Energia dalle Biomasse - Parte C

Transcript

1 Tecnologie delle Energie Rinnovabili Energia dalle Biomasse - Parte C Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari [email protected] A.A

2 Le filiere di conversione Processi termochimici Combustione Gassificazione Pirolisi Energia da biomasse Biocombustibili Etanolo Olio vegetale Biodiesel Digestione anaerobica Biogas Tipologia del Rapporto Processo di Umidità Processo C/N conversione Biochimico <30 >30% Fermentazione Digestione anaerobica Digestione aerobica Termochimico >30 <30% Combustione Gassificazione Pirolisi Fisico-chimico - - Estrazione di oli Transesterificazione Compattazione Prodotto principale Bioetanolo Biogas Energia termica Energia termica Gas di sintesi Gas di pirolisi, biooli Olio vegetale grezzo Biodiesel Pellets

3 Processi Termochimici Aria in eccesso Biomassa Aria in difetto Biomassa Vapore Combustione Gassificazione CO 2 +H 2 O+ N 2 + O 2 + Gas combusti CO+H 2 +H 2 O+ CO 2 + Gas di sintesi Biomassa Calore Pirolisi Gas pirolitico Olio Char

4 Impianti a vapore Biomassa Vapore ~ energia elettrica generatore di vapore turbina a vapore Acqua Vapore Acqua Acqua di mare Pompe Condensatore

5 Tramoggia di carico

6 Caldaia a griglia

7 Caldaia a griglia

8 Caldaia a griglia

9 Ciclo a vapore

10 Bilancio energetico 13,89 kg/s (50 t/h) di vapore a 450 C e 55 bar, Potenza termica utile=39496 kw; 4,03 kg/s (14,5 t/h) di biomasse con PCI 11,72 MJ/kg (U=30%), Potenza=47250 kw; Potenza elettrica lorda kw, consumi interni 1500 kw, potenza netta kw; Potenza termica al condensatore kw, potenza termica al camino 5500 kw (166 C); Utilizzazione all 85% (7450 ore), produzione elettrica netta 84,1 GWh/anno, consumo di biomasse t/anno; Rendimento globale netto 23,9%.

11 Bilancio economico Costi specifici circa /kw, investimento iniziale 30 M (5-6 M /a); 0,7-0,8 M /a di personale, 0,2-0,3 M /a di materiali vari, 0,3-0,4 M /a di assicurazione, 0,3-0,4 M /a di spese varie, Totale 1,5 M /a; Costo biomassa /t, totale 5-9 M /a; Ricavi da vendita energia (60-70 /MWh) 5-6 M /a, incentivi oggi assenti (prima anche 4-7 M /a); Superficie da coltivare a SRF (es. Pioppo) ha/anno;

12 I nuovi incentivi alle FER

13 La sostenibilità della filiera Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Combustibili Combustibili, energia el. Materiali, ecc. Energia solare Coltivazione biomassa Trasporto prodotto Conversione industriale Energia utile Residui Emissioni Emissioni Sottoprodotti Emissioni Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell intera filiera!

14 Trattamento gas combusti

15 Rimozione ceneri leggere Cicloni

16 meccanismo di scuotimento Rimozione ceneri leggere Uscita uscita gas depurati gas Manica filtrante manica filtrante base di collegamento delle maniche ingresso gas grezzo Ingresso gas tramoggia di raccolta Filtro a manica

17 Filtri a manica Il filtro rimuove oltre il 99% del particolato

18 Rendimenti elevati (>99,9%), ma con alte perdite di carico e temperature operative non molto elevate Filtri a manica Fibra Massima Resistenza Resistenza RESISTENZA temperatura agli acidi agli alcali MECCANICA Cotone 80 C Scadente Buona Buona Polipropilene (Propex) 90 C Ottima Ottima Molto buona Nylon (Neotex) 120 C Discreta Buona Ottima Acrilica (Dratex) 125 C Ottima Discreta Discreta Poliestere (Terytex) 150 C Buona Discreta Molto buona Poliestere (Ryton) 190 C Ottima Ottima Molto buona Nomex 200 C Discreta Buona Molto buona Teflon 260 C Ottima Ottima Ottima Tefair 260 C Molto buona Ottima Ottima Fibra di vetro 260 C Molto buona Discreta Scadente Tabella 9.3 Principali caratteristiche delle fibre utilizzate per i filtri in tessuto.

19 Riduzione catalitica NO X Ammoniaca NH3 Gas con NO e NO2 350 C Gas depurati 4NH3 +4NO +O2 =4N2 +6H2O Si neutralizzano circa l 80-85% degli NOX

20 Riduzione catalitica NOX

21 Rapporto potenza termica/potenza netta L Inquinamento Termico 10 8 Centrale a Biomassa: =25% P E =10 MW P T =30 MW MCI e MTG TG IV e IGCC IC FC Rendimento netto (%)

22 Le opzioni a disposizione Vapore Acqua di raffreddamento Aria Vap Con Condensa a) Condensatore operante in circuito aperto b) Condensatore ad aria Potenza termica al condensatore kw Incremento di temperatura dell acqua Aria umida 10 C Portata = Vapore kw = 620 kg/s = 2240 m 3 /h 4,186 10

23 Condensa Condensa Le opzioni a disposizione a) Condensatore operante in circuito aperto b) Condensatore raffreddato ad aria Aria umida Vapore Aria secca Reintegro Condensa Spurgo c) Condensatore operante in circuito con torre evaporativa Figura 4.1 Principali schemi del circuito di raffreddamento del condensatore.

24 L Inquinamento Termico

25 Le opzioni a disposizione ffreddamento Aria Vapore Aria Condensa in circuito aperto b) Condensatore raffreddato ad aria Aria umida

26 I motori Stirling

27 I sistemi ORC Pe=200 kw 80 C 250 C 60 C Pt=1200 kw 300 C Pa=950 kw

28 I sistemi ORC

29 I sistemi ORC

30 Processi di gassificazione Combustibile Ossidante Vapore Sezione di gassificazione Ceneri Syngas CO H 2 CO 2 H 2 O CH 4 Sezione di Condizionamento TAR, Polveri, NH3, etc Principali linee di ricerca Syngas Sezione di conversione Energia elettrica Riduzione di TAR e particolato nel gas; Migliore automazione e affidabilità; Riduzione dei costi. Depurazione del syngas a caldo; Rimozione del TAR e del particolato; Rimozione dei composti alcalini. Sistemi di generazione elettrica avanzati (MGT, FC, sistemi ibridi, etc.); Riduzione dei costi; Produzione di idrogeno Produzione di DME, metanolo, FT, etc.

31 Processi di pirolisi Biomassa Processo di pirolisi Gas Olio Char Utilizzo energetico Energia termica Aree di Ricerca Massimizzazione delle frazioni combustibili più pregiate; Miglioramento della qualità dell olio pirolitico; Sviluppo di sistemi di conversione finale ad elevata efficienza Riduzione dei costi Il gas e il char vengono spesso utilizzati per fornire l energia termica richiesta dal reattore La conversione in olio e gas può essere incrementata aumentando le temperature e la velocità di riscaldamento (fast e flash pirolisi) L olio è poco stabile e poco miscibile con i combustibili convenzionali

32 Accumulo Energetico Energia Meccanica Energia Elettrica Energia Chimica Energia Termica Impianti idrici di pompaggio (PHES) Superconduttori Idrogeno Sistemi a calore sensibile Impianti ad aria compressa (CAES) Supercondensatori Combustibili (Metanolo, Etanolo, DME) Sistemi a calore latente Volani Batterie Accumulo termo-chimico

33 Accumulo Energetico Ore Minuti Supercapacitori alta energia Batterie al Litio Batterie NaS e ZEBRA Batterie al Piombo acido Batterie al Nickel Impianti di pompaggio Impianti CAES Secondi Volani Supercapacitori alta potenza SMES 1 kw 10 kw 100 kw 1 MW 10 MW 100 MW 1 GW Power Quality-UPS Supporto alla Rete Regolazione Rete

34 Accumulo Energetico ($/kwh) 100 Supercapacitori alta potenza Volani alta potenza Batterie al Piombo acido Supercapacitori alta energia Impianti CAES Batterie al Nickel Impianti di pompaggio Batterie al Litio Batterie NaS e ZEBRA Volani alta energia Costo specifico ($/kw) 10000