La produzione di energia da biomasse Bilancio energetico di un impianto a combustione

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Ida Nigro
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1 La produzione di energia da biomasse Bilancio energetico di un impianto a combustione Costante M. Invernizzi costante.invernizzi@unibs.it San Paolo (BS), 29 maggio 2010

2 Outline 1 La biomassa 2 La utilizzazione energetica della biomassa 3 Gli apparati degli impianti a combustione 4 Alcuni esempi

3 La biomassa Definizione E considerata biomassa: tutta la materia organica risultante da organismi viventi. Escludendo però i combustibili fossili. le sostanze volatili accumulate in atmosfera (metano, idrocarburi vari) in seguito alla degradazione di sostanze organiche.

4 La biomassa Caratteristiche biomassa: PCI ssv 20 MJ/kg carbone: PCI 30 MJ/kg ssv = sostanza secca volatile Un primo fondamentale parametro è l umidità Di solito un contenuto d acqua del 50% corrisponde al limite di utilizzabilità per combustione. Però è possibile oltrepassare il limite mediante particolari accorgimenti. Per esempio: essicazione Il contenuto energetico della biomassa dipende anche dalla specie del legno utilizzato

utilizzabilità per combustione. Però è possibile oltrepassare il limite mediante particolari accorgimenti.

5 La biomassa Caratteristiche CONTENUTO ENERGETICO DEL LEGNO (DI BETULLA) A DIVERSI VALORI DI UMIDITA Umidità (%) Potere Calorifico (MJ/kg)

Umidità (%) Potere Calorifico (MJ/kg) 10 18.46 1.

6 La biomassa Utilizzazione energetica, I UTILIZZAZIONE ENERGETICA: trasformazione del contenuto energetico (di natura chimica: il potere calorifico) della biomassa in una forma di energia utilizzabile. energia termica (riscaldamento) energia elettrica (vettore energetico molto efficiente) in un combustibile: solido (carbone vegetale), gassoso (syngas), liquido biomassa+carbone: Studstrup Power Station (DK) Motrice con gassogeno (anni )

energia termica (riscaldamento) energia elettrica (vettore energetico molto efficiente) in un combustibile:

7 La biomassa Utilizzazione energetica, II I PROCESSI DI CONVERSIONE Termochimici combustione gassificazione pirolisi Biologici digestione anaerobica fermentazione Chimici: trasformazione in combustibili

gassificazione pirolisi Biologici digestione

8 La combustione delle biomasse Gli apparati IL SISTEMA DI COMBUSTIONE 3 sistemi con trasporto pneumatico con combustione rapida in sospensione aerea di un combustibile pulverulento (p.e. segatura di legno) 4 sistemi a letto fluido (bollente o trascinato) 1 sistemi con alimentazione dal basso 2 sistemi con griglia, fissa o, preferibilmente, mobile

9 La combustione delle biomasse Il combustibile Le caldaie a biomassa di dimensioni medie e grandi ( 1 MW) utilizzano combustibile legnoso a ridotta granulometria: si evita l utilizzo di idrocarburi in supporto miglior combustione (minori emissioni nocive) si possono utilizzare sistemi di caricamento automatici Il cippato è un prodotto legnoso formato da scaglie (dimensione 5-50 mm) prodotte per taglio

supporto miglior combustione (minori emissioni nocive) si possono utilizzare sistemi di caricamento

10 La combustione delle biomasse Gli apparati, I DAI PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE ALLA ENERGIA ELETTRICA L energia termica prodotta dalla combustione si ritrova nel gas ad alta temperatura risultante dalla combustione stessa (salvo per la frazione scambiata direttamente per irraggiamento). La produzione di energia elettrica richiede che l energia termica sia ceduta ad un opportuno fluido che percorra un ciclo termodinamico in grado di produrre potenza

(salvo per la frazione scambiata direttamente per irraggiamento).

11 La combustione delle biomasse Gli apparati, II IL CICLO TERMODINAMICO Il motore che effettua la trasformazione termodinamica della energia termica proveniente dalla combustione della biomassa in energia utile (elettrica) tipicamente è un motore che utilizza un vapore ed è costituito da alcuni componenti (indispensabili) espansore alternatore condensatore pompe (estrazione del condensato e alimento della caldaia)

energia utile (elettrica) tipicamente è un motore che utilizza un vapore ed è costituito da alcuni

12 La combustione delle biomasse Gli apparati, III IL SISTEMA DI CONVERSIONE Del calore deve essere scaricato in ambiente (non si può convertire interamente il potenziale energetico del combustibile in lavoro utile). Il calore di scarto può in parte essere utilizzato, per esempio, per teleriscaldamento.

interamente il potenziale energetico del combustibile in lavoro utile).

13 La combustione delle biomasse Gli apparati, IV LA PRODUZIONE DI POTENZA La soluzione tradizionale è la cessione diretta ad un flusso di acqua evaporante in una caldaia a vapore. Il vapore realizza il ciclo Rankine. con evaporazione a bar (per potenze fra 5 e 50 MW) riscaldamento diretto del fluido di lavoro da parte dei gas caldo oppure in alternativa, adozione di un circuito intermedio percorso da un fluido opportuno per il trasporto del calore.

con evaporazione a 30-80 bar (per potenze fra 5 e 50 MW) riscaldamento diretto del fluido di lavoro da parte dei

14 La combustione delle biomasse Gli apparati, V LA PRODUZIONE DI POTENZA (a) schema semplficato di un impianto a ciclo Rankine a vapore d acqua (b) schema di un impianto a ciclo Rankine con fluido di scambio termico intermedio Per le potenze modeste (inferiori a 1-2 MW si preferisce utilizzare quale fluido di lavoro, in luogo del vapor d acqua, un fluido organico (ORC - Organic Rankine Cycle).

di scambio termico intermedio Per le potenze modeste (inferiori a 1-2 MW si preferisce utilizzare

15 La combustione delle biomasse Gli apparati, VI L ESPANSIONE DEL VAPORE (ad alta pressione e temperatura) avviene in turbine in macchine volumetriche Durante l espansione l energia termica (di pressione e temperatura) si trasforma in energia meccanica e poi, per mezzo di un alternatore, in energia elettrica.

Durante l espansione l energia termica (di pressione e temperatura) si

16 La combustione della biomassa I consumi Con riferimento al caso (*) Per ogni kwh elettrico generato 4.67 (= 0.7/0.15) kwh termici recuperati 6.67 (= 1/0.15) kwh termici forniti dal combustibile 1.33 kg di biomassa (= 6.67/5) (potere calorifico: 18 MJ/kg = 5 kwh/kg)

17 Alcuni impianti realizzati Impianto CHP a Lienz (A), I L impianto è operativo dal MWh/a di energia termica dalla combustione di biomassa 250 MWh/a di energia termica dalla energia solare 7200 MWh/a di energia elettrica dalla biomassa una caldaia a biomassa da 7000 kw (acqua calda) una caldaia a biomassa da 6000 kw (olio diatermico) per ciclo termodinamico ORC da 1000 kw elettrici

7200 MWh/a di energia elettrica dalla biomassa una caldaia a biomassa da 7000 kw (acqua calda) una

18 Alcuni impianti realizzati Impianto CHP a Lienz (A), II

19 Alcuni impianti realizzati Impianto CHP a Tirano (I), I una caldaia a biomassa da 8 MW (olio) potenza termica nominale olio per ORC: 6.2 MW potenza elettrica nominale ORC: 1.1 MW (η = 18%) Schema semplificato della caldaia a biomassa e del motore ORC L impianto CHP è operativo dal x 6 MW caldaie a biomassa (acqua calda)

20 Alcuni impianti realizzati Impianto CHP a Tirano (I), I Analisi di Secondo Principio per il motore ORC a Tirano A perdita ineludibile per combustione ( 50%) ( C) B perdita dovuta alla bassa temperatura dell olio ( C) ( 24%) C, D lavoro (exergia) perso sulle macchine (turbina e pompa: 4%) (scambiatori di calore: 9%) E exergia (lavoro) utile. Con riferimento alla capacità iniziale del combustibile di produrre lavoro in modo ideale: 15%

(250-300 C) ( 24%) C, D lavoro (exergia) perso sulle macchine (turbina e pompa: 4%) (scambiatori di calore: 9%)

21 L uso della biomassa per la produzione di energia Osservazioni conclusive, I L uso della biomassa per la produzione di energia ben si presta alla realizzazione di piccole centrali CHP distribuite. Quanto meno: si riducono i costi di trasporto del combustibile si fornisce energia elettrica e calore dove servono si valorizza il ruolo delle aziende agricole locali Le tecnologie disponibili: combustione motore o turbina a vapore, turbina con fluido organico, motore Stirling produzione di combustibili liquidi o gassosi motori a combustione interna, anche le celle combustibili (potenzialmente, in futuro)

22 L uso della biomassa per la produzione di energia Osservazioni conclusive, II Esiste una notevole attenzione degli organi europei alla diffusione dell uso delle energie rinnovabili nella produzione di energia. Sull uso della biomassa, in particolare. 1 REPORT FROM THE COMMISSION TO THE COUNCIL AND THE EUROPEAN PARLIAMENT on sustainability requirements for the use of solid and gaseous biomass sources in electricity, heating and cooling, DIRETTIVA 2009/28/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E DEL CONSIGLIO del 23 aprile 2009 sulla promozione dell uso dell energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE

23 L uso della biomassa per la produzione di energia Osservazioni conclusive, III Il governo italiano favorisce la realizzazione di impianti per la produzione della energia da fonti rinnovabili. Bando per l erogazione del contributo finalizzato alla realizzazione di impianti connessi alla produzione di energia da biomasse pubblicato in data 16 febbraio 2010, L energia elettrica prodotta viene incentivata 1 con il rilascio dei certificati verdi, oppure 2 con una tariffa agevolata onnicomprensiva

24 M. Gaia Processi e tecnologie per la produzione di energia da biomasse. Tecnologie e prospettive della produzione di energia da biomasse. Corso di Aggiornamento, Politecnico di Milano, novembre L. Panozzo Le moderne tecnologie di produzione e distribuzione di energia termica ed elettrica negli impianti alimentati a biomassa. Presentazione ad un convegno, Marcena di Rumo, Venerdì 11 marzo G. Cornetti Macchine termiche Edizioni il Capitello, Torino, I. Obernberger, P. Thonhofer, E. Reisenhofer Description and evaluation of the new 1000 kwel Organic Rankine Cycle process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria Euroheat and Power, Volume 10, R. Bini, A. Duvia, A. Schwarz, M. Gaia, P. Bertuzzi, W. Righini Operational results of the first biomass CHP plant in Italy based on an Organic Rankine Cycle turbogenerator and overview of a number of plants in operation in Europe since 1998 from:

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