Produzione di energia da biomasse Prof. Roberto Bettocchi Ordinario di sistemi per l energia e l ambiente Dipartimento di Ingegneria - Università degli Studi di Ferrara Produzione di energia da biomasse La ricerca presso l Università di Ferrara Collaborazione in strutture di ricerca - Centro per l Agricoltura di Pianura dell Università di Ferrara - Laboratorio regionale di rete ERG Ottimizzazione del sistema energetico Sperimentazione (impianto pilota) Analisi termofluidodinamiche numeriche sul combustore
Introduzione alle biomasse Convertire colture dall agroalimentare all agroenergetico: - 15% terreni agricolo da destinare al no food; - riduzione supporto EU al settore bieticolo saccarifero. Aspetti correlati da affrontare: - tipi di colture per produrre biomassa; - processi di trasformazione delle biomassa in prodotti no food e/o in combustibile; - sistemi energetici; - residui fertilizzanti (azoto, fosforo, potassio); - interazione con l ambiente (emissioni gassose, metalli pesanti); - valore economico dei beni prodotti (energia elettrica, energia termica, CV, CB). Biomasse da bruciare? Utilizzo energetico più semplice delle biomasse tramite la combustione diretta: essiccazione, triturazione. Rilevanti emissione gassose e di polveri, specie ai carichi parziali. Trasformare le biomasse in combustibili liquidi o gassosi per sviluppare una migliore combustione ed effettuare un migliore delle emissioni anche ai carichi parziali.
Limiti dell energia da biomasse Le biomasse derivate da colture, possono rappresentare un valido supporto all agricoltura e fornire un significativo contributo energetico. I limiti alla produzione di energia da biomasse possono essere: - disponibilità non elevata delle materie prime, se non in zone particolari (utilità nel consorziare gli agricoltori > produttori); - convenienza alla conversione di terreni solo in aree circostanti quelle in cui si trova il sistema energetico; - costi di produzione dell energia ancora elevati. Impianti di produzione di energia di taglia medio-piccola, inferiore ai 20 MW, efficienze piuttosto basse (20 25 %) (le varie tecnologie necessitano ancora di una estesa sperimentazione sul campo). Processi di trasformazione della biomassa in combustibile Termochimici - basati sull azione del calore (per biomasse con rapporto carbonio/azoto C/N<30 e umidità<30%):combustione, co-combustione, pirolisi, carbonizzazione, gassificazione. Biochimici - basati su reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi, micro-organismi (per biomasse con rapporto carbonio/azoto C/N>30 e umidità>30%):digestione anaerobica, digestione anaerobica.
Sistemi energetici Sistemi energetici rivolti alla mini/microgenerazione Motori a combustione interna Turbine a gas Cicli a fluido organico ORC (anche combinati gas/vapore) Sistemi innovativi (Stirling, ecc.) Orientamento verso le microturbine a gas, in cogenerazione versatili e integrabili anche in trigenerazione con frigoriferi ad assorbimento emissioni ridotte rispetto ai MCI manutenzione più snella Flussi di energia e prodotti b iomassa prodotti no food: proteine, amidi, processo di trasform azione com bustile sistema energetico (m otore a c.i., turbogas,.) gruppo frigorifero ad assorbimento energia termica energia elettrica utilizzatori
Necessità della realizzazione di un modello complessivo della filiera della biomassa Colture/prodotti no food/energia Per gestire una scelta oggettiva di: - tipi di colture; - processi trasformazione di prodotti no food/combustibili; - sistemi energetici; occorre individuare le migliori configurazioni impiantistiche rispetto allo specifico contesto, effettuare l ottimizzazione globale dell insieme dei processi di trasformazione dell intera filiera energetica mediante l uso di modelli di calcolo. Necessità di un modello complessivo di simulazione della filiera Conversione di colture agroalimentari in agroenergetiche e per prodotti no food Filiera COLTURE/PRODOTTI NO FOOD/ENERGIA Aspetti correlati da affrontare: tipi di colture per produrre biomassa; processi trasformazione biomassa in prodotti no-food e combustibile; sistemi energetici; consumo energetico di ogni fase; iterazione con l ambiente; valore economico beni prodotti (elettricità, calore, no food, )
Modello di simulazione biomasse/energia Possibili obiettivi da perseguire: - Massimizzare la produzione di energia - Minimizzare il consumo energetico - Minimizzare l impatto ambientale - Minimizzare il tempo di ritorno dell investimento Modello di simulazione biomasse/energia 1 1. PRODUZIONE (colture energetiche) Tipologie -Piante e residui oleaginosi (colza, girasole, soia) -Piante e residui saccarini e aminoacidi (canna da zucchero, barbabietole, sorgo, substrati amidacei, substrati lignocellulosici) -Piante e residui vegetali putrescibili (mais ceroso, barbabietole, reflui e scarti vegetali) -Piante e residui lignocellulosici (legno, scarti agricoli, pellets) Volumi e disponibilità Caratterizzazione organica ed energetica Metodologie produttive Logistica e trasporto Tecnologie
Modello di simulazione biomasse/energia 2 2. TRASFORMAZIONE(processo di conversione) Tipologie -Estrazione: BIODIESEL -Fermentazione alcoolica: BIOETANOLO -Digestione anaerobica: BIOGAS -Gassificazione: GAS -Pirolisi: OLIO -Carbonizzazione: CARBONE -Combustione diretta e CoCombustione Efficienza volumetrica e temporale Valutazione proprietà chimico/fisiche Depurazione e trattamento Contenimento delle emissioni Tecnologie e Manutenzione Sfruttamento sottoprodotti Modello di simulazione biomasse/energia 3 3. CONVERSIONE ENERGETICA (sistema energetico) Impiego - generazione di energia elettrica e termica - cogenerazione - trigenerazione - autotrazione Tipologie - motore a combustione interna - turbine a gas -CHP -fuellcell - veicoli a combustibili alternativi Individuazione della taglia Manutenzione e diagnostica funzionale Controllo Contenimento delle emissioni
Applicazione del modello alla digestione anaerobica biomassa biogas ENERGIA ELETTRICA - produzione continua / intermittente - autoconsumo di energia CALORE - autoconsumo - utenza termica energia elettrica effettiva consumo elettrico ausiliari UTENZA TERMICA Autoconsumo in digestione anaerobica Il biogas consente di realizzare combustioni con ridotti valori delle emissioni gassose: ceneri, NO x, CO Applicazione modello alla digestione anaerobica: il caso RECUPERA di Ostellato Percolato di recupero Sistema Energetico Pressatura Accumulo Biogas RSU Miscelazione Digestione Anaerobica Batch Reflui Fase secca
Potere calorifico dei combustibili da biomasse (combustione) GASOLIO Etanolo da mais Granella o pellet (da mais) Paglia grano 10 % umidità Sorgo (fibra) Cippato pioppo 25 % umidità pioppo 35 % umidità pioppo 50 % umidità faggio 25 % umidità 42120 kj/kg 32000 kj/kg 17000 kj/kg 15000 kj/kg 10500 kj/kg 12000 kj/kg 10000 kj/kg 7000 kj/kg 12500 kj/kg OPPORTUNITA Impianti a biogas Utilizzo di scarti agroindustriali come combustibile a costo ridotto Vendita diretta/auotconsumo dell energia elettrica prodotta Il prezzo dell energia elettrica dovrebbe aumentare I CV hanno durata di 8 anni (prolungabile a +4) RISCHI Problemi tecnici possono ridurre la potenzialità La vendita del calore a bassa temperatura (80 C) non è certa Il prezzo della materia prima riconosciuto agli agricoltori potrebbe non essere remunerativo se la produttività è bassa Smaltimento del materiale non digesto (circa 20 %)
Alcune valutazioni economiche sulla produzione di energia da biomasse Costo colturale: confronto fra mais da granella e ceroso SILOMAIS GRANELLA Resa [t/ha] 70 10 Prezzo di vendita [ ] 20 120 Ricavo [ /ha] 1400 1200 Costo operazioni colturali [ /ha] 460 500 Costo mezzi tecnici [ /ha] 440 540 Costo trasporti (= 5 /t) [ /ha] 350 50 Costo essiccazione (= 12 /t) [ /ha] - 120 Totale costi [ /ha] 1250 1210 Reddito lordo [ /ha] 150 40
Conversione biologica: fermentazione Fonte: Atti Convegno Energia Rinnovabile da biomassa, Ravenna, 1 febbraio 2006 Resa annua 1 ha di granella di mais 10 t/ha Etanolo prodotto per t di mais 300 kg/t Potere calorifico inferiore etanolo 32647 kj/kg Energia termica da combustione di etanolo 27 MWh/ha Rendimento sistema energetico 0.3 Energia elettrica producibile 8162 kwh/ha Energia termica producibile (IUC) 9530 kwh/ha Costo impianto etanolo > 40 M (alto!) Remuneratività impianti: confronto fra impianti a biogas (silomais) e a bioetanolo Resa annua media di un ettaro a mais Quantità di prodotto per tonnellata di mais Quantità di prodotto per ettaro Potere calorifico inferiore Rendimento del sistema energetico Energia elettrica producibile per ettaro Energia termica utile producibile per ettaro (IUC=0,65) Ricavo (vendita energia elettrica + CV) Ricavo da energia elettrica per ettaro Ricavo dalla vendita del calore utile Ricavo da calore utile per ettaro biogas 50 t/ha 160 Nm 3 /t 8000 Nm 3 /ha 19700 kj/ Nm 3 0,30 13133 kwh/ha 15122 kwh/ha 0,206 /kwh 2705 /ha 0,02 /kwh 302 /ha bioetanolo 10 t/ha 300 kg/t 3000 kg/ha 26800 kj/kg 0,30 6700 kwh/ha 7816 kwh/ha 0,206 /kwh 1380 /ha 0,02 /kwh 156 /ha
Ulteriori ricavi biogas Quantità di proteine prodotte per tonnellata di mais / Quantità di proteine prodotte per ettaro / Ricavo dalla vendita delle proteine come farine per mangimi / Ricavo dalle proteine per ettaro / RICAVO TOTALE 3007 /ha bioetanolo 95 kg/t 950 kg/ha 400 /t 380 /ha 1916 /ha Costi biogas etanolo Impianto di stoccaggio, di fermentazione Sistema energetico con global service turbina a gas di piccola taglia Sistema energetico con global service motore a combustione interna 2500 /kw 1.100 /kw 800 /kw? 1.100 /kw 800 /kw Potenza installabile per 100 ha (8000 h/anno) Biogas: Etanolo: 164 kw 102 kw Produzione di energia da biomasse Prof. Roberto Bettocchi Ordinario di sistemi per l energia e l ambiente Dipartimento di Ingegneria - Università degli Studi di Ferrara Laboratorio Regionale di Rete per l Energia ERG
L impianto pilota di Ostellato (FE) - previsione Portata purea 30.000 t/anno Capacità digestore 200 m 3 Numero digestori 14 (12 necessari + 2 di riserva) Produzione biogas 60 70 m 3 /t rifiuto Durata carico 2 giorni Durata ciclo Tempo di stazionamento 24 giorni 28 giorni Durata scarico 2 giorni Sfasamento digestori 2 giorni Utilizzo portata 90 % trattamento 10 % ricircolo Resa (cautelativa) 1 Nm 3 biogas / 15 kg purea Produzione biogas Potere calorifico 2.000.000 Nm 3 biogas / anno 2.47 kwh/ Nm 3 biogas (60% CH 4 ) Potenza termica disponibile 564 kw Il Certificato Verde CV Certificati verdi (Decreto Bersani, 16 marzo 1999) - obbligo di immettere in rete energia (2%) da fonte rinnovabile - possibilità di produrre energia o comprare CV (validi 1 anno) - taglia minima impianto: 100 MWh (50 MWh dal 2004) - Prezzo medio CV al 30/01/06: 0.09 /kwh (IVA inclusa) - Remunerazione media vendita energia (anno 2005) 0.08 /kwh Prezzo di vendita dell energia 0.17 /kwh Curiosità: il costo per le tonnellate di CO 2 emesse oltre la quota di emissioni assegnate all Italia è di 26.7 /ton.
Produzione lorda degli impianti in Italia Fonte GRTN anno 2004 dati in MW La trasformazione della biomassa in biogas fornisce un combustibile che può essere utilizzato con maggiore efficienza 600 P [MW] 450 511 SOLIDI BIOGAS 568 300 230 150 0 Rifiuti solidi urbani Rifiuti solidi urbani Colture e rifiuti agro-alimentari Colture e rifiuti agro-industriali 31 Possibili configurazioni impiantistiche Biogas Digestione anaerobica in mesofilia (32-34 C) per circa 25 giorni Composizione: 50-60% CH 4, 30-40% CO 2 Maturità della discarica: 15-25 anni Composiz.: 45-65% CH 4, 25-35% CO 2, 10-20% N 2 1 ton di materiale da discarica produce 150-200 Nm 3 di gas (= 100 l di olio combustibile) Gas da discarica Gas di recupero Processi industriali Pirolisi di materiale ligneo