Energia da biomasse 1

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1 Energia da biomasse 1

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 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. così immagazzinata nella materia, sotto forma di energia Fonte: ISES

4 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). Principali vantaggi: 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: Le biomasse come fonte di energia 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 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

18 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

19 I processi termochimici 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 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.

20 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).

21 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico Fonte: Associazione Italiana Energie agroforestali

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 Combustione diretta, caldaie per uso domestico Caldaia con bruciatore tipo Stoker (alimentazione combustibile e rimozione ceneri continue) Modello Arimax Bio Stoker

25 Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico

26 Costo specifico ( /kw) Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico, costi Caldaie tradizionali Caldaie a legna o cippato Caldaie a pellets Potenza termica (kw)

27 Costo dell'energia termica ( /MWh) Processi termochimici: combustione diretta, caldaie per uso domestico, esempi di calcolo di redditività D CE = E T x [c u,gn /(PCI GN x e GN ) c u,biomassa / /(PCI biomassa x e biomassa ) ] E T = P T x H eq SP B = I D CE c u,et = c u,comb /(PCIxe ) Gas naturale Gasolio GPL Legna Cippato Pellet

28 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 (e = 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

29 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 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Efficienza modesta Emissioni elevate (incombusti )

30 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 secondaria) buon mix con aria

31 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Caldaie a letto fisso (griglia mobile inclinata)

32 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,.)

33 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 (chips, pellets) riduzione emissioni semplicità di manutenzione Limiti: maggiore quantità di aria (maggiore produzione di necessità di controllo a valle) tempi di combustione più lunghi uniformi primaria NOx =>

34 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)

35 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

36 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni Letto fluido bollente Letto fluido circolante

37 Processi termochimici: combustione diretta, impianti di medie e grandi dimensioni, combustore a griglia

38 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.

39 Processi termochimici: la gassificazione Produzione di gas povero da gassificazione di alcune biomasse vegetali

40 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.

41 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 - e = 25%

42 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.

43 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); 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; Processi termochimici: la pirolisi motori a ciclo diesel, in impianti di piccola potenzialità.

44 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).

45 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.

46 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.

47 Principali filiere produttive: biogas

48 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.

49 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.

50 Digestione anaerobica di reflui zootecnici Produzione annua di letame in un allevamento: M = P D con: P = Peso vivo medio (kg) D = produzione media di letame [(kg/giorno)/kg 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)

51 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.

52 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)

53 Digestione anaerobica di reflui zootecnici e altre biomasse

54 Digestione anaerobica di reflui zootecnici e altre biomasse Fonte:

55 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

56 Digestione anaerobica di rifiuti della zootecnia: esempi

57 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

58 Produzione di biogas secondo cinetica del primo ordine: Biogas di discarica: un esempio Q CH4 = L 0 *M*k*e -k*(t-x) Q CH4 : quantità di metano generato per anno (Nm 3 /anno) L 0 : quantità di metano potenzialmente generabile (Nm 3 CH 4 /t) M: quantità di rifiuti in discarica (t) k: costante cinetica di generazione del metano (anno -1 ) x: anno in cui i rifiuti sono conferiti t: intervallo di tempo che intercorre dall anno di inizio della coltivazione della discarica all anno corrente (t x) la variabile temporale è rappresentata dal termine t-x che individua gli anni nei quali il rifiuto è stato conferito. Il biogas, che si forma dal processo di degradazione della componente organica dei rifiuti, viene intercettato da più pozzi di estrazione, omogeneamente distribuiti su tutta l'area della discarica, e avviato alla combustione in appositi motori a gas a combustione interna.

59 Q (mc/anno) Biogas di discarica: un esempio 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

60 Pe (kw) Biogas di discarica: un esempio Ee (8 anni) 200 GWh * Ee (20 anni) 350 GWh * Anni * Si considera una disponibilità media dei gruppi di h/anno.

61 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.

62 Principali filiere produttive: bioetanolo

63 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%.

64 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).

65 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

66 Processi biochimici: schema a blocchi del processo di produzione del bioetanolo

67 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).

68 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).

69 Principali filiere produttive: oli vegetali e biodiesel

70 Processi biochimici e meccanici: schema a blocchi della filiera del biodiesel

71 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 /kw e (per oli vegetali, biodiesel, ) e simili) 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

72 Fonte: Astrim Vademecum Biogas Esempio: biogas da deiezioni bovine e substrato vegetale, Pe = 1,0 MW

73 Esempio: biogas da deiezioni bovine e substrato vegetale, Pe = 350 kw Fonte:

74 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).

75 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 - 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 e ) = 291 t/a Caso B - Pe = kw - olio di palma - PCI = 10,1 kwh/kg - costo = 0,75 /kg (molto variabile!) - 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 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

76 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

77 Le biomasse: prospettive (Italia, produzione di energia el. da biomasse e RU)

78 Il Piano d Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (giugno 2010) Il National Renewable Energy Action Plan (NREAP) è il documento programmatico che gli Stati membri UE hanno predisposto ai sensi della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili. L adozione da parte di tutti gli Stati membri di uno specifico modello garantisce la completezza e la comparabilità delle informazioni contenute nei diversi piani nazionali. L Italia ha trasmesso il proprio Piano di Azione Nazionale per le energie rinnovabili (PAN) alla Commissione Europea nel luglio Il Piano illustra le strategie individuate per lo sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili e disegna le principali linee d azione per ciascuna area di intervento (Elettricità, Riscaldamento - Raffreddamento e Trasporti). Ai due obiettivi vincolanti di consumo di energia da fonti rinnovabili fissati per l Italia dalla direttiva 2009/28/CE (17% e 10% dei consumi finali lordi di energia coperti da fonti rinnovabili rispettivamente sui consumi energetici complessivi e sui consumi del settore Trasporti), il PAN ne aggiunge altri due, non vincolanti, per il settore Elettrico e per il settore Termico (rispettivamente 26,4% e 17,1% dei consumi coperti da FER).

79 Il Piano d Azione Nazionale per le Energie Rinnovabili (giugno 2010) Il PAN individua le misure - economiche, non economiche, di supporto e di cooperazione internazionale - necessarie per raggiungere gli obiettivi. Esso prevede inoltre l adozione di alcune misure trasversali, quali lo snellimento dei procedimenti autorizzativi, lo sviluppo delle reti di trasmissione e distribuzione, l introduzione di specifiche tecniche per gli impianti, la certificazione degli installatori, criteri di sostenibilità per i biocarburanti e i bioliquidi e misure di cooperazione internazionale. La direttiva 2009/28/CE prevede, inoltre, che ogni due anni tutti gli Stati Membri trasmettano una relazione (Progress Report) predisposta seguendo un preciso schema pubblicato dalla Commissione Europea. Tali documenti devono consentire il monitoraggio del grado di raggiungimento degli obiettivi relativi alle fonti rinnovabili al 2020 e l individuazione degli eventuali scostamenti rispetto a quanto previsto nei Piani di azione nazionali. L'Italia ha inviato alla Commissione Europea il primo Progress Report nel dicembre 2011 e il secondoprogress Report nel dicembre 2013; l invio del terzo è previsto entro la fine del 2015.

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