: piccoli impianti Dario Di Santo, FIRE Convegno AIEE-ENEA-FIRE Usi termici delle fonti rinnovabili 11 novembre 2009, Roma
Cos è la FIRE La Federazione Italiana per l uso Razionale dell è un associazione tecnico-scientifica che promuove per statuto l efficienza energetica in tutte le sue forme supportando chi opera nel settore come energy manager o come operatore. Oltre alle attività rivolte agli oltre 500 soci, la FIRE opera su incarico del Ministero dello Sviluppo Economico per gestire le nomine e promuovere il ruolo degli energy manager nominati ai sensi della Legge 10/91. La Federazione collabora con le Istituzioni, la Pubblica Amministrazione e varie Associazioni per diffondere l uso efficiente dell energia ed opera a rete con gli operatori di settore e gli utenti finali per individuare e rimuovere le barriere di mercato e per promuovere buone pratiche. www.secem.eu www.e-quem.enea.it
Una sfida non solo energetica L energia viene spesso associata alle biomasse... che del resto sono state usate per molto tempo come combustibile primario per soddisfare le esigenze dell uomo. Dapprima per soddisfare i fabbisogni dei ricchi...... poi, con l avvento dei combustibili fossili, per accontentare i poveri...... infine, per rispondere alle esigenze di un mondo assetato... Una sfida importante, non solo energetica, in un sistema che ha dimostrato con la crisi finanziaria che i miracoli è bene lasciarli fare a chi è del mestiere. Fonte delle figure: Unesco.
Gli aspetti da considerare Lo sviluppo dei piccoli impianti alimentati a biomasse passa necessariamente attraverso una serie di percorsi, che uniscono insieme le tematiche seguenti: scelta del combustibile; evoluzione tecnica; aspetti ambientali; approcci di mercato; decisioni legislative. Solo se i punti evidenziati matureranno insieme si potranno cogliere i frutti attesi, raggiungendo nel contempo gli obiettivi auspicati dalle direttive comunitarie. La complessità del tema e la vastità delle soluzioni disponibili dovrebbero mettere in guardia da un approccio casuale e non meditato al problema. Pertanto è auspicabile un lavoro sinergico fra istituzioni, associazioni e centri di ricerca. 4
Stacked cubic meter Stacked m 3 Schichtraummeter rm 32 2. CONTENUTO ENERGETICO ITALIANO Simbolo SLOVENO Simbolo Metro cubo m 3 Kubični meter m 3 Metro stero riversato msr Prostrni meter prm 2.10 Equivalenze Metro stero energetiche [3] accatastato FRANCESE Simbolo POLACCO Simbolo Potere calorifico (valori medi) Mètre cube de bois MJ kwh plein m 3 metr sześcienny m 3 Gasolio extraleggero 36,17 MJ/l (42,5 MJ/kg) 10 kwh/l (11,80 kwh/kg) Mètre cube apparent Gasolio plaquette leggero 38,60 MAPMJ/l (41,5 MJ/kg) metr nasypowy 10,70 kwh/l (11,50 kwh/kg) mn Metano * Stère stère36,00 MJ/m 3 metr przestrzenny 10,00 kwh/m 3 mp GPL ** 24,55 MJ/l (46,30 MJ/kg) 6,82 kwh/l (12,87 kwh/kg) Carbone 27,60 MJ/kg 7,67 kwh/kg Coke 40/60 29,50 MJ/kg 8,20 kwh/kg Lignite (briquettes) 20,20 MJ/kg 5,60 kwh/kg 1 kwh elettrico 3,60 MJ 1 kwh 1 kg di legno (M = 20%) 14,40 MJ/kg 4,00 kwh/kg * 1 kg = 5,8 l (20 C, 216 bar) ** 1m 3 GPL = 4 l = 2 kg 1 kg gasolio 3 kg di legno 1 l gasolio 2,5 kg di legno Per rapidi calcoli approssimativi si possono impiegare le seguenti equivalenze energetiche che non tengono conto dell efficienza dell impianto. msa Nasut kubični meter Nm 3 territoriolegnoenergia Fonte: AIEL, Itabia. 1.000 litri di gasolio da riscaldamento 5-6 msr di legna di latifoglie 7-8 msr di legna di conifere 10-15 msr di cippato 2,1 t di pellet 1.5 Massa volumica delle principali specie forestali Tabella 1.5.1 CONIFERE - valori medi con contenuto idrico (M) 13% [1] SPECIE kg/m 3 SPECIE kg/m 3 Abete rosso 450 Cipresso 600 Abete bianco 470 Pino domestico 620 Pino cembro 500 Larice 660 Douglasia 510 Pino marittimo 680 Pino silvestre 550 Tasso 700 Pino nero 560 Pino d aleppo 810 Combustibili: forma d uso; qualità; provenienza; costi. 5
gono le più alte temperature e l energia viene ceduto MPIANTI TERMICI ANUALI A LEGNA pianti termici per il riscalmento e la produzione di qua sanitaria, fino a una tenza di circa 100 KW. camera di combustione sotto il focolare dove un tema di aria forzata (aria imaria) alimenta la fiamma rso il basso, sotto l accuulo di legna. as di legna vengono richiaati e combusti (ossidati) lla seconda camera di mbustione, qui si raggiunno le più alte temperatue l energia viene ceduto Fonte: AIEL. ALDAIA A FIAMMA INVERSA ACCUMULO INERZIALE lle caldaie a pezzi di legna fondamentale l installaziodi un accumulo inerziale e deve essere correttamendimensionato. fatti, la carica di legna prime una quantità di enertermica spesso superiore fabbisogno giornaliero di lore, specie nelle mezze gioni e d estate, perciò, r evitare di disperdere nelmbiente questa energia rmica, con evidente spre-, essa deve essere con- L ACCUMULO INERZIALE Nelle caldaie a pezzi di legna è fondamentale l installazione di un accumulo inerziale che deve essere correttamente dimensionato. Infatti, la carica di legna esprime una quantità di energia termica spesso superiore al fabbisogno giornaliero di calore, specie nelle mezze stagioni e d estate, perciò, per evitare di disperdere nell ambiente questa energia termica, con evidente spreco, essa deve essere convogliata e stoccata nell accumulatore inerziale, detto anche puffer. all acqua - il vettore termico - grazie agli scambiatori di calore. 1. Aria primaria pre-riscaldata 2. Aria secondaria È un serbatoio termicamente 3. Turbo-camera di combustione isolato che consente di: 4. Turbolatori verticali 5. Sonda ottimizzare Lambda la combustione allungando la vita alla 6. Ventilatore caldaia; a tiraggio forzato e regolazione assorbire i elettronica picchi di richiesta termica dell impianto; 7. Pannello elettronico programmare il riscaldamento degli ambienti per di comando le prime ore della mattina; disporre di maggiori quantità di acqua sanitaria con Sono generatori di piccola e una sola carica di legna; media integrare potenza l impianto da 25 termico a legna 400-500 con un sistema kw impie- kw fino a circa solare termico. gati a scala domestica fino al servizio di mini reti di teleriscaldamento. Sono dotate di un focolare fisso alimentato in vari modi e necessitano di cippato di qualità. 7. Pannello elettronico di comando IMPIANTI TERMICI AUTOMATICI A CIPPATO E PELLET CALDAIE A GRIGLIA FISSA 8 Tecnica L accumulo è un componente fondamentale per caldaie a tronchetti. 1. sottoalimentazione a spinta 2. piastra di concentrazione fiamma 3. scambiatore 4. turbolatori 5. flusso gas caldi 6. canna fumaria 7. sonda Lambda 8. scambiatore di sicurezza (EN 303-5) 9. motore coclee e sist. pulizia scambiatore 10. coclea asporto cenere 11. barra comando sist. pulizia scambiatore 12. cassetto cenere 13. aria primaria 14. aria secondaria pre-riscalsata 6
ETTES tte dalla pressatura di diversi resi- MBUSTIONE COMPLETA ED EFFICIENTE non trattati con un contenuto idrico re al 15% (w). bustione del legno è completa quando tutte le sue componenti hanno reagito con l ossicomburente) assa, media ed e alta sono pressione, state quindi combuste. Nei moderni apparecchi termici, l obiettivo è i brichettatura si distinguono in i i quello (sistema di a vite massimizzare e a pistone) attie di coesione tra le particelle evi- l efficienza del processo, limitando il più possibile la perdita di a, cioè di gas incombusti Fonte: (CO). di sostanze leganti accessorie. AIEL. Sistemi di riscaldamento vità delle brichettatrici può varia- 1200 kg/h. ETRI INDICATIVI DELLE BRIQUETTES ca ico (w) co inferiore T Unità di misura kg/m 3 % kwh/kg % (in peso) Valore > 900 < 15 4,6-5,2 0,5-1 PARAMETRI DI CONTROLLO DELLA COMBUSTIONE DEL LEGNO Gas esausti Livelli ottimali Ossigeno nei fumi (O 2 ) 5-8% Anidride carbonica (CO 2 ) 13-16% Ossido di carbonio (CO) < 100 ppm Ossidi di Azoto (NO x ) 850-1200 C Temperatura gas esausti < 150 C DERNI APPARECCHI Contenuto idrico (tal quale) TERMICI %su < 10 processo industriale Unità di misura attra- Parametro U.M. AIEL Valore Ceneri %ss 1 le ultimi segatura anni o il mm le notevole scaglie PCI MJ/kg 16,9 10 -progresso 50 tecnologico ha prodotto apparecchi termici in grado di gine polverizzate, con cono Cloro legna (Cl) pressoché perfetta %ss e valori < 0,03delle emissioni molto inferiori Azoto (N) %ss 0,3 re una combustione mm della 6-10 a (w) compreso tra l 11 e kg/m ti fissati dalle 3 e.v. Darmstadt (Germania) www.oeko.de). 1150 Zolfo - 1400 (S) %ss < 0,05 o trasformate - con elevate norme nazionali ed europee. Per maggiori informazioni sulla problematica kg/msr 600-650 Arsenico (As) mg/kg < 0,8 n piccoli cilindri. o (w) % 8 Cadmio -12 (Cd) mg/kg delle emissioni < 0,5 visita il sito: i formazione del pellet il o inferiore kwh/kg 4,7 Cromo - 5 (Cr) mg/kg < 8 rito attiva l effetto legante www.aiel.cia.it (emissioni legno). Rame (Cu) mg/kg < 5 a; solitamente % (in quindi peso) non 0,3-1 Mercurio (Hg) mg/kg Nelle moderne < 0,05 caldaie a legna le alte o l uso di leganti, oppure Piombo (Pb) mg/kg < 10 temperature raggiunte in camera di combustione, < 0,03circa 800-900 C, determi- i a precise sostanze natu- Zinco (Zn) mg/kg < 100, melassa, olii vegetali, Sodio (Na) %ss Massa sterica kg/m3 lignina ecc.). > 600 nano una combustione molto raffinata Massa volumica g/cm3 to vita ad un sistema di > 1,15 Durabilità meccanica % con un 97,7 della qualità del pellet rendimento termico superiore Formaldeide (HCHO) mg/100g I.V. ELLET GOLD, un marchio all 85-90%. In tali apparecchi i processi Agenti leganti 1 % < 2 della qualità del prodotto. di combustione sono ottimizzati grazie 1 aggiori informazioni Sono ammessi come agenti leganti esclusivamente i materiali biologici non trattati chimicamente come indicato a un nella sistema normativa ww.pelletgold.net di aria forzata controllato UNI CEN TS 14961. Per esempio amido di mais, olio vegetale grezzo estratto mediante spremitura meccanica. da un dispositivo di regolazione (sonda LAMBDA). sione in atmosfera di una certa quantità di anidride carbonica (CO 2 ) e di altri gas ad effetto serra che sono espressi in forma aggregata con il parametro CO 2 equivalente. I valori riportati in tabella 5.5.1 consentono di calcolare la riduzione di CO 2 conseguibile sostituendo i combustibili fossili con quelli legnosi. Tabella 5.5.1 Consumi energetici ed emissioni di CO 2 CER % CO 2 kg/mwh CO 2 eq. kg/mwh Legna da ardere (10 kw) 3,69 9,76 19,27 Cippato forestale (50 kw) 7,81 21,12 26,04 Cippato forestale (1 MW) 8,61 21,13 23,95 Cippato da SRC di pioppo (50 kw) 10,44 27,39 40,16 Pellet (10 kw) 10,20 26,70 29,38 Pellet (50 kw) 11,08 28,95 31,91 Gasolio (10 kw) 17,33 315,82 318,91 Gasolio (1 MW) 19,04 321,88 325,43 GPL (10 kw) 15,03 272,51 276,49 Metano (10 kw) 14,63 226,81 251,15 Metano (1 MW) 17,72 233,96 257,72 * Analisi condotta con il database GEMIS (Global Emission Model for Integrated Systems versione 4.42, Öko-Institut ** CER: Cumulated Energy Requirement, è la misura dell ammontare complessivo di risorse energetiche (primarie) necessarie per erogare l unità di energia termica utile. 7
mente una palazzina di 6 appartamenti (tabella e grafico 5.3.1). Le assunzioni fatte (es. la scelta del saggio d interesse, della durata dell investimento, del rendimento medio annuo del generatore etc.) e i valori utilizzati si riferiscono a condizioni medie. Consumi Fonte: AIEL, di biomasse Itabia. legnose in POTERE Italia nel 2006 (fonte AIEL) CALORIFICO Il potere calorifico delle diverse specie legnose, a parità di peso Tabella e contenuto 5.3.1 Le voci idrico, di costo varia ed molto i valori per i diversi sistemi poco e ciò è dovuto alla loro stessa composizione chimica. IMPIANTI E COSTI OPERATIVI U.M. LEGNA A. LEGNA C. CIPPATO PELLET METANO GASOLIO GPL Il potere calorifico si esprime in MJ/kg o kwh/kg e indicativamente assume questi valori: Saggio d interesse % 5 5 5 5 5 5 5 PCI anidro (medio) = 18,5 MJ/kg = 5,14 kwh/kg Durata investimento (anni) a 20 20 20 20 20 20 20 Potenza della caldaia kw 100 100 100 100 100 100 100 Ore annuo funzionamento h 1.300 1.300 1.300 1.300 1.300 1.300 1.300 Prod. energia primaria MWh/a 130 130 130 130 130 130 130 Milioni di t 24 Legna da ardere per uso domestico Rend. stagionale impianto % 75% 75% 79,0% 84% 90% 85% 90% Il potere calorifico del legno Pellet per indica uso domestico utile la quantità di energia che può essere * MWh/a 97,50 97,50 102,70 109,20 117,00 110,50 117,00 20 Cippato nell'industria del legno ricavata 17,6 Costi investimento (IVA incl.) 45.000 45.000 65.000 40.000 13.000 18.000 13.000 dalla combustione Cippato completa per cogenerazione Costi del capitale = reintegra (R) /a 1.361 1.361 1.966 1.210 393 544 393 16 di un unità di peso e resa Cippato utile per per gli teleriscaldamento Fabbisogno annuo combustibile u.m. 32,7 32,7 38,2 28,3 13.542 13.000 19.062 scopi desiderati. Cippato per produzione elettricità Costo/prezzo combustibile ** /u.m. 77 130 88 216 0,72 1,04 1,22 12 Spesa annua combustibile (a) /a 2.944 4.971 3.365 6.104 9.750 13.463 24.863 Il potere calorifico del legno è elettrica (b) /a 50 50 200 100 30 30 30 influenzato 8 dal suo contenuto idrico, Nel Position Paper del Governo italiano : Spese emissioni temi e pulizia e sfide camino per l Europa (c) /a 130 130 ve 130 efficienze 130 d uso 60 - vanno 60 60 Due tipi di risorse - con le relati- Costi operativi (O=a+b) /a 2.994 5.021 3.565 6.204 9.780 13.493 24.893 e quindi, durante il processo di combustione, parte dell energia 3,5 4 liberata e per Manutenzione l Italia, inviato ord. e straord. alla Commissione Europea nel Settembre 2007, è le tecnologie di trasformazione. Per (d) /a 300 300 considerati: 400 200 la materia 95 prima 95 e 95 - pari a 2,44 MJ/kg 0,7 - è sottratta 1,2per 1,3 0,4 Costi d esercizio (E=c+d) /a 430 430 530 330 155 155 155 l evaporazione dell acqua. 0 COSTI ANNUI (R+O+E) /a 4.785 6.812 6.060 7.744 10.328 14.192 25.441 stimata, tra l altro, l energia primaria quanto riguarda le risorse di materia COSTI ENERGIA UTILE /MWh 49,08 69,87 59,01 70,92 88,27 128,44 217,44 che le varie categorie di biomasse prima, il potenziale delle diverse fonti 3 Kg dovrebbero fornire = 1 nel Kg 2020 per la di biomasse - espresso in energia primaria - disponibile in Italia è stimabile 10 kwh/l, GPL 6,82 kwh/l. ** di legna stagionata produzione Prezzi (IVA inclusa, di energia per i combustibili elettrica, legnosi energia termica e biocarburanti: in: 24-30 Mtep/anno, così è al 10%). di gasolio ripartito: Risorse/Efficie * Poteri calorifici impiegati: legna M20 3,98 MWh/t, cippato M30 P45 3,4 MWh/t, pellet 4,6 MWh/t, metano 9,6 kwh/m 3, gasolio Abbreviazioni - Legna A.: legna da ardere autoprodotta, pezzatura voluta; Legna C.: legna da ardere comperata sul mercato locale (P500); Cippato: M30 P45. COSTO ENERGIA PRIMARIA (E.P.) COMBUSTIBILI LEGNOSI E FOSSILI Fonte: Antonini E. Francescato V. AIEL (2008) Rilevazioni: dicembre 2007 MWh Prezzo euro elettrica 3 Mtep Rapporto Costo E.P. aliquota 14,50 euro/mwh TWh/anno con potenza rispetto installata di 2.415 IVAMWe al cippato termica 9,3 Mtep Biocarburanti 4,2 Mtep TOTALE 16,5 Mtep 1 t cippato (w 30%) 3,4 71,4 21,00 1,00 10% 1 t cippato (w 40%) 2,81 59,01 21,00 1,00 10% 1 t legna a pezzi (35-50 cm) (w 25%) 3,69 130,0 35,23 1,68 10% 1 t Pellet (w 8%) sfuso 4,7 180,0 38,30 1,82 10% 1 t Pellet (w 8%) - sacchi da 15 kg 4,7 250,0 53,19 2,53 10% Per poter valutare il percorso da seguire per realizzare 16,5 Mtep nel 2020, occorre riferirsi alla situazione attuale. Il documento fornisce per il 2005 i seguenti consumi di energia primaria da biomasse: 100 mc Metano (servito) 1 67,0 67,00 3,19 20% 1 t Gasolio agricolo (2000-5000 l) 11,67 737,1 63,16 3,01 10% 1 t Gasolio per serre (2000-5000 l) 11,67 644,1 55,19 2,63 10% 1 t Olio BTZ (S=0,3%) 11,40 835,0 73,25 3,49 20% 1000 l Gasolio riscaldamento civile 10,67 1037,8 97,27 4,63 20% 1000 l GPL (SFUSO bombola proprietà) 6,39 1095,6 171,41 8,16 20% 1000 l GPL (SFUSO bombola comodato) 6,39 1078,7 168,75 8,04 20% BIOMASSE Mtep RESIDUI Agricoltura e agroindustria 5 Foreste e industria legno 4.3 Verde pubblico urbano 0.3 Zootecnia 10-12 LEGNA DA ARDERE 2-4 COLTURE DEDICATE 3-5 TOTALE RISORSE POTENZIALI 24-30 Vi è però una sostanziale inefficienza nella raccolta, trasformazione e 8
72 5. COSTI DELL ENERGIA, ANDAMENTI E CONFRONTI Fonte: AIEL. Grafico 5.2.1 Costi dell energia nel periodo 2001-2008 (IVA escl.) 160 140 120 GPL 100 /MWh 80 Gasolio riscaldamento 60 Pellet (M10) 40 Gasolio per serre (accisa 0%) 20 Legna ardere (M20; P330) Cippato (M30; P45) 0 dic-00 giu-01 dic-01 giu-02 dic-02 giu-03 dic-03 giu-04 dic-04 giu-05 dic-05 giu-06 dic-06 giu-07 dic-07 giu-08 dic-08 9
Leggi e norme Fonte: audizione alla Commisione Agricoltura del Senato di Alessandro Ortis 27/10/2009. Assumendo lo scenario al 2020 indicato lo scorso anno dalla Commissione, in cui si mantiene costante il tasso di crescita dei consumi di energia primaria degli ultimi anni, il consumo finale di energia sarebbe stimabile in circa 167 Milioni di tonnellate equivalenti di petrolio (Mtep). L'obiettivo italiano (17%) equivarrebbe quindi a 28Mtep di energia finale che dovrà essere attribuibile alle fonti rinnovabili, a fronte di un valore attuale di circa 8 Mtep. Questo obiettivo è talmente rilevante che, secondo il Position Paper del Governo italiano del settembre 2007, supera il potenziale massimo teorico di utilizzo delle fonti rinnovabili, stimato pari a 24,5 Mtep. Di questi: 9,0 Mtep sono riferiti alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (104TWh); 9,3 Mtep sono riferiti alla produzione termica da biomassa; 4,2 Mtep sono riferiti alla produzione di biocarburanti; 2,0 Mtep sono riferiti alla produzione termica da solare e geotermia. Per adeguare l'obiettivo assegnatoci alle dimensioni del potenziale è quindi indispensabile adottare misure per ridurre (al 2020) il consumo finale tendenziale di circa il 13%; naturalmente una riduzione ulteriore del consumo finale potrebbe consentire di ridurre l'obiettivo al di sotto del potenziale. Occorre evidenziare che tale potenziale massimo teorico di sviluppo delle rinnovabili, pur essendo inferiore all'obiettivo europeo definito nella menzionata direttiva, è pari a circa tre volte l'attuale utilizzo di fonti rinnovabili; l'incremento in termini assoluti, pari a circa 16,5 Mtep, sarebbe ripartito per 4,5 Mtep al settore elettrico, per circa 4 Mtep ai carburanti e per ben 8 Mtep alla produzione termica. Tale obiettivo presenta quindi numerose criticità: solo a titolo di esempio, i 9,3 Mtep di produzione termica da biomassa (rispetto agli attuali 2 Mtep) vanno confrontati con i circa 25 Mtep di consumo di metano per usi civili; non potendo trattarsi di consumi aggiuntivi si dovrebbe ipotizzare quindi che alcuni milioni di famiglie passino dall'attuale tipo di riscaldamento ad una forma di utilizzo delle biomasse. Nonostante tale evidenza, fino ad oggi l'attenzione dei sistemi di incentivazione è stata più rivolta ad altre fonti rinnovabili, quali il solare fotovoltaico o l'eolico; ciò è singolare anche in considerazione del fatto che tali fonti, pur meritevoli, presentano, a differenza delle biomasse, una filiera di produzione fortemente basata sull'importazione della componentistica, ed apportano quindi un contributo più modesto di valore aggiunto nazionale. 10
Per approfondimenti Alcuni link utili: ; www.aiel-cia.org; www.itabia.it; www.cner.it; www.gse.it; www.nextville.it.