Ing. Giulia Armezzani Corso Fonti Rinnovabili di Energia a.a. 2014/2015 Università degli Studi di Roma Tor Vergata

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1 Ing. Giulia Armezzani 1

2 La biomassa La definizione di biomassa ai sensi del DLgs 28/2011 recante Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE. L'art. 2, lettera e), definisce la biomassa come la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. La definizione include una vastissima gamma di materiali, vergini o residui di lavorazioni agricole e industriali, che si possono presentare in diversi stati fisici, con un ampio spettro di poteri calorifici. Le soluzioni impiantistiche variano per tipo di biomasse, tecnologia utilizzata e prodotto finale (solo energia elettrica, combinata con produzione di calore, solo energia termica).

3 La biomassa La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell energia solare. Tramite l energia solare le piante riescono a convertire la CO 2 atmosferica in materia organica, attraverso il processo di fotosintesi (Ciclo del Carbonio). In questo modo vengono fissate complessivamente circa tonnellate di carbonio all anno, con un contenuto energetico dell ordine di Mtep. La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente trasformandoli in combustibili solidi, liquidi o gassosi.

4 Classificazione delle biomasse Possiamo distinguere le seguenti tipologie di biomasse: Residui forestali e del legno: derivati da attività di segherie, industrie di trasformazione, manutenzione boschiva Sottoprodotti agricoli: paglie, stocchi, sarmenti di vite ramaglie di potatura Residui agroindustriali: sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso, provenienti di industrie alimentari Colture energetiche: finalizzate alla produzione di biomasse sia erbacce (girasole, colza, barbabietole, canna da zucchero,etc.) Residui industrie zootecniche: letame, liquami, residui animali Rifiuti urbani: loro frazione organica.

5 PCI biomasse vs. combustibili fossili

6 Applicazioni delle biomasse Il settore delle biomasse per usi energetici è probabilmente la più concreta ed immediata FER disponibile. Le principali applicazioni sono: la produzione di energia (bioenergia): tramite la trasformazione dei combustibili ottenuti dalla biomassa per produzione di calore ed energia elettrica la sintesi dei carburanti (biocarburanti): ottenuti da biomasse per la trazione automobilistica e navale la sintesi di prodotti (bioprodotti): in analogia a quelli ottenibili dai combustibili fossili, lubrificanti, materie plastiche, colle, etc.

7 Applicazioni delle biomasse Supply chain complexity Planning Tipi biomassa Processi/ Combustibili Prodotti Utilizzazione

8 L umidità nelle biomasse Il tasso di umidità ha un ruolo importante, poiché l'acqua richiede un elevato calore di vaporizzazione, e influenza le tecnologie adottate nella filiera. Varia notevolmente in relazione al tipo di biomassa e allo stoccaggio applicato. In molti casi è necessario un pretrattamento di essiccatura prima dell inserimento in camera di combustione. Contenuto elevato di umidità: Riduzione della temperatura di combustione Aumento del tempi di residenza Aumento di volume dei gas prodotti nella combustione Aumento (in fase di progetto) delle dimensioni della camera di combustione Aumento costi di investimento Diminuzione dell efficienza Si può compensare adottando sistemi di recupero del calore, scambiatori Aumento costi di investimento

9 Processi di conversione Per qualunque applicazione la biomassa venga utilizzata essa deve subire un processo di trasformazione riconducibile essenzialmente a due tipi di conversione: Processi termochimici Pirolisi Carbonizzazione Gassificazione Combustione diretta Cofiring SFR (Short Rotation Forestry Processi biologici o biochimici Digestione Anaerobica Digestione Aerobica Fermentazione alcoolica Produzione di metanolo Estrazione di olii e produzione di biodiesel

10 Processi di conversione Processi Termochimici Sono processi basati sull azione del calore necessario a trasformare la materia in energia (trasformazione termica della biomassa secondo reazioni chimiche a cascata), si utilizzano per i prodotti e per i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superiore al 30%. Le biomasse più adatte a subire tale tipo di processi sono: Legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.) Sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) Scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli).

11 Processi di conversione Processi biochimici Permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi, micro-organismi naturali, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse il cui rapporto C/N si inferiore a 30 e l umidità alla raccolta superiore al 30%. Le biomasse più adatte risultano essere: le colture acquatiche alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.) i reflui zootecnici alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.) la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate.

12 Produzione di energia Le tecnologie alla base della conversione energetica delle biomasse fanno capo sia a processi di conversione termochimica che a processi di conversione biochimica. Esse consentono di convertire i combustibili rinnovabili che fanno capo alle biomasse in calore, energia elettrica o entrambi (cogenerazione). Esse sono in grado di soddisfare diverse tipologie di utenze: Utenze domestiche, esclusivamente per la produzione di calore Industria del legno e dell agroalimentare, per la produzione di energia elettrica e calore Interi comuni o comprensori, per la produzione di energia elettrica (centrali elettriche) e calore in TLR.

13 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse 1. Pirolisi È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante l applicazione di calore a temperature comprese fra i C, in completa o parziale assenza di ossigeno. I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni differenti in funzione del tipo di processo utilizzato (pirolisi lenta, veloce o convenzionale) e dai parametri di reazione. Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un combustibile dal potere calorifico di 4 7 MJ/Nm3.

14 2. 1. Carbonizzazione Pirolisi Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse E la pirolisi di materiale ligneo-cellulosico e conseguente trasformazione in carbone (carbone di legna o carbone vegetale). In sostanza si tratta di un processo di distillazione della biomassa vegetale in assenza di ossigeno, durante il quale il materiale, per azione del calore, perde acqua e sostanze volatili e si trasforma in carbone. La pirolisi del legno avviene in tre stadi: 1. disidratazione: legna + calore legna secca + vapor acqueo 2. pirolisi: legna secca + calore carbone vegetale + pece + gas (CO, CO 2, H 2 O, CH 4 ) 3. combustione: carbone + ossigeno + H 2 O CO + H 2 + CO 2 + calore La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tasso di umidità non deve superare il 20%. L essiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando la biomassa per un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppure mediante l'impiego di forni, con apporto di calore ad una temperatura intorno ai 100 C, per evitare possibili accensioni del vegetale.

15 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si ottengono prodotti diversi, a seconda delle temperature raggiunte. Carbonizzazione per valori sino a C, che origina carbone di legna corrisponde al 30-35% del materiale secco di partenza (il carbone di legna ha un contenuto di carbonio compreso nel campo 75 85%, ed un potere calorifico di circa 6000/7000 kcal/kg) Produzione di gas a temperatura di 600 C e sino a C composto da H 2, CO, CO 2 (quest ultime in percentuali sempre più basse), con potere calorifico di circa 3000 kcal/nm 3 ).

16 3. Gassificazione Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse Consiste nella parziale ossidazione di una sostanza in ambiente ad elevata T ( C), per la produzione di gas combustibile, detto gas gasogeno, con potere calorifico variabile tra KJ/Nm 3. È un processo endotermico a due stadi. Prima stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a temperatura inferiori a i 600 C da un insieme di reazioni complesse. Questi componenti sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO 2, nerofumo e vapor acqueo. Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengono vaporizzate in una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parte incombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire il calore necessario per le reazioni endotermiche di gassificazione.

17 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse La gassificazione può contribuire allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e/o all'utilizzo del combustibile da rifiuti. La gassificazione degli RSU ha come prodotto un gas di sintesi (syngas) che alimenta la turbina a gas dell'impianto a ciclo combinato. Ciò con le seguenti principali finalità: 1. rimuovere le barriere tuttora esistenti sull'applicazione delle tecnologie di gassificazione degli RSU; 2. favorire la diffusione dei cicli combinati a gas che restano una delle tecnologie ambientalmente più valide per la produzione di elettricità; 3. ampliare il ricorso alle fonti rinnovabili (il tasso di rinnovabilità degli RSU è correntemente indicato nel 66%); 4. evitare il ricorso al conferimento di discarica degli RSU.

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19 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse 4. Cofiring Consiste nell utilizzare la biomassa come combustibile complementare al carbone o al gas naturale. Viene sostituita una porzione (circa il 15 20%) del carbone con biomassa, possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella stessa caldaia o utilizzando alimentazioni separate, permette la riduzione della CO 2 ed SO 2.

20 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse Nel caso di combustione con gas naturale non è particolarmente interessante sotto il profilo delle prestazioni termodinamiche e del contenimento dei costi, in quanto richiede: gassificazione delle biomasse interventi di adattamento dei parametri di funzionamento e modifiche strutturali del TG, a causa del basso potere calorifico del syngas e della diminuzione di temperatura di fiamma complesso equipaggiamento di pulizia del syngas, per soddisfare le elevate specifiche di purezza richieste dalla turbina. L interesse per questa soluzione è legato soprattutto alla possibilità che essa offre di risparmiare gas naturale e conseguentemente ridurre le emissioni di CO 2.

21 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse 5. Short Rotation Forestry Con il termine SFR si intende la coltivazione di specie arboree con alto contenuto energetico e un breve turno di raccolta (2-5 anni). Le specie interessanti in Italia sono in genere usate per altri scopi industriali: industria della carta, del legname da opera, ecc. Questi tipi di colture possono essere usati nella combustione diretta, gassificate o sottoposte a processi di pirolisi.

22 6. Combustione diretta Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse Si tratta della combustione diretta in presenza di ossigeno ed alte temperature, in apposite caldaie. Il calore prodotto può essere usato sia per il riscaldamento diretto di ambienti che ceduto a un fluido di processo (acqua, olio diatermico..) per la successiva produzione elettrica. Si usano sostanze di natura ligneocellulosica con u<35% come: legname in tutte le sue forme, paglie di cereali, residui di raccolta di legume secchi, residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa), residui di piante oleaginose (ricino, catramo), residui legnosi di piane da frutto o forestali, residui dell industria agro alimentare.

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24 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse Tra i materiali più noti citiamo i Pellets scarti dell'industria del legno (segatura, polveri) ottenuti dalla sfibratura e polverizzazione dei residui legnosi, in seguito pressati in apposite macchine per formare cilindretti di diverse lunghezze e spessori (tipicamente d=6-8 mm), hanno un potere calorifico kcal/kg. Vengono usati tipicamente per alimentare moderne stufe e caldaie. Il cippato è legno ridotto in scaglie con dimensioni variabili da alcuni millimetri a qualche centimetro. Viene prodotto a partire da tronchi e ramaglie attraverso la cippatrice. Il cippato può essere utilizzato sia per la generazione elettrica, sia per produrre calore o in forma combinata in impianti di cogenerazione. Può alimentare sia impianti di piccola taglia (pochi kw) che grandi impianti fino all'ordine di diversi MW.

25 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione termochimica delle biomasse Consumo combustibili legnosi Italia, 2009

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27 Produzione di energia Il termocamino è una caldaia a tubi d acqua, sfrutta il calore dei fumi caldi provenienti dalla combustione diretta del legname o dei pellets o del cippato, per scaldare l acqua. Siamo di fronte ad un impianto di riscaldamento ad acqua classico, in cui al posto della caldaia a tubi di fumi che adotta come combustibile gasolio o gas metano, si utilizza un camino. In funzione delle dimensioni del camino si possono avere maggiori quantità di acqua calda prodotta ad esempio un termocamino di 0.44 m 3 può fornire 25 kcal con una portata evolvente di 600 l/h. % di umidità Potere calorifico kcal/kg 15% % % % % % 2300 Potere calorifico della legna (Fonte: Unical) Le temperature di esercizio si aggirano tra i 65 C ed i 70 C.

28 Produzione di energia Il termocamino è regolato da un quadro elettrico che controlla tutti i parametri della caldaia, comandando una valvola a tre vie. Come si può vedere dalla figura il resto dell impianto è analogo a quello di un normale riscaldamento domestico. All avvio del camino la valvola a tre vie impedisce che l acqua vada ai radiatori sino a che non ha raggiunto la temperatura necessaria. Questa soluzione può essere inserita anche in un impianto di riscaldamento già preesistente.

29 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione biochimica delle biomasse 1. Digestione anaerobica o fermentazione La digestione anaerobica è processo di conversione che avviene in assenza di ossigeno che consiste nella demolizione di sostanze complesse contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale. Si hanno due prodotti: Biogas costituito per il 50 70% da metano e per la restante parte da CO 2 con potere calorifico medio dell ordine di KJ/m 3. Questo può essere usato per alimentare caldaie a gas per produrre calore o MCI per produrre energia elettrica, o entrambi (assetto cogenerativo). Fertilizzante derivante dagli effluenti contenenti elementi nutritivi principali delle piante quali azoto, fosforo e potassio. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati con deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica dei residui solidi urbani (RSU).

30 Produzione di energia Nel caso, molto comune, di impianti alimentati da biogas prodotto dalle discariche controllate di rifiuti urbani, le parti principali dell impianto sono le seguenti: sezione di estrazione del biogas da discarica (pozzi di captazione, linee di trasporto, collettori di raggruppamento); sezione di aspirazione e condizionamento del biogas da discarica (collettore generale, separatori di condensa, filtri, aspiratori); sezione di produzione dell energia elettrica (gruppi elettrogeni) e torcia (dispositivo di sicurezza per bruciare l eventuale biogas non combusto nella sezione di produzione energetica). PROBLEMA CH4 DISPERSO IN ATMOSFERA!

31 Produzione di energia Tecnologie basate sulla conversione biochimica delle biomasse 2. Digestione aerobica Consiste nella metabolizzazione in presenza di ossigeno delle sostanze organiche ad opera di batteri, che convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO 2 e H 2 O e producendo un elevato riscaldamento del substrato. Il calore prodotto può essere trasferito all esterno per mezzo dei uno scambiatore a fluido. Tale processo viene utilizzato per il trattamento delle acque di scarico.

32 Produzione di biocarburanti Tecnologie basate sulla conversione biochimica delle biomasse 3. Fermentazione alcolica Comprende azioni mediate da biocatalizzatori dai quali si ottiene Bioetanolo, utilizzato come combustibile, e altri sottoprodotti usati per la produzione di combustibili, composti chimici, calore ed energia elettrica. Un suo derivato è l ETBE (EtilTertioButiletere), ottenuto combinando un idrocarburo petrolifero, l isobutene, con l etanolo.

33 Produzione di biocarburanti Tecnologie basate sulla conversione biochimica delle biomasse 4. Estrazione di olii e produzione di biodiesel Le principali colture sulle quali si sta operando per lo sviluppo dei biocarburanti sono le colture da amido e da zucchero (cereali, patate, barbabietola, canna da zucchero) per la produzione di alcooli (etanolo) e le colture oleaginose (girasole, colza, soia) da cui possono essere estratti oli vegetali per la produzione del biodiesel. Le principali piante che si rtovano in Europa sono la colza e girasole (i principali produttori per la colza sono Germania, Francia, Danimarca e Gran Bretagna; per il girasole Francia, Spagna, Italia), mente la coltivazione della soia si trova principalmente in America (USA, Argentina, Brasile).

34 Produzione di biocarburanti Tecnologie basate sulla conversione biochimica delle biomasse 5. Produzione di metanolo Noto come alcol del legno, il metanolo è prodotto di solito dal gas naturale, ma può essere sintetizzato dalla biomassa tramite gassificazione. Il suo PCI è circa kj/kg, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica, con PCI analogo a quello delle benzine tradzionali.

35 Conversione delle biomasse In sintesi, attraverso le tecnologie di conversione delle biomasse in biocombustibili si possono ottenere una serie di prodotti energetici, quali: Biogas (PCI kcal/nm3) Bio-olio combustibile (PCI kcal/kg) Carbone (PCI 7000 kcal/kg) Miscela combustibile acqua-olio-carbone (PCI 4000kcal/kg) Idrocarburi (PCI kcal/kg) Metanolo (PCI 5500kcal/kg).

36 Conversione elettrica delle biomasse Al di là di una fase preliminare di trattamento della biomassa, gli impianti termoelettrici a biomasse sono abbastanza simili a quelli alimentati con combustibili tradizionali. Le tipologie impiantistiche più diffuse sono le seguenti: impianti tradizionali con forno di combustione della biomassa solida, caldaia che alimenta una turbina a vapore accoppiata ad un generatore; impianti con turbina a gas alimentata dal syngas da biomasse in ciclo semplice o combinato con turbina a vapore; impianti termoelettrici ibridi, che utilizzano biomasse e fonti convenzionali (il caso più frequente è la co-combustione della biomassa e della fonte convenzionale nella stessa fornace); impianti, alimentati da biomasse liquide (oli vegetali, biodiesel), costituiti da motori accoppiati a generatori (gruppi elettrogeni).

37 Conversione elettrica delle biomasse Le taglie delle centrali possono variare dalle medie centrali termoelettriche alimentate da biomasse solide, solitamente da cippato di legno, con rendimenti del 17-23%, sino ai piccoli gruppi elettrogeni alimentati da biocombustibili liquidi. Gli impianti hanno potenza installata media pari a 4,8 MW nel 2009.

38 Conversione elettrica delle biomasse Potenza installata al , MW Fonte GSE

39 Conversione elettrica delle biomasse Produzione elettrica al 2012 pari a circa GWh, circa il 3.6% della richiesta sulla rete.

40 Vantaggi Fonte di Energia Rinnovabile grazie alla grande velocità di rigenerazione, ma solo se gestione razionale della risorsa (boschi). Basse emissioni - con il Ciclo emissioni di CO 2 le piante la riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi); ridotte emissioni di S. Dispersione sul territorio sembra uno svantaggio (solo piccoli e medi impianti), ma porta a sfruttamento di zone marginali interne, con conseguente creazione di occupazione nelle zone rurali, promozione della filiera corta (riduzione costi approvigionamento e a un maggiore presidio e tutela del territorio. Immagazzinabile-Stoccabile Convertibile in combustibili solidi, gassosi o liquidi con buoni poteri calorifici (valorizzazione residui e scarti, spesso smaltiti in modo non corretto. Stabilità idrogeologica versanti). Economico il costo dell unità di energia prodotta è inferiore rispetto i combustibili tradizionali.

41 Prezzi

42 Svantaggi Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica superficie minima di ha produzione superiore a t per ha La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione Sistema di gestione (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura della risorsa Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità (bulk density) si è studiato che c è convenienza economica se la distanza tra approvvigionamento e impianto non supera le 100 miglia (160 km) negli USA e 50km in Italia. Necessità di razionale pianificazione e gestione della filiera. Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali/meteo Produzione non costante durante l anno Contenuto di umidità variabile.