg = 0,68 kwh/kg = 0,59 kcal/kg
18 PCI e costi dei principali combustibili ligno-cellulosici N.B.: costi riferiti ad acquisti all ingrosso (quintali); i costi al dettaglio possono essere sensibilmente superiori
19 Composizione elementare di alcune biomasse ligno-cellulosiche N.B.: elevati valori del contenuto di ceneri determinano una diminuzione del PCI, un aumento dei costi di smaltimento delle ceneri e maggiori problemi legati a incrostazioni, corrosioni ed erosioni nella caldaia
20 Si usano per i materiali con rapporto C/N maggiore di 30, contenuto di umidità non superiore al 30 35%, PCI superiore a 2,5 3,0 MJ/kg ( kcal/kg). Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono quindi: la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, etc.); I processi termochimici i sottoprodotti agricoli di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui potatura della vite e dei fruttiferi, residui di piante da fibra tessile, etc.); scarti di lavorazione dell agricoltura e dell industria agro-alimentare gusci, noccioli, sansa, etc.). di (lolla, I processi termochimici (in particolare, combustione e gassificazione) sono operativamente più flessibili di quelli biochimici, essendo più idonei ad un funzionamento discontinuo.
21 Processi termochimici: combustione diretta Consiste nell ossidazione del carbonio e dell idrogeno contenuti nella biomassa. I prodotti utilizzabili sono, essenzialmente: legname, in tutte le sue forme; paglie di cereali; residui di raccolta di legumi secchi; residui di piante oleaginose (ricino, catramo, etc.); residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, etc.); residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali; residui dell industria agro alimentare. La combustione avviene in caldaie, che possono essere, fondamentalmente: a letto fisso (forni a griglia fissa o mobile); a letto fluido (combustione su un letto di sabbia o altro inerte, mantenuto in sospensione, con il combustibile, mediante aria insufflata dal basso).
22 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico Fonte: Associazione Italiana Energie agroforestali
23 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico Fonte: Associazione Italiana Energie agroforestali
24 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico Fonte: Associazione Italiana Energie agroforestali
25 Combustione diretta, caldaie per uso domestico Caldaia con bruciatore tipo Stoker (alimentazione combustibile e rimozione ceneri continue) Modello Arimax Bio Stoker
26 Caldaia con bruciatore tipo Stoker (alimentazione combustibile e rimozione ceneri continue) Modello Arimax Bio Stoker Combustione diretta, caldaie per uso domestico
27 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico
28 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico, costi Costo specifico ( /kw) Caldaie tradizionali Caldaie a legna o cippato Caldaie a pellets Potenza termica (kw)
29 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico, esempi di calcolo di redditività CE = E T x [c u,gn /(PCI GN x η SR ) c u,biomassa / /(PCI biomassa x η SP ) ] E T = P T x H eq SPB = I CE = PCI c u,gn GN η SR - I/P c PCI T u,biomassa biomassa η SR Heq Costo dell'energia termica ( /MWh) c u,et = c u,comb /(PCIxη) 0 Gas naturale Gasolio GPL Legna Cippato Pellet
30 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico, esempi di calcolo di redditività Esempio: caldaia condominiale a pellet in sostituzione di caldaia a gas naturale, a parità di rendimento (η = 0,90) Dati: Pt = 100 kw Et = kwh/anno (N.B.: clima rigido!) Extra-costo caldaia, IVA inclusa = c u,gn = 0,70 /m 3, PCI = 9,6 kwh/m3 c u,biomassa = 0,18 /kg, PCI = 4,9 kwh/kg maggiori costi gestione e manutenzione 0,5% dell extra-investimento 300 /anno Risultati: Consumo GN = m 3 /anno => costo e/anno Consumo pellet = kg/anno => costo /anno Risparmio sul combustibile /anno (49%) Risparmio al netto degli extra-costi di manutenzione /anno Recupero del capitale (in assenza di incentivazioni) 13 anni Recupero del capitale (con detrazioni fiscali al 55%) 6 anni
31 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Combustori a letto fisso (forni a griglia) Rappresentano la tecnologia di riferimento. Studiati appositamente per la combustione di biomasse, dotati di griglie fisse, a barre mobili, a scosse, a rotative o a catena. Finalità: realizzare una totale combustione del materiale immesso, garantendo con il sistema "griglia-camera di combustione" la massima riduzione delle scorie non inerti e degli inquinanti gassosi (NOx, CO, CO 2 ). La griglia può essere fissa (sistemi utilizzati per piccole taglie) o mobile (a nastro, a barre vibranti, a griglie mobili inclinate, a tamburo rotante, etc.). Vantaggi Semplicità Flessibilità nella scelta del combustibile Inconvenienti Efficienza modesta Emissioni elevate (incombusti )
32 Processi termochimici: combustione diretta Caldaie a letto fisso: griglia mobile inclinata Idonee per molti tipi di biomassa: corteccia umida, chips, segatura (griglia raffreddata con l aria primaria); combustibili secchi (griglia raffreddata a d acqua) Necessità di controllo della frequenza di vibrazione (sistemi a infrarossi che controllano l altezza del materiale sulla griglia ) per evitare combustione parziale Necessità di controllo accurato del flusso delle ceneri e facilità nella formazione di ceneri volatili (per le vibrazioni) Combustibili ad alto PCI (biomasse a bassa umidità) o sistemi con aria preriscaldata: maggiore tempo di residenza di gas incombusti sul letto => minori emissioni (in particolare NOx); possibile trasporto di ceneri nei gas (necessità di progettazione accurata dei flussi nel forno) Combustibili a basso PCI (segatura, cippato, coteccia umida): i gas caldi passano sulla biomassa umida possibile aumento incombusti (necessario buon mix con aria secondaria)
33 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Caldaie a letto fisso (griglia mobile inclinata)
34 Processi termochimici: combustione diretta Caldaie a letto fisso: griglia mobile orizzontale (barre inclinate) Rispetto a quelli a griglia inclinata: riduzione del rischio di movimenti non desiderati della carica riduzione dell ingombro verticale Svantaggi: richiedono precarica all avviamento possono favorire la formazione di scorie di grandi dimensioni (soprattuto per paglia, scarti legnosi,.)
35 Processi termochimici Combustione diretta: forni a letto fisso Altri esempi di caldaie: griglia mobile rotante (tamburo) e griglia a nastro Vantaggi: condizioni di combustione uniformi buon mix aria-combustibile (rendimento di combustione elevato) Limiti: necessità di arresto periodico per rimozione agglomerati di cenere Vantaggi: condizioni di combustione uniformi (chips, pellets) riduzione emissioni semplicità di manutenzione Limiti: maggiore quantità di aria primaria (maggiore produzione di NOx => necessità di controllo a valle) tempi di combustione più lunghi
36 Processi termochimici Combustione diretta: forni a letto fisso, scelta del sistema di rafreddamento
37 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Impianti di combustione a letto fluido La combustione avviene in camere con pareti refrattarie, riempite di inerte (sabbia, allumina) fluidificato dall aria primaria insufflata dal basso, ed in cui il combustibile si trova in sospensione. Sistema particolarmente efficace per la totale combustione di biomasse eterogenee per forma e per tipologia, con basse emissioni (buona miscelazione aria-combustibile) Vantaggi Alta efficienza Pochi incombusti Inconvenienti Impianto più costoso, minore affidabilità Necessità di pretrattamenti (pezzatura ridotta)
38 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Caldaie a letto fluido Principali vantaggi: flessibilità rispetto al tipo di combustibile elevata efficienza e basse emissioni (miscelazione aria-combustibile, basso eccesso d aria) Principali inconvenienti: rigidità rispetto alla pezzatura (< 40 mm per CFC, < 80 mm per BFB) necessità di reintegro del materiale del letto (si perde in parte nelle ceneri) alto contento di polveri nei fumi (necessità di precipitatori a valle, pulizia frequente della caldaia) lunghi tempi di avviamento ( fluidizzazione del letto) sistemi idonei solo all impiego su larga scala
39 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Letto fluido bollente Letto fluido circolante
40 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni, combustore a griglia
41 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Impianto a biomassa legnosa da 46 MWe con caldaia a letto fluido circolante, η netto 28% Hoppers chips 1 Fossa Fossa Sistema di alimentazione Biomassa Caldaia 1 Vapore surriscaldato Alternatore Turbina Condensatore Torre Raffr. Gasolio spillamenti Fossa Fossa Hoppers chips 2 Silo Silo Caldaia 2 Degasatore By pass B B B Bilancia su nastro Aria Acqua alimento Pompe alimento (N. 4 ) Riscaldatore B.P. 2 Riscaldatore B.P. 1 Pompe estrazione condensato (N. 3 )
42 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Separatore A ciclone Schema di una delle caldaie a letto fluido circolante fumi Camera di combustione Canale convettivo vapore surriscaldato (alla Turbina) Pareti di tubi membranati (evaporatore) Spiess valve Seal pot gasolio biomassa SH ECO Riscaldatore aria-fumi Preriscaldatore Aria-vapore Ventilatore aria primaria Ventilatore aria secondaria Al camino FBHE EVA aria secondaria ceneri leggere acqua alimento Ventilatore aspirante Soffiante ceneri aria primaria
43 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Descrizione sintetica della caldaia (1) Il combustore è costituito dalla camera di combustione (riser o colonna veloce), dal sistema di separazione dei solidi trascinati (ciclone), da un condotto di ricircolo dei solidi stessi e da un dispositivo per la loro riammissione nel riser. Nella camera di combustione si possono individuare due sezioni distinte: una inferiore che porta al fondo il sistema di distribuzione dell aria ed una superiore più estesa. Combustibile (biomassa) e sabbia sono alimentati nel riser dove è mantenuta una temperatura intorno a 850 C. L aria introdotta al fondo della camera di combustione costituisce la corrente di aria primaria, quella alimentata ad un livello superiore costituisce la corrente di aria secondaria. Questo frazionamento dell aria determina una fase densa al fondo del riser ed una più diluita nella sezione a valle dell immissione dell aria secondaria. Le particelle solide trascinate sono separate dal gas caldo nel ciclone e sono poi reimmesse al fondo della camera di combustione mediante un sifone (seal pot). Una valvola (spiess valve) consente di deviare parte dei solidi circolanti in uno scambiatore esterno di calore (FBHE, Fluidized Bed Heat Exchanger).
44 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Descrizione sintetica della caldaia (2) L aria di fluidizzazione dell FBHE e del seal pot è fornita da due soffianti. L aria comburente è dapprima preriscaldata da riscaldatori aria-vapore e successivamente i ventilatori dell aria primaria e secondaria la immettono nel combustore alla temperatura desiderata, attraverso un riscaldatore aria-fumi, rispettivamente nel distributore dell aria primaria, posto sul fondo della camera di combustione, e negli ugelli di iniezione dell aria secondaria e ai bruciatori a gasolio. La caldaia è a corpo cilindrico a circolazione naturale. Gli evaporatori sono costituiti dalle pareti di tubi della camera di combustione, del ciclone, del seal pot e dell FBHE. Nell FBHE vi è un ulteriore evaporatore (EVA) costituito da uno scambiatore immerso nel letto fluido. I gas in uscita dal ciclone attraversano il canale convettivo ove sono posti i surriscaldatori (SH), con attemperamento intermedio per il controllo della temperatura del vapore, e gli economizzatori (ECO).
45 Esempi di impianti per la combustione diretta Schema unifilare semplificato Punto di consegna alla rete pubblica a 150 kv Cont UTF Punto di consegna della dalla rete pubblica a 20 kv Cont Enel bidirezionale Emergenza Cont UTF 6,6 kv Cippatore Servizi Ausiliari 6,3 kv Cont UTF 11 kv G Siemens, 60 MVA M M M Pompe Alimento 0,4 kv 0,69 kv Cont UTF Cont UTF G Diesel Autoconsumi Gruppo Elettrogeno soggetti 0,5 MVA Servizi di Emergenza
46 Esempi di impianti per la combustione diretta Piazzale stoccaggio biomassa Vasca di carico (fossa)
47 Esempi di impianti per la combustione diretta Sili e nastro trasporto dalla fossa
48 Esempi di impianti per la combustione diretta Degasatore Torre raffr. Caldaia e nastro di carico biomassa Caldaia, ciclo e torre raffreddamento
49 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Impianto a CDR da 12 MWe con combustore a griglia, η netto 25%
50 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Impianto a CDR da 12 MWe con combustore a griglia, η netto 25% Dati medi di esercizio: t/anno di CDR (PCI = MJ/kg) m3/anno di gas naturale MWh/anno di energia elettrica
51 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni per la produz. di energia elettrica Impianto a CDR da 12 MWe con combustore a griglia, η netto 25% Schema a blocchi del processo Schema a blocchi del processo di trattamento fumi
52 Processi termochimici: la gassificazione Trasformazione della biomassa in una miscela combustibile gassosa (H 2, CO, ) attraverso parziale ossidazione ad elevata temperatura (oltre C) in carenza di ossigeno (10 30% in meno della quantità stechiometrica). L agente gassificante può essere: aria (PCI modesto: 4 7 MJ/Mm 3 ) ossigeno (PCI MJ/Mm 3 ) vapore d acqua (PCI ancora superiore, fino a MJ/Nm 3 ) Il gas prodotto può essere utilizzato in caldaia o (previo trattamento) in motori endotermici (alternativi a con turbogas). Ad esempio, da 100 kg di tutoli di mais (al 15% di umidità) con quantitativi d aria nell ordine di 2,5 kg per kg di combustibile tal quale, è possibile ottenere 250 m 3 di gas con PCI pari a circa 4,5 MJ/m 3.
53 Processi termochimici: la gassificazione Produzione di gas povero da gassificazione di alcune biomasse vegetali
54 Processi termochimici: la gassificazione Principali limiti: PCI medio/basso (costi elevati di immagazzinamento e trasporto) elevato tasso di impurità (polveri, catrami, metalli pesanti, ) nel gas prodotto Alcuni degli inconvenienti della gassificazione possono essere superati trasformando il gas povero ottenuto in alcool metilico (CH 3 OH) o meglio effettuando la sintesi di metanolo (CH 3 OH), che può servire come combustibile liquido (PCI > 20 MJ/kg). Difficoltà tecniche per la sintesi del metanolo: è necessaria la realizzazione di un gasogeno che fornisca una miscela gassosa appropriata alla sintesi del metanolo; per l uso del metanolo nell autotrazione sarebbe indispensabile modificare i motori ed aumentare la capacità dei serbatoi.
55 Un esempio di impianto per la gassificazione della legna kg/h di legna (1.200 kw primari) - P e = 300 kw - P t = 600 kw - η e = 25%
56 Processi termochimici: la pirolisi Tecnica per ottenere, a partire dalla biomassa, frazioni gassose, liquide e solide, mediante un riscaldamento a temperature di C, in completa assenza d aria (vuoto o atmosfera inerte; al più può essere presente una ridotta quantità di ossigeno => gassifiazione parziale). Si producono contemporaneamente combustibili gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione: la frazione gassosa è composta da H 2, CO, CO 2, N 2 e idrocarburi a basso peso molecolare, il PCI è di 8,0 13 MJ/Nm kcal/nm 3 ; la frazione liquida è costituita da oli e altri prodotti chimici di base, il PCI è di MJ/m kcal/m 3 ; il residuo solido carbonioso ha caratteristiche dipendenti dai materiali di partenza. E un processo endotermico, quindi è sempre necessario apporto di calore dall esterno.
57 Il processo di pirolisi è promettente, specie se biomassa trasformata è costituita prevalentemente da prodotti legnosi, soprattutto quando si possono usare tutti i suoi prodotti. Ad esempio, riscaldando 1 kg di legna al 15% di umidità (18 MJ/kg) a 600 C, si ottengono: 0,18 m 3 di gas (7,2 MJ/Nm 3 ); 0,3 kg di carbone (31 MJ/kg); Processi termochimici: la pirolisi 0,5 kg tra catrami e liquidi (miscele di acqua ed idrocarburi, 1,0 MJ/kg). Tuttavia, se la pirolisi del legno secco fornisce una resa in combustibile del 73%, tale resa si riduce drasticamente con materiali meno pregiati: ad ex., nel caso dei RU le rese sono troppo modeste. Il maggior problema è dunque la qualità dei prodotti della pirolisi, non ancora adeguata alle applicazioni, sia con turbine a gas sia con motori diesel. In prospettiva, sono promettenti, per l uso degli oli pirolitici: cicli combinati, in impianti di grande taglia; motori a ciclo diesel, in impianti di piccola potenzialità.
58 Processi termochimici: la carbonizzazione E un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), mediante l eliminazione dell acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle carbonaie, all aperto, o in storte, che offrono una maggior resa in carbone. La trasformazione è condotta in carenza di ossigeno a temperature di C. Il prodotto finale della trasformazione ha migliori caratteristiche rispetto al prodotto iniziale (granulometria uniforme, facilità di trasporto e stoccaggio). Sono anche importanti gli impieghi extra energetici (ex.: carboni attivi) A 400 C il processo è esotermico (1,1 MJ/kg) e consente di conservare il 30-50% dell energia contenuta nel materiale di partenza. La tecnologia tradizionale di produzione consiste nel ricoprire una catasta di legna con uno strato di terra e nel bruciarne una parte per innescare il processo. Operando in questo modo, da 5 7 kg di legna si ottiene 1 kg di prodotto finale (caratteristiche: 75-80% di C, PCI pari a MJ/kg, ovvero kcal/kg).
59 Processi termochimici: la carbonizzazione Se, con l uso di tecnologie appropriate, si recuperano anche i gas combustibili che si formano durante la trasformazione, il rendimento può superare l 80%. Sebbene, in ambito nazionale, non siano presenti impianti di concezione moderna e le poche realizzazioni esistenti si possano ritenere sperimentali, il carbone vegetale è da ritenersi interessante perché permette di : ridurre i costi di trasporto e di immagazzinamento; utilizzare caldaie con elevato grado di affidabilità (simile a quello delle caldaie a combustibili fossili liquidi); migliorare la qualità del processo di combustione; produrre un combustibile liquido costituito da 60% di polvere di carbone, 20% di olio fossile e 20% di acqua.
60 I processi biochimici Si usano per le biomasse in cui il rapporto tra il contenuto di Carbonio ed il contenuto di Azoto (rapporto C/N) è inferiore a 30 e l'umidità alla raccolta è superiore al 30%, ovvero, tipicamente: colture acquatiche; alcuni sottoprodotti agricoli (foglie e steli di barbabietola, patate, etc.); reflui zootecnici; alcuni scarti di lavorazione (borlande*, acqua di vegetazione, ecc.); frazione organica dei Rifiuti Urbani solidi e liquidi (biogas di discarica, fanghi di depurazione delle acque nere). I processi sono caratterizzati da lunghi transitori di avviamento: conseguentemente, sono operativamente ed economicamente efficienti quando si ha una certa continuità di approvvigionamento => problemi di densità territoriale e trasporto delle risorse. * Residuo della distillazione di mosti alcolici fermentati: patate, cereali, melassa, etc.
61 Principali filiere produttive: biogas
62 Processi biochimici: la digestione anaerobica E un processo che avviene in assenza di ossigeno, consistente nella demolizione, ad opera di micro-organismi (enzimi e batteri), di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale. Si ha la formazione di composti organici ed inorganici semplici e la produzione di un gas (biogas) costituito per il 40-80% da metano e per la restante parte soprattutto da CO 2. Il PCI è dell'ordine di MJ/Nm 3, essenzialmente in funzione della frazione di metano presente (a sua volta legata alla composizione della biomassa). Il biogas prodotto può essere utilizzato in loco o compresso ed immagazzinato per il successivo impiego in veicoli a gas (motori a combustione interna) o caldaie a gas per produrre calore e/o energia elettrica. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante residui ad alto contenuto di umidità (> 80%), quali deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari e frazione organica dei RU.
63 Processi biochimici: digestione anaerobica Il processo di digestione anaerobica si sviluppa in tre stadi principali: idrolisi: rottura dei polimeri, delle proteine e dei lipidi presenti; acidificazione: formazione di acidi volatili,anidride carbonica ed idrogeno; metanizzazione dei prodotti derivanti dal secondo stadio. Si distinguono: digestione a umido (substrato con sostanza secca < 10%) e a secco (sostanza secca > 20%) mesofila ( 35 C, giorni), termofila ( 50 C, giorni) e psicrofila ( 15 C, >30 90 giorni) La massima quantità di biogas che può essere ottenuta dalla degradazione della sostanza organica contenuta nei reflui zootecnici è legata a numerosi fattori: temperatura, PH, solidi totali e volatili tipologia impiantistica tempo di ritenzione idraulica, ovvero al periodo di permanenza effettiva del materiale nel digestore.
64 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Produzione annua di letame in un allevamento: con: P = Peso vivo medio (kg) M = P D D = produzione media di letame [(kg/giorno)/kg pv ] pv Principali caratteristiche: ST = Solidi Totali (frazione residua dopo l essiccazione), in % di M SV = Solidi Volatili, in % di ST COD = richiesta chimica di ossigeno (quantità necessaria per l ossidazione completa in due ore), in % di ST produzione di biogas nel processo di digestione anaerobica, per unità di COD (valori tipici 0,50 0,55 Nm 3 /kg COD) oppure di SV (valori tra 0,20 e 0,50 Nm 3 /kg di SV)
65 Digestione anaerobica di reflui zootecnici La produzione reale di biogas è sensibilmente inferiore a quella teorica, a causa di: perdite di COD al pozzetto centrale di raccolta dei reflui a causa dei ristagni nelle fognature ( 10%) perdite dovute al pretrattamento dei liquami necessario a rimuovere le parti più grossolane ( 10 15%) perdite del 20-40% dovute all effettiva biodegradabilità dei liquami ( 20 40%) perdite dovute ai rendimenti intrinseci dei digestori ( 10 20%). Resa effettiva variabile tra il 35% ed il 70% di quella teorica.
66 Digestione anaerobica di reflui zootecnici e altre biomasse Specie Deiezioni (D) (ST) (SV) COD Produz. teorica di biogas (PCI 18 MJ/Nm 3 = kcal/nm 3 ) Produz. effettiva di biogas (PCI 18 MJ/Nm 3 = kcal/nm 3 ) (kg/giorno)/(t pv ) %D %ST %ST (Nm 3 /giorno)/t pv (Nm 3 /giorno)/t pv Bovini ,6 3,8 1,4 1,6 Suini ,2 2,2 0,9 1,3 Le rese possono essere incrementate mediante l aggiunta di sub-strati di tipo vegetale (di norma scarti agricoli e forestali oppure FORSU) Valori di resa per altre biomasse: siero di latte: 0,35 0,80 Nm 3 /giorno /kg sv scarti alimentari: 0,50 0,60 Nm 3 /giorno /kg sv Costi tipici degli impianti per la produzione di energia elettrica: /kwe complessivi (40% gruppo di generazione, 60% digestore ed opere connesse)
67 Digestione anaerobica di reflui zootecnici e altre biomasse
68 Digestione anaerobica di reflui zootecnici e altre biomasse Fonte:
69 Digestione anaerobica di rifiuti della zootecnia: esempi Miscelando reflui zootecnici e scarti agroindustriali oppure biomasse da colture dedicate si rende più stabile il processo, compensando anche eventuali fluttuazioni stagionali nella disponibilità dei diversi prodotti; le biomasse solide vanno preventivamente sminuzzate per facilitare la fase di omogeneizzazione. Fonte: Astrim Vademecum Biogas
70 Digestione anaerobica di rifiuti della zootecnia: esempi
71 Digestione anaerobica di rifiuti della zootecnia: esempi Tipici componenti di un Impianto a Biogas da 1MW: N. 01 container alimentatore 100 mc N. 01 idropulper di miscelazione N. 02 digestori primari Ø 21 m H 6 m N. 02 digestori secondari Ø 24 m H 6 m N. 01 platea stoccaggio biomassa mq N. 01 platea stoccaggio digestato solido mq N. 02 vasche stoccaggio digestato liquido Ø 32 m H 6 m N. 01 locale tecnico N. 01 cabina elettrica N.01 gruppo di cogenerazione 1000 kw Fonte: Astrim Vademecum Biogas
72 Digestione anaerobica di RU (biogas di discarica): un esempio Discarica di Masseria del Pozzo Giugliano in Campania (NA) 20 ha, circa di t di RU abbancati tra il 1995 d il 2002 SCHIAVI MASSERIA DEL POZZO MASSERIA DEL POZZO A MPLIA MENTO
73 Produzione di biogas secondo cinetica del primo ordine: 2C + 2H O CH + CO C Vɺ Q gas biogas Biogas 2 Biogas di discarica: un esempio dc dt K ( ϑ) C f ( 0,014 t + 0,28 ) [ 1 exp( Kcϑ )] org 4 2 ( ϑ) 1,868 C f ( 0,014 t + 0,28) [ 1 exp( Kcϑ )] org ( 0,014 t + 0,28 ) [ K exp ( K ) ] ( ϑ ) 1,868 C f Kcϑϑ org Frazione di rifiuto t 1/2 (anni) f c c C Residui alimentari 1 0,8 Verde urbano 3-5 0,7 Carta ,2 Tessili e Cuoio ,5 Legno ,5 K c ln 2 t 1 2
74 Biogas di discarica: un esempio Q (m c/anno) Produzione e captazione di biogas previste V tot prodotto (40 anni, 50% di efficienza rispetto al processo teorico) mc V tot captabile (40 anni) mc Anni
75 Biogas di discarica: un esempio Produzione e captazione di biogas previste V (mc/h) Massimo utilizzo nei MA installati Anni
76 Biogas di discarica: un esempio Sistema di captazione n pozzi: 206 n stazioni di regolazione: 12 n turboaspiranti: 5 potenza turboaspiranti: 5 45 kw depressione applicata: 2200 mbar portata: 5 ( ) Nm 3 /h portata torce di emergenza: Nm 3 /h Testa di pozzo HDPE Ø160 PN10 Palina di identificazione del pozzo Disco di tenuta Fascetta Tubazione cieca HDPE Ø160 PN10 Manicotto di giunzione Telo in HDPE spess. min. 0,3mm Argilla Argilla Bentonite Argilla Strato drenante in ghiaia 10/20 mm Elemento per centratura della sonda fessurata Tubazione fessurata HDPE Ø160 PN10 Calotta di fondo
77 Biogas di discarica: un esempio - N. motori: - Pot. el.: - Portata biogas: kw* Nm 3 /h - Rendimento elettrico: - Recupero termico: %* % * Nei primi due anni di esercizio, il rendimento effettivo è stato di circa il 30%, con potenza media di circa 850 kw per gruppo.
78 Biogas di discarica: un esempio Pe (kw) Ee (8 anni) 200 GWh * Ee (20 anni) 350 GWh * Anni * Si considera una disponibilità media dei gruppi di h/anno.
79 Biogas di discarica: un esempio Investimenti complessivi per la bonifica e la messa in sicurezza 15 M Investimento attribuibile alla realizzazione del sistema di produzione di energia 10 M Pay-back del capitale investito nel sistema di recupero di energia 3 anni VAN (10 anni, 5%) 18 M IP (10 anni, 5%) 1,8 Risparmio di energia (in 10 anni, rispetto all ipotesi di combustione in torcia) tep Minori emissioni (in 10 anni, rispetto alla combustione in torcia) t/anno di CO 2 equivalente
80 Processi biochimici: la fermentazione alcolica E un processo di tipo micro-aerofilo, che valorizza il contenuto in carboidrati (zuccheri, amido, cellulosa) dei sottoprodotti delle biomasse vegetali mediante l utilizzo di lieviti, i quali producono, attraverso il catabolismo degli zuccheri semplici in condizione anaerobiche, alcool etilico (o etanolo) e anidride carbonica. Si possono dunque impiegare: i residui agro-forestali (paglie, potature, sarmenti ecc.); i residui agro-industriali (industria lattiero-casearia, olearia, saccarifera ecc.); le colture tipicamente alcooligene come il sorgo zuccherino e la granella, la canna da zucchero e il topinambour in particolare; le eccedenze vinicole e fruttifere.
81 Principali filiere produttive: bioetanolo
82 Processi biochimici: la fermentazione alcolica Il ciclo di produzione è organizzato nelle seguenti fasi: pretrattamento; idrolisi; fermentazione; distillazione; disidratazione. Il prodotto di conversione è una soluzione zuccherina fermentabile ad etanolo, la cui composizione varia con il substrato di partenza. Nella fase di fermentazione alcolica, la sostanza organica viene convertita, in carenza di O 2, da una forma chimica (zucchero monomero) ad un altra (alcool etilico) tramite agenti enzimatici (lieviti, batteri). Nel processo di distillazione, l alcool etilico viene separato dall acqua mediante riscaldamento della soluzione alcolica in colonne di distillazione. Infine, nella fase di disidratazione, l etanolo, per essere utilizzato come combustibile in miscela con la benzina, è portato a raggiungere concentrazioni nell ordine del 95,5 99,7%.
83 Processi biochimici: la fermentazione alcolica L alcool etilico può essere impiegato sostanzialmente come combustibile liquido (PCI pari a circa kcal/l cioè 34 MJ/l) in sostituzione di benzina o gasolio oppure come additivo antidetonante per innalzare il numero di ottani della benzina. In questi casi, l etanolo può essere usato in miscela con altri alcoli (butilico, metilico ecc.) e con eteri. In forma anidra, l etanolo è una materia prima fondamentale per l industria farmaceutica e chimica (produzione di etilene, acetaldeide, acido acetico e altre sostanze). L etanolo è utilizzabile anche nei motori a combustione interna (dual fuel). Il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni è considerato un derivato: ETBE (EtilTertioButilEtere), ottenuto combinando l etanolo con un idrocarburo petrolifero (l isobutene).
84 Processi biochimici: la fermentazione alcolica Rese potenziali di bioetanolo dei sottoprodotti agricoli per ettaro e per anno (considerando l insieme dei sottoprodotti vegetali tecnicamente raccoglibili e non destinati ad altro tipo di utilizzo, ed assumendo: resa di conversione del sottoprodotto in alcool pari a 0,17 in peso 1 hl di alcool = 0,0793 t di alcool
85 Processi biochimici: schema a blocchi del processo di produzione del bioetanolo
86 Processi biochimici: la digestione aerobica Processo che consiste nella metabolizzazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO 2 e H 2 O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto può essere così trasferito all esterno, mediante scambiatori a fluido. In Europa viene utilizzato il processo di digestione aerobica termofila autoriscaldata (Autoheated Termophilic Aerobic Digestion) per il trattamento delle acque di scarico. Più recentemente tale tecnologia si è diffusa anche in Canada e Stati Uniti. Può essere utilizzato per la parte organica dei rifiuti solidi urbani e dei fanghi di depurazione, ottenendo: inerte utilizzabile come materiale di riempimento; compost utilizzabile in agricoltura come ammendante (solo se la frazione organica è raccolta separatamente).
87 Processi biochimici e meccanici: il biodiesel e gli olii vegetali Gli olii vegetali possono essere estratti dalle piante oleaginose (soia, colza, girasole, palma, etc.), con procedimento puramente meccanico (o mediante solventi) Previa filtrazione, gli olii possono essere utilizzati direttamente in caldaie o MA opportunamente predisposti (oli vegetali puri: a rigore, non è un processo biochimico ma termochimico) In alternativa, gli oli possono essere trasformati mediante un processo chimico di esterificazione (metanolo + catalizzatori = > biodiesel da olio di colza, girasole, soia). Il PCI può arrivare a valori molto elevati (36 38 MJ/kg, prossimi ai 42 MJ/kg del gasolio). Il loro utilizzo ha destato ormai da tempo un notevole interesse, per la disponibilità di tecnologie semplici di trasformazione ed utilizzazione Nel caso di conversione a biodiesel, è anche possibile la riutilizzazione dei sottoprodotti di processo (ex.: la glicerina, utilizzata dall industria farmaceutica).
88 Principali filiere produttive: oli vegetali e biodiesel
89 Processi biochimici e meccanici: schema a blocchi della filiera del biodiesel
90 Produzione di energia elettrica da biomassa: alcuni dati economici Costo degli impianti per la produzione di energia elettrica o la cogenerazione: /kw e (per biomasse ligno-cellulosiche, biogas e simili) /kw e (per oli vegetali, biodiesel, ) Costo del combustibile, incluso trasporto (alcuni esempi): biomasse legnose: /t oli vegetali puri: /t biodiesel: 0,80 1,10 /l biogas, RU, scarti: normalmente non hanno alcun costo commerciale, o un costo basso (diritti sfruttamento biogas di discarica); addirittura, in alcuni casi ne è pagato lo smaltimento (rifiuti) Costo energia elettrica (ammortam. + combustibile + manut.) /MWh
91 Fonte: Astrim Vademecum Biogas Esempio: biogas da deiezioni bovine e substrato vegetale, Pe = 1,0 MW
92 Esempio: biogas da deiezioni bovine e substrato vegetale, Pe = 350 kw Fonte:
93 Digestione anaerobica di rifiuti della zootecnia: benefici ambientali dell utilizzo energetico dei liquami Il digestato è concime di origine organica (utilizzabile nei limiti previsti dal D.M. 7 aprile 2006 sui nitrati => 170 kg/ha anno in zona vulnerabile ai nitrati, 340 in zona ordinaria), ma ha lo stesso contenuto di azoto dei reflui utilizzati Tuttavia, gli impianti a biogas possono e essere integrati da sistemi di abbattimento dei nitrati, aumentando la quantità di reflui spandibili sui terreni dell azienda stessa (ad ex., sistemi a strippaggio) Strippaggio per insufflazione d aria: passaggio dell ammoniaca, presente nel liquame in soluzione acquosa, all aria in forma gassosa. Il flusso gassoso così prodotto viene intercettato da un dispositivo (tipicamente uno scrubber) che cattura l ammoniaca presente, per contatto con una soluzione acida, in modo da produrre un sale di ammonio stabile. E richiesta energia termica, recuperabile in presenza di un impianto a biogas (cogenerazione).
94 Esempio: oli vegetali puri, confronto tra oli di importazione (palma) e oli da filiera corta (colza) Caso A - Pe = 200 kw - olio di colza (filiera corta) - PCI = 10,3 kwh/kg - costo = 0,80 /kg - η e = 0,40 - Investimento, I = Costo manutenzione, M = 2,5 /MWhe - Tariffa incentivante = 280 /MWh - Ore di esercizio, H=6.000 h/anno Ee = Pe H = MWh/a Consumo di comb. = Ee/ (PCI η e ) = 291 t/a Caso B - Pe = kw - olio di palma - PCI = 10,1 kwh/kg - costo = 0,75 /kg (molto variabile!) - η e = 0,42 - Investimento, I = Costo manutenzione, M = 1,5 /MWhe - Benefici: * vendita Ee=> 70 /MWh * certif. verdi (Ecv = Ee 1,1) => 90 /MWh - Ore di esercizio, H = h/anno Ee = Pe H = MWh/a Consumo di comb. = Ee/ (PCI η e ) = t/a Ricavi = = 336 k /a Costi = = 236 k /a Margine = = 100 k /a SPB = 4,0 anni IP (15 anni, 5%) = 1,6 Ricavi = (70+90) = 5,06 M /a Costi = 6,19 + 0,05 = 6,24 M /a Margine = 6,24 5,06 = 1,18 M /a SPB = 6,0 anni IP (15 anni, 5%) = 0,75 94
95 Esempio: impianto a CDR (Combustibile Derivato da Rifiuti) IPOTESI Pe = 100 MW Costo dell impianto = 400 M Rendimento netto = 27% Ore equivalenti di funzionamento: h/anno => Ee = MWh/anno PCI medio CDR in ingresso = 18 MJ/kg => capacità di smaltimento = 100/(0,27*18) = 20,5 kg/s = 74 t/h = t/giorno su base annua: t/anno di CDR Costi di gestione e manutenzione = 3% dell investimento => 12 M /anno Costo smaltimento ceneri e scorie (12% del combustibile => t/a) = 180 /t => 13 M /a Incentivazioni: Certificati Verdi sul 51% dell energia prodotta (quota biodegradabile), K = 1,3 Vendita energia = 70 /MWh, vendita C.V. = 80 /MWh Tariffa di conferimento pagata per smaltire il CDR = 60 /t Ricavi da produzione en. el. = (70+0,51 1,3 80) = 92 M /a Ricavi da conferimento = = 33 M /a Costi di gest. e manut. + smaltimento scorie = = 25 M /a Margine = = 100 M /a SPB = 4,0 anni IP (15 anni, 5%) = 1,6 95
96 Le biomasse: prospettive (Italia, produzione di energia el. da biomasse e RU)
97 Le biomasse: prospettive (UE, produzione di energia da F.E.R. in percentuale del consumo finale lordo, anno 2008)
98 Le biomasse: prospettive (UE, produzione di energia el. da F.E.R.)
99 Le biomasse: prospettive (UE, produzione di energia el. da F.E.R.)
100 Il Piano d Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (giugno 2010) 100
101 Il Piano d Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (giugno 2010) 101
Biomasse. La diversità dei materiali impone, comunque, diverse tecniche per ricavare energia elettrica.
Biomasse Il termine biomassa designa ogni sostanza organica di origine vegetale o animale, direttamente o indirettamente provenienti dalla fotosintesi delle piante o da organismi animali, da cui attraverso
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