Tecnologie delle Energie Rinnovabili Energia dalle Biomasse - Parte C Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali Università degli Studi di Cagliari cocco@dimeca.unica.it http://dimeca.unica.it/~cocco/ A.A. 2011-2012
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
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
Generazione elettrica Piccole Potenze 5-1000 kw Caldaie Ciclo Stirling Caldaie Ciclo ORC Gassificatori Ciclo ORC/Rankine Medie Potenze 1-5 MW Caldaie/gassificatori Ciclo ORC/Rankine Gassificatori Ciclo Brayton Elevate Potenze 5-50 MW Caldaie/gassificatori Ciclo Rankine Gassificatori Ciclo Brayton/Combinato
Impianti a vapore Biomassa Vapore ~ energia elettrica generatore di vapore Acqua turbina a vapore Vapore Acqua Acqua raffr. Pompe Condensatore
Tramoggia di carico
Caldaia a griglia
Caldaia a griglia
Caldaia a griglia
Ciclo a vapore
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=25%), Potenza=47250 kw; Potenza elettrica lorda 12800 kw, consumi interni 1500 kw, potenza netta 11295 kw; Potenza termica al condensatore 25920 kw, potenza termica al camino 5500 kw (166 C); Utilizzazione all 85% (7450 ore), produzione elettrica netta 84,1 GWh/anno, consumo di biomasse 108000 t/anno; Rendimento globale netto 23,9%.
Bilancio economico Costi specifici circa 2200-2800 /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 50-90 /t, totale 5-9 M /a; Ricavi da certificati verdi (100 /CV) 10 M /a (15 M /a se da filiera corta), ricavi da vendita energia (80 /MWh) 6-7 M /a; Superficie da coltivare a SRF (es. Pioppo) 5000-7500 ha/anno;
Il Mercato Elettrico
Incentivi alle Rinnovabili
Il Valore dei Certificati Verdi Oltre 10 milioni di CV (1 MWh/CV)
Il Sistema dei Certificati Verdi La quota di CV viene calcolata al netto degli assorbimenti interni, per gli impianti con produzione superiore a 100 GWh, al netto della cogenerazione I certificati Verdi vengono emessi per ciascuna quota pari a 1 MWh di energia elettrica prodotta da impianti qualificati dal GSE come IAFR, moltiplicata per un coefficiente K I CV sono attribuiti agli impianti IAFR, a quelli alimentati con rifiuti organici, con idrogeno e agli impianti di teleriscaldamento (solo per la quota effettivamente usata in teleriscaldamento) L obbligo dei CV può essere espletato anche mediante l importazione di energia prodotta all estero mediante impianti rinnovabili certificati con meccanismi analoghi ai CV
Il Sistema dei Certificati Verdi
La Tariffa Omnicomprensiva Tariffa per impianti con potenza inferiore a 1 MW
Inquinanti e Gas Serra Ossidi di Zolfo (SOx). Si formano a partire dallo zolfo contenuto nel combustibile; S O O SO 2 Ossidi di Azoto (NOx). Si formano a partire dall azoto dell aria e del combustibile; Particolato. Si forma a partire dalle sostanze solide presenti nel combustibile; N O N O O NO, NO 2 Ossido di Carbonio e HC. Si formano per combustione incompleta; Anidride Carbonica (CO 2 ). Si forma durante la combustione di tutti i combustibili a base di carbonio. C C O O O CO CO 2
Concentrazione Inquinanti a) Bilanci di massa; b) Fattori di Emissione; c) Misure sul campo. Unità di misura delle concentrazioni: mg/m 3, ppmv, ppmm Eccesso d aria Aria stechiometrica Combustibile (C, H, O, N, S, Ceneri, H 2 O) Diluizione Reazioni di combustione Ceneri pesanti N 2 +O 2 CO 2 +H 2 O+ N 2 + SO X + NO X +Polveri
Bilancio di massa 1kg biomassa + 6 kg di aria = 7 kg di gas combusti 1kg biomassa = 0,01 kg di ceneri leggere 1 kg di gas combusti = 1,182 m 3 a 180 C e 1,1 bar 0,780 m 3 a 0 C e 1,0 atm 0,01 kg C Fly-ash = = 0,00121 kg/m 3 (1210 mg/m 3 ) 7 1,182 m 3 di gas 0,01 kg C Fly-ash = = 0,00183 kg/m 3 (1830 mg/nm 3 ) 7 0,780 m 3 di gas
D.lgs. 152/06 limiti di emissione Limiti di emissione per impianti di combustione alimentati con biomasse solide 0,15<P<3 MW 3<P<6 MW 6<P<20 MW >20 MW Polveri Totali 100 30 30 30 COT - - 30 10 CO 350 300 250 200 NO X (come NO 2 ) 500 500 400 400 SO X (come SO 2 ) 200 200 200 200 I limiti sono espressi in mg/nm 3, riferiti a fumi secchi e con un tenore di ossigeno dell 11% in volume. Per le polveri è richiesta una efficienza di rimozione dell ordine del (1830-30)/1830=98-99%! 99%!
Trattamento gas combusti
Rimozione ceneri leggere Cicloni
Rimozione ceneri leggere meccanismo di scuotimento 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
Filtri a manica Il filtro rimuove oltre il 99% del particolato
Filtri a manica Fibra Massima temperatura Resistenza agli acidi Resistenza agli alcali RESISTENZA 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. Rendimenti elevati (>99,9%), ma con alte perdite di carico e temperature operative non molto elevate
Fattori di Emissione Bruciatori tangenziali Bruc. frontali Letto Specie Ceneri secche Ceneri fuse Ceneri secche Fluido (FBC) inquinante bitum. sub.bit. bitum. sub.bit. bitum. sub.bit. circ.te boll.te NOx 4,54 3,27 6,35 10,89 5,44 3,36 2,27 6,89 CO 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 0,23 8,16 8,16 SOx 17,24 S 15,88 S 17,24 S 15,88 S 17,24 S 15,88 S (1) (1) Particolato 4,54 A 4,54 A 3,18 A 3,18 A 4,54 A 4,54 A 7,71 7,71 PM-10 1,04 A 1,04 A 1,80 A 1,80 A 1,04 A 1,04 A 5,62 5,62 Nota: S ed A sono le percentuali di zolfo e di ceneri nel combustibile (1) Valutabile secondo la: 17,96 S (Ca/S) -1,9, con (Ca/S) rapporto molare della desolforazione interna Tabella 7.3 Fattori di emissione per generatori di vapore alimentati con carbone, riferiti al consumo di combustibile, espressi in kg/t, (EPA, 1995). m I =F m C C NO X = 3,36 g di NO X = 615 mg/nm 3 7 0,780 m 3 di gas
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% 85% degli NOX
Riduzione catalitica NO X
L Inquinamento Termico Per i laghi la temperatura dello scarico non deve superare i 30 C e l incremento di temperatura del corpo recipiente non deve in nessun caso superare i 3 C oltre 50 metri di distanza dal punto di immissione. Per il mare la temperatura dello scarico non deve superare i 35 C e l incremento di temperatura del corpo recipiente non deve in nessun caso superare i 3 C oltre i 1000 metri di distanza dal punto di immissione. Lungo i corsi d acqua la variazione massima tra le temperature medie di qualsiasi sezione del corso d acqua a monte e a valle del punto di immissione non deve superare i 3 C e su almeno metà di qualsiasi sezione a valle, tale variazione non deve superare 1 C.
L Inquinamento Termico A livello locale, il principale rilascio termico è dato dal raffreddamento del condensatore Vapore ~ energia elettrica generatore di vapore Acqua turbina a vapore Vapore Pompe Acqua Condensatore Acqua di mare
Rapporto potenza termica/potenza netta L Inquinamento Termico 10 8 Centrale a Biomassa: =25% P E =10 MW P T =30 MW 6 4 2 MCI e MTG TG IV e IGCC IC FC 0 0 20 40 60 80 100 Rendimento netto (%)
Le opzioni a disposizione Vapore Acqua di raffreddamento Vap Aria Con Condensa a) Condensatore operante in circuito aperto b) Condensatore ad aria Potenza termica al condensatore 26000 kw Incremento di temperatura dell acqua Aria umida 10 C Portata = Vapore 26000 kw = 620 kg/s = 2240 m 3 /h 4,186 10
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.
L Inquinamento Termico
Le opzioni a disposizione ffreddamento Aria Vapore Aria Condensa in circuito aperto b) Condensatore raffreddato ad aria Aria umida
Impianti a vapore Le potenze tipiche sono di 10-20 MWe con rendimenti netti di circa il 23-27%; Rendimenti migliori possono essere ottenuti in co-combustione con carbone; Gli investimenti sono di circa 2500 /kwe, con costi di gestione del 5-6% annuo; La fattibilità dipende molto dal costo delle biomasse e dal prezzo di vendita dell energia e dei certificati verdi; Nel caso di coltivazioni energetiche (pioppo in SRF, canna comune) permangono alcune criticità sul fronte agricolo;
Sostenibilità ambientale 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!
Sostenibilità ambientale Energia solare 25000 170 20 2,5 Coltivazione Energia da Fossili (35%) 110 Prodotto raccolto (U=50%) 235 250 Trasporto e stoccaggio Energia elettrica 60 Perdite Cippato alimentato (U=30%) Conversione (24%) 190 Dati in GJ/ha Energia elettrica 60 Perdite Risparmio= 170 - (20 + 2,5) 170 =0,868
Linee di sviluppo Tecnologia matura e consolidata Energia termica Principali linee di sviluppo Miglioramento della automazione Riduzione delle emissioni inquinanti Aumento del rendimento Uso di pellets da colture erbacee Processo di combustione Energia elettrica (CHP) Impianti di taglia relativamente bassa Co-combustione con carbone Cicli ORC Motori Stirling Macchine a vapore volumetriche Turbine a gas a combustione esterna Motori Diesel ad olio vegetale
Pellet da colture erbacee La produzione di pellet da colture erbacee è interessante in quanto consentirebbe di valorizzare i prodotti agricoli nell ambito di filiere corte, sostituendo combustibili pregiati e costosi come gasolio, GPL e metano
I motori a vapore Hammerschmid, A.S., I. Obernberger, et al., Demonstration and Evaluation of an Innovative Small-Scale Biomass CHP Module Based on a 730 kwel Screw-Type Steam Enginein 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy, Industry and Climate Protecion,. 2004: Rome.
I motori Stirling
I sistemi ORC
I sistemi ORC Pe=200 kw 80 C 250 C 60 C Pt=1200 kw 300 C Pa=950 kw
I sistemi ORC
I sistemi ORC
I sistemi ORC
I sistemi ORC Rendimento caldaia 80-90% Rendimento elettrico netto 14-16% Rendimento termico netto 60-70% Costi di impianto 3500-5500 /kw Margini di convenienza solo attraverso il funzionamento in cogenerazione
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.
Il problema del TAR SYNGAS CO H2 CO2 H2O CH4 N2 TAR Particolato etc. Gassificatore 0,5-100 g/m 3 Ottimizzazione dei parametri operativi del gassificatore (temperatura, pressione, ossigeno, vapore, etc.) Gassificazione con CO 2 Co-gassificazione con carbone Iniezione di additivi (dolomite, ossidi di ferro e di vanadio, etc.) Gassificatori a due zone. 0,05 g/m 3 Depurazione Cracking termico ad alta temperatura (900-1200 C); Cracking catalitico con catalizzatori a base di nickel, carbonati, ossidi metallici, etc. ; Scrubbing e recupero del TAR.
La sezione di potenza Sezione di gassificazione Rendimento: 80-85% Ciclo combinato gas/vapore Rendimento: 55-60% Rendimento IGCC da 400-500 MW:42-48% Gassificazione con biomasse (BGCC) Per i BGCC le potenze sono al massimo 40-50MW (ma più spesso 5-15 MW) e un ciclo combinato non è giustificato Turbine a gas con iniezione di vapore (BIG/STIG) Microturbine a gas (MGT) SOFC e MCFC, eventualmente in configurazione ibrida con MGT Produzione di idrogeno o altri vettori energetici per alimentazione di utenze decentrate
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
Produzione biogas (%) Il biogas 100 80 60 40 Regime Psicrofilo Regime Mesofilo Regime Termofilo 20 0 0 20 40 60 80 100 Tempo di ritenzione (giorni) Figura 5.13 Produzione di biogas in
Il biogas da erbacee Biogas Co-substrato Digestore Substrato Fumi Stoccaggio biogas Compost Centrifuga Substrato digerito Concime liquido U Acqua calda Motore Energia elettrica Torcia La coltivazione di 300-400 ettari ad erbacee (mais, sorgo, etc.) può alimentare un impianto da 1 MW (costo 5 M ) e produrre circa 8000 MWh/anno di energia, con ricavi che grazie agli attuali incentivi sono di circa 2,5 M /a. Dedotte le spese e l ammortamento, si ha un buon reddito agricolo (2000-3000 /ha) e notevoli ricadute occupazionali sul territorio
Energia da oli vegetali Solventi Energia elettrica Metanolo Energia elettrica Colza, girasole, soia, ecc. Estrazione olio grezzo Olio grezzo Transesterifica zione Biodiesel Panello proteico Glicerina Energia termica Motore Diesel Energia elettrica Gas di scarico
Primary energy saving (GJ/ha) Studi sulla sostenibilità Risparmio di energia primaria (GJ/ha) di filiere per la produzione di energia da colza 80 70 CASE A CASE B 65,8 69,8 60 57,9 50 40 33,8 30 26,0 20 10 0 Biodiesel Fuel System Diesel Power System Steam Power System
Avoided GWP (%) Studi sulla sostenibilità 62 Emissioni evitate di CO 2 (t CO2 /ha) di filiere per la produzione di energia da colza CASE A CASE B 61,1 60 58 58,2 58,0 56 56,0 54,6 54 52 50 Biodiesel Fuel System Diesel Power System Steam Power System
THE END