Le moderne tecnologie di produzione e distribuzione di energia termica ed elettrica negli impianti alimentati a biomassa

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1 Venerdì 11 marzo 2005 Marcena di Rumo Sala pluriuso Luciano Panozzo Le moderne tecnologie di produzione e distribuzione di energia termica ed elettrica negli impianti alimentati a biomassa

2 Argomenti trattati 1. La tecnologia delle caldaie a biomassa 2. Le tecniche delle generazione di energia elettrica 3. I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive 4. La distribuzione dell energia energia termica

3 Il combustibile Le caldaie a biomassa di dimensioni medie e grandi(> 1MW) utilizzano combustibile legnoso a ridotta granulometria, perché: 1. si evita un massiccio utilizzo di idrocarburi per la combustione di supporto; 2. si contengono le emissioni nocive; 3. si possono utilizzare sistemi di caricamento automatici. Negli impianti a biomassa del Trentino Alto Adige è utilizzato quasi esclusivamente cippato di legno vergine, residuo di prima lavorazione di segheria e/o proveniente dalla pulizia del bosco. Il cippato è un prodotto legnoso formato da scaglie della dimensione compresa tra 5 e 50 mm, prodotto per taglio.

4 Caratteristiche energetiche del combustibile Il contenuto energetico del cippato dipende principalmente da due fattori: 1. dalla specie del legno utilizzato quindi dalla quantità di lignina, cellulosa, resina; 2. dall umidità del materiale legnoso. Negli impianti a biomassa si utilizza prevalentemente cippato di conifera (soprattutto abete e larice). Il contenuto di umidità normalmente varia dal 50% del materiale appena tagliato al 15/20% del materiale essicato. Specie Faggio Abete Umidità % Peso kg/mc Contenuto energetico kwh/mc kcal/mc Potere Calorifico Inferiore kwh/kg 3,85 2,17 4,07 2,31 kcal/kg

5 Caratteristiche generatori di calore I generatori di calore a biomassa si distinguono tra loro per 1. modalità di caricamento del combustibile; 2. tecnologia di combustione; 3. vettore termico; 4. modalità di controllo della combustione; 5. taglia (di serie 1 10 MW)

6 Sistemi di estrazione del cippato da silos di caricamento: Piccoli impianti con silos circolari (o quadrati) 1. agitatore a molle di svuotamento con canale da trasporto; 2. Coclea orizzontale ad avanzamento forzato;

7 Sistemi di estrazione da silos di grandi dimensioni Viene montato un sistema di bielle, che trasportano il combustibile con movimenti alternati in avanti e indietro verso il lato frontale del serbatoio. La propulsione avviene tramite cilindri idraulici, alimentati da un gruppo idraulico. L'ulteriore trasporto del materiale di camera di combustione avviene attraverso sistemi di trasporto a coclea o a spintori oleodinamici.

8 Tecnologia di combustione (1) La combustione del cippato può avvenire in caldaie a griglia fissa o mobile. Le caldaie a griglia fissa hanno solitamente potenze inferiori e si adattano peggio al variare delle caratteristiche fisiche (dimensioni e umidità) del cippato; hanno però un costo minore. Le caldaie a griglia mobile consentono l'avanzamento del combustibile mediante griglia mobile inclinata, per un efficace controllo del spessore del letto anche in condizioni di rammolimento e parziale fusione delle ceneri. Il risultato è un ottima combustione e una considerevole decantazione delle polveri dei fumi già in caldaia. La griglia mobile è costruita in modo da non presentare organi di movimento soggetti a rotture o ad usure che impongano interventi di manutenzione. La griglia è divisa in più sezioni dove viene immessa l aria comburente che può quindi essere regolata finemente a tutti i carichi, evitando che a basse potenze parte della sua superficie si scopra e l aria segua vie preferenziali al di fuori del combustibile, penalizzando la miscelazione dei gas e di conseguenza la buona combustione.

9 Tecnologia di combustione (2)

10 Tecnologia di combustione (3)

11 Vettore termico In funzione dell utilizzo dell energia termica (alimentazione diretta rete di teleriscaldamento o produzione di energia elettrica) una caldaia a biomassa opportunamente configurata può utilizzare come vettore termico: acqua calda; vapore; olio diatermico.

12 Sistemi di produzione di energia elettrica da biomassa Le tecnologie consolidate oggi disponibili per produrre energia elettrica a partire dalla biomassa sono: motore a pistoni a vapore; turbogeneratore ORC; turbina a vapore.

13 Motori a vapore (Spilling( Spilling) Sfruttano la tecnologia delle vecchie locomotive a vapore e sono prodotti da una ditta tedesca (Spilling Energie System GmbH Hamburg) Caratteristiche Motore a vapore ad espansione senza olio. Rendimento buono anche ai carichi parziali, ottenuto con controllo volumetrico; Semplicità di conduzione; Campo di pressioni: 6 60 bar; Taglie: kw; N. giri: 750, 900, 1.000, /min;

14 Turbogeneratore ORC (Organic Rankine Cycle) - I Il turbogeneratore ORC è un sistema che permette la produzione contemporanea di energia elettrica e calore sotto forma di acqua calda ad C. L impianto deve essere accoppiato ad una centrale termica ad olio diatermico. Il circuito ad olio diatermico che alimenta il turbogeneratore, raggiunge temperature attorno ai 300 C e riscalda tramite uno scambiatore di calore il vero e proprio fluido di processo, ovvero un olio siliconico. Quest ultimo va ad azionare una turbina che esegue un ciclo Rankine a circuito chiuso. Il ciclo è simile a quello di una convenzionale turbina a vapore, la principale differenza sta nel fluido organico ad alta massa molecolare. Il turbogeneratore ha un rendimento elettrico netto pari a circa il 18-20% e termico del 77-80%, con perdite termiche ed elettriche intorno al 2-3%. Il fluido organico di esercizio è preriscaldato nell evaporatore (scambiatore di calore a fascio tubiero), successivamente, i vapori del fluido espandono nella turbina e poi condensano a diversi livelli di temperatura. Infine la condensa è pompata in ritorno all evaporatore, chiudendo il ciclo termodinamico. Le sorgenti fredde e calde non sono direttamente in contatto né con il fluido di esercizio né con la turbina.

15 Turbogeneratore ORC - II

16 Turbine a vapore - I Esistono varie tipologie di turbine a vapore; quelle più interessanti per le applicazioni negli impianti a biomassa sono: Turbine a condensazione Turbine a contropressione Turbine a derivazione

17 Confronto tra sistemi di generazione - I P.el. 150 MW 120 MW 10 MW Turbine a vapore a derivazione ORC Spilling Tecnologia Turbine a vapore a contropressione Motore alternativo Costo unitario [ /kw el. ] 1.700/ / / / / 900 2,0 MW 1,5 MW 1,0 MW 500 kw 250 kw 25 kw 0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 i.t.

18 Confronto tra sistemi di generazione - II Spilling ORC Turbina a vapore Rendimento elettrico a pieno carico 8-20% 18-20% 15-30% Rendimento termico 70-80% 75-80% 0-60% Rendimento complessivo 90-95% 95-97% 30-90% Range kw kw kw Vantaggi semplicità affidabilità rendimentoelettrico abbastanza costante ai carichi parziali assenza di vapore acqueo, semplificazione tecnologica e burocratica bassa manutenzione trasportabile in container rendimento elettrico costante ai carichi parziali funzionamento automotizzato e controllabile in remoto elevata affidabilità elevata affidabilità di esercizio; elevato numero di ore di utilizzo dell impianto; moderati oneri di manutenzione; Costi di investimento relativamente bassi. Svantaggi altissimo costo d investimento utilizzo di vapore acqueo per la gestione è richiesto personale patentato rendimento condizionato dalla pressione di immissione del vapore alto costo dell investimento necessità di avere una caldaia con circuito ad olio diatermico; smaltimento dell olio diatermico esausto. sensibile riduzione del rendimento ai carichi parziali; impianto complesso; scarsa flessibilità a seguire le variazioni di carico per la gestione è richiesto personale patentato e il presidio dell impianto in continuo; taglie minime molto grandi per impianti di cogenerazione Spesso richiedono caldaie fuori serie

19 Le emissioni nocive Il D.M Norme tecniche per il recupero dei rifiuti non pericolosi ai fini dell'applicazione della procedura semplificata definisce i limiti di emissione per gli impianti alimentati a biomassa vergine. Detti impianti dovranno essere provvisti di: bruciatore pilota a combustibile gassoso o liquido; alimentazione automatica del combustibile; regolazione automatica del rapporto aria/combustibile anche nelle fasi di avviamento; controllo in continuo del monossido di carbonio, dell'ossigeno e della temperatura nell'effluente gassoso (non obbligatorio per gli impianti di potenza termica nominale inferiore a 1 MW). Prodotto Espresso come Unità di misura Media giornaliera nella ½ h Monossido di carbonio (P<1MW) CO mg/nm Monossido di carbonio (P>1MW) CO mg/nm Ossidi di azoto NOx (NO2 e NO) mg/nm Polveri (P<1MW) mg/nm Polveri (P>1MW) mg/nm Sostanze organiche volatili COT mg/nm

20 Le emissioni nocive CO SO2 NOx Polveri COV Gasolio Metano Chips

21 I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive Filtri a multiciclone Sono progettati per la separazione di polveri con granulometria relativamente elevata. La sua classica applicazione è come prefiltro separatore. In tali sistemi si sfrutta un ingresso tangenziale dei fumi ed un uscita assiale in modo che le particelle grossolane, a causa della maggiore inerzia, precipitino lungo le pareti del separatore. I fumi e le particelle a minore granulometria seguono inizialmente una spirale discendente per poi risalire assialmente verso l uscita.

22 I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive Elettrofiltro I filtri elettrostatici sfruttano la possibilità di caricare elettricamente le particelle di polvere o di liquido e raccoglierle successivamente su un elettrodo captatore. Ciò viene ottenuto sottoponendo le particelle ad un campo elettrico ad alta tensione. Le polveri, o le goccioline, depositandosi sull elettrodo di raccolta formano uno strato che diminuisce l intensità del campo elettrico e che pertanto deve essere periodicamente rimosso. La rimozione delle polveri può avvenire per vibrazione (elettrofiltri a secco) o tramite un leggero velo d acqua od altro liquido (elettrofiltri ad umido).

23 Recupero calore attraverso la condensazione

24 Il trasporto dell energia energia termica Lo schema della rete Ad albero: semplice, economico ma più vulnerabile ai guasti; Ad anello: maggiore lunghezza e diametri mediamente maggiori, più costoso, ma offre più sicurezza in caso di guasto; A maglia: sistema molto affidabile ma di difficile gestione in caso di guasto (sezionamento della rete).

25 Le tubazioni Le moderne reti di distribuzione del calore sono composte da coppie di tubazioni in acciaio (mandata e ritorno) opportunamente isolate e protette, già in fase di costruzione. Esse sono posate direttamente nel sottosuolo come le reti idriche o del gas. Per diametri modesti si utilizzano da qualche anno anche condotte in materiale flessibile, disponibile in rotoli di parecchie decine di metri.

26 Le sottocentrali di utenza La sottocentrale di utenza è il dispositivo attraverso il quale l utente preleva l energia termica dalla rete. E costituita da uno scambiatore a piastre, che separa il circuito dell'impianto di teleriscaldamento e il circuito dell'impianto di riscaldamento utente. Le sottocentrali sono generalmente prefabbricate e le loro dimensioni sono contenute; in genere si montano nel preesistente locale caldaia. Ogni sottocentrale è equipaggiata con un misuratore dell'energia ceduta (contatore), una valvola di regolazione e limitazione della portata nel circuito primario, valvole di intercettazione e di sicurezza ed altri accessori di regolazione. La lettura dei contatori e la conseguente fatturazione possono essere completamente computerizzate.

27 Incentivi agli impianti a biomasse Credito di imposta (sull energia termica venduta) Credito di imposta (sulla potenza allacciata) Titoli di efficienza energetica Certificati Verdi Contributi provinciali

28 Considerazioni finali In questa presentazione è stato mostrato come cogenerare con le biomasse comporti elevati costi di investimento nell impianto. Grazie al finanziamento dei Certificati Verdi risulta comunque conveniente produrre energia elettrica. La nuova legge Marzano (L. n.239/04) estende il beneficio dei CV anche agli impianti di cogenerazione alimentati a gas metano. Il comma 71 dell art.1 dice che hanno diritto alla emissione dei certificati verdi [ ] l'energia prodotta da impianti di cogenerazione abbinati al teleriscaldamento, limitatamente alla quota di energia termica effettivamente utilizzata per il teleriscaldamento. La legge non è ancora attuativa, ma dal momento in cui saranno pubblicate le norme di attuazione risulterà indispensabile valutare anche la convenienza economica di produrre energia elettrica attraverso un cogeneratore a gas metano o a gasolio.