Fondamenti tecnici per l utilizzazione energetica della biomassa

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1 Fondamenti tecnici per l utilizzazione energetica della biomassa Ing. Mario Chiadò Rana Enea Saluggia HOME PROBIO - II CORSO Formazione Quadri Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell uso dei biocombustibili

2 Fondamenti di fisica tecnica applicati alla biomassa, principali grandezze, unità di misura, metodologie di prova Introduzione alla normativa tecnica sui biocombustibili Caratteristiche tecniche dei biocombustibili PROBIO - II CORSO Formazione Quadri Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell uso dei biocombustibili

3 Fondamenti tecnici per l utilizzazione energetica della biomassa Principali grandezze, unità di misura, metodologie di prova Fondamenti di fisica tecnica applicati alla biomassa Introduzione alla normativa tecnica sui biocombustibili Caratteristiche tecniche dei biocombustibili

4 Principali grandezze, unità di misura, metodologie di prova Sistema internazionale SI Unità di misura fondamentali: Lunghezza (metro), Massa (kg), Tempo (s), Temperatura (K), quantità sostanza chimica (mol( mol), ecc. Grandezze derivate e unità di misura del SI Grandezze derivate e unità di misura di uso comune ST Coefficienti di conversione Fattori moltiplicativi: M (* ,), k (*1000), m (/1000),µ (/ )

5 Grandezze derivate e unità di misura del SI Forza Newton N = 1kg * 1m/s 2 Pressione N/m 2 = Pa Pascal bar = , Pa = 100 kpa = 0,1 MPa Pressione atmosferica 1.000, mbar = 1 bar = 1.000, hpa Densità o massa volumica kg/m 3 Velocità m/s Lavoro = Energia= 1N*1m = 1kg*1m/s 2 *1m =Joule J Potenza J/s = 1W Calore specifico J/kgK = J/kg C Potere calorifico J/kg

6 Grandezze derivate e unità di misura del SI Pressione 1 atm 1 bar; 1 kg f /cm 2 = , Pa 1 mmh2o = 10 Pa = 0,10 mbar Lavoro Energia Calore 1 kcal = 4.186,8 J kcal/kg = J = , kj = 13,8 MJ Potenza 1 kcal/h = 4.186,8/3.600, J/s = 1,1628 W 1 CV = 735,5 W 10 kw = 8.620, kcal/h = 13,59 CV 30 CV = , W Rendimento (adimensionale)

7 Unità di misura Anglo-americane SI BTU 1.055,060 J 0,252 kcal BTU/h 0,293 W 0,252 kcal/h BTU/hft2 3,155 W/m2 2,713 kcal/hm2 BTU/lb 2.326,009 J/kg 0,556 kcal/kg BTU/lb F 4.186,816 J/kgK 1,000 kcal/kg C lb 0,454 kg ft 30,480 cm ft3 28,317 dm3 in 2,540 cm lb/ft3 16,018 kg/m3 gallone inglese 4,546 l gallone USA 3,785 l BTU/gal USA 278,718 J/l 0,067 kcal/l cord 3,625 m3 acre 4.046,860 m2 0,405 ha F ( F-32)*5/9 C

8 Fondamenti di fisica tecnica applicati alla biomassa Nessuna differenza rispetto ai combustibili convenzionali - Particolarità dei bio- combustibili Principio di conservazione della massa (non del volume) Principio di conservazione dell energia Principi della termodinamica Scambio termico Capacità termica

9 Introduzione alla normativa tecnica sui biocombustibili Enti normatori nazionali UNI = Ente normatore europeo CEN Norme volontarie e armonizzate UNIEN Biomasse combustibili = bio-combustibili CENTC335 BIOCOMBUSTIBILI SOLIDI Legislazione nazionale: DPCM 08 marzo 2002 combustibili BIOCOMBUSTIBILI SPECIFICHE E RACCOMANDAZIONI CTI scaricabile dal sito

10 CEN/TC 335 Solid biofuels Le biomasse residuali sono escluse dalla Direttiva Incenerimento rifiuti e sono considerate fonti energetiche rinnovabili di biocombustibili = Normazione sotto Mandato della Commissione Europea BIOCOMBUSTIBILI RISPONDENTI A SPECIFICHE NORMATE prodotti agricoli e forestali; rifiuti vegetali agricoli e forestali; rifiuti vegetali dell industria agroalimentare; rifiuti di legno che non contengano composti alogenati organici o metalli pesanti a seguito di un trattamento. rifiuti di sughero

11 DPCM 08 marzo 2002 g) biodiesel rispondente alle caratteristiche indicate in Allegato I, punto 3; l) legna da ardere alle condizioni previste nell'allegato III, punto 2; m) carbone di legna; n) biomasse combustibili individuate nell'allegato III, alle condizioni ivi previste; r) biogas individuato nell'allegato VI, alle condizioni ivi previste; s) gas di sintesi proveniente dalla gassificazione di combustibili consentiti, limitatamente allo stesso comprensorio industriale nel quale tale gas e' prodotto.

12 DPCM 08 marzo 2002 Biomasse combustibili 1. Materiale vegetale prodotto da coltivazioni dedicate; 2. Materiale vegetate prodotto da trattamento esclusivamente meccanico di coltivazioni agricole non dedicate; 3. Materiale vegetale prodotto da interventi selvicolturali da manutenzioni forestali e da potatura; 4. Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di legno vergine e costituito da cortecce segatura, trucioli, chips, reflui, e tondelli di legno vergine, granulati e cascami di legno vergine, granulati, e cascami di sughero vergine, tondelli, non contaminati da inquinanti, aventi le caratteristiche previste per la commercializzazione e l impiego: 5. Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoli, avente le caratteristiche previsti per la commercializzazione e l'impiego.

13 Classificazione biomassa e biocombustibili Provenienza Tipo e proprietà fisiche e chimiche Biomassa processo Biocombustibile BIOMASSA LEGNOSA ERBACEA ALTRA 1.1 prodotti e residui agroforestali 1.2 scarti industria legno non trattati trattati 1.3 legno usato non trattato trattato scarti di sughero altre tipologie miscele 1.4 altra biomassa legnosa 1.5 miscele sopravvaglio compostaggio Cippato Pellet Briquettes

14 Classificazione biomassa e biocombustibili Provenienza Tipo e proprietà fisiche e chimiche Biomassa processo Biocombustibile PROPRIETA PER CARATTERIZZARE BIOCOMBUSTIBILI FISICHE E MECCANICHE potere calorifico massa volumica umidità sostanze volatili ceneri comportamento termico ceneri dimensioni/pezzatura presenza impurità flowability CHIMICHE C, H, N, O, S, Cl Al. Si, Na, K, Ca, Mg, Fe, P, Ti As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Se, Te, V, Zn

15 Bio Combustibile solido Biomassa Legno (tronchetti, pellets, segatura, chips, Residui e prodotti agricoli (paglia, semi, erba, ecc. Residui agroalimentari (sanse di olive, lolla Torba (?) Torba (?) Rifiuti (?) per parte rinnovabile Rifiuti (?) per parte rinnovabile MSW, RDF / CDR

16 Bio Combustibili Liquidi Oli di semi Biodiesel Olio di semi esterificato Condensati da trattamento termico di biomasse solide

17 Bio Combustibili gassosi BIOGAS Discarica Allevamenti intesivi di animali trattamento deiezioni Da trattemento termico di biomasse solide Gas povero Gas d aria Gas d acqua

18 Caratteristiche tecniche dei bio-combustibili Analisi chimica (%peso) C, H, O, N, Cl, S, umidità, cenere Analisi qualitativa (%peso) Umidità, cenere Potere calorifico superiore / inferiore Densità (kg/m 3 ) Densità energetica (J/m 3 ) Ceneri: composizione e comportamento Rapporto carbone Volatile/fisso Rapporto atomico H/C Rapporto atomico O/C

19 Caratteristiche del combustibile Composizione media del legno C = 49 % in peso sul secco, senza cenere H = 8 % in peso sul secco, senza cenere O = 43 % in peso sul secco, senza cenere cenere = 2 % in peso sul secco umidità = 20 % in peso sul tal quale

20 legno moli moli comb. stech. kg moli comb. stech. tal quale umidità %peso 20,00 ARIA kg/kg moli/moli FUMI kg/kg moli/moli kg/kg moli/moli ceneri %peso 0,40 umidi secchi C %peso 40,60 C 3,38 3,38 148,73 CO2 19,21 N %peso 0,80 N2 0,03 14,17 396,80 14,20 397,60 N2 S %peso 0,40 S 0,01 0,01 0,79 SO2 H %peso 5,57 H2 2,76 3,88 69,75 H2O O %peso 32,24 O2 1,01 3,77 120, O2 100,00 7,19 17,94 517,35 5,17 2,49 21,47 616,87 6,17 2,98 5,47 2,45 secco ceneri %peso 0,50 moli moli comb. stech. kg C %peso 50,75 C 4,23 4,23 185,91 CO2 19,21 N %peso 1,00 N2 0,04 17,71 496,00 17,75 497,00 N2 S %peso 0,50 S 0,02 0,02 0,99 SO2 H %peso 6,97 H2 3,45 3,45 62,19 H2O O %peso 40,30 O2 1,26 4,71 150, O2 100,00 8,99 22,42 646,69 6,47 2,49 25,45 746,09 7,46 2,83 6,84 2,45 senza C %peso 51,00 C 4,25 4,25 186,84 CO2 19,21 cenere N %peso 1,00 N2 0,04 17,80 498,49 17,84 499,49 N2 S %peso 0,50 S 0,02 0,02 1,00 SO2 H %peso 7,00 H2 3,47 3,47 62,50 H2O O %peso 40,50 O2 1,27 4,73 151, O2 100,00 9,04 22,54 649,94 6,50 2,49 25,57 749,84 7,50 2,83 6,87 2,45 POTERE CALORIFICO SUPERIORE MJ/kg 20,24 kcal/kg senza INFERIORE MJ/kg 20,02 kcal/kg cenere SUPERIORE MJ/kg 20,14 kcal/kg secco INFERIORE MJ/kg 19,92 kcal/kg SUPERIORE MJ/kg 16,11 kcal/kg tal quale INFERIORE MJ/kg 15,46 kcal/kg 3.690

21 Caratteristiche del combustibile Potere calorifico superiore / inferiore Calcolo su base analisi elementare (Dulong, Chang, Boie, Vondracek) HHV = 32,804*C org + 2,421*N 2 + 9,266*S + 150,519*(H 2 - O 2 /8) + 4,972*O 2 14,8528*C inorg [kj/kg] % in peso su base secca Prova su campione (Bomba calorimetrica di Mahler)

22 Determinazione sperimentale del potere calorifico Triturazione del campione Preparazione del campione Bomba calorimetrica di Mahler

23 Potere calorifico superiore = vapore d acqua condensato Bio - combustibile tal quale ACQUA UMIDITA (non partecipa) CENERE = inerte che non serve alla combustione PARTE SECCA e senza cenere (C,H,N, ecc.) Produce le reazioni chimiche globalmente esotermiche che generano il calore misurato nella bomba di Mahler, ritornando alle stesse condizioni iniziali di partenza (circa)

24 Potere calorifico inferiore = vapore d acqua non condensato condizioni operative reali con fumi superiori alla temperatura di condensazione = non si recupera il calore latente Bio - combustibile tal quale ACQUA UMIDITA (sottrae calore di vaporizzazione) CENERE = inerte e non interviene PARTE SECCA e senza cenere (C,H,N, ecc.) Produce le reazioni chimiche globalmente esotermiche che generano il calore misurato nella bomba di Mahler, con produzione di acqua con l ossidazione dell Idrogeno Potere calorifico superiore - calore di vaporizzazione acqua (umidità + acqua da ossidazione H2)

25 Potere calorifico inferiore calcoli Sul secco PCI (MJ/kg ss) ) = PCS ss - 2,25 MJ/kg * kg H2O prodotti da H 2 = PCS ss 2,25 MJ/kg *H%ss*9/100 PCI ss = 20 2,25*8*18/2/100 = Sul tal quale PCI (MJ/kg tq) = PCI ss * (1 - % H2O tq /100/ MJ/kg * % H2Otq /100 PCI ss = 18.38*(1-0,20)-2.25*0,20 =14, ) - 2,25

26 Fattori di correzione secco senza cenere * (100-%cenere ss)/100 = sul secco sul secco * (100 - %umidità tal quale)/100 = tal quale PCI (MJ/kg stq) = PCI corretto sulla massa - 2,25 MJ/kg * %umidità/100

27 Calcolo del PCI per varie condizioni di umidità potere calorifico inferiore (MJ/kg) potere calorifico superiore sul secco 20 MJ/kg contenuto di umidità sul secco (percento)

28 Combustione del legno Variabili in funzione della densità tempo ingnizione velocità di combustione in volume Lineare (velocità di combustione in massa) velocità di combustione in massa Espo. (tempo ingnizione) Espo. (velocità di combustione in volume) tendenza densità kg/m3

29 Densità Densità kg/m 3 Es. Legno in tronchetti 250 kg/m 3 Legno cippato 150 kg/m 3 Segatura 100 kg/m 3 Densità energetica MJ/m 3 Es. rotoballa paglia 500 kg volume 2,5 m 3 PCI = 12 MJ/kg Contenuto energetico 12 * 500 = MJ Densità energetica = 12 * 500 / 2,5 = MJ/m 3 Gasolio fusto 160 kg volume 0,2 m 3 PCI = 42 MJ/kg Contenuto energetico 42 * 160 = MJ Densità energetica = 42 * 160 / 0,2 = MJ/m 3