Relazione tecnico-descrittiva PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA DA SYNGAS DI BIOMASSA VEGETALE Relazione per impianto di produzione energia elettrica e termica da syngas, generato tramite processo di gassificazione della biomassa legnosa
SOMMARIO SOMMARIO... 2 1 PREMESSE... 3 2 LA STORIA... 3 3 IL PROGETTO... 3 4 I COMPONENTI... 4 5 I RISULTATI... 7 6 LA MANUTENZIONE... 3... 7 7 LE EMISSIONI... 8 8 L INVESTIMENTO... 9
1 PREMESSE Da sempre attiva nel campo delle energie rinnovabili, SOLIDIA si è occupata nel passato di grandi centrali elettriche alimentate ad energia solare fotovoltaica. Con all attivo oltre 15 MWp di potenza elettrica fotovoltaica installata in tutto il territorio Italiano, abbiamo voluto affrontare una nuova sfida che possa portare una ventata di innovazione ed opportunità economica nel campo delle rinnovabili. La diminuzione dei premi incentivanti previsti nel nuovo Decreto sul 5 Conto Energia e la complicazione nell autorizzazione dei parchi fotovoltaici di grandi dimensioni, hanno spinto il team di SOLIDIA verso nuovi orizzonti nel campo delle energie rinnovabili: la realizzazione di un apparato TDM (termo-dissociatore molecolare) di biomassa legnosa. 2 LA STORIA Il processo della gassificazione, permette di sintetizzare monossido di carbonio, idrogeno, metano, biossido di carbonio e altri composti gassosi a partire da materiali a base di carbonio, quali carbone, petrolio o biomasse legnose. Fu sviluppato all inizio del 1800 per produrre gas di città per l'illuminazione e per cucinare. Il gas naturale e l'elettricità rimpiazzarono successivamente il gas di città per queste applicazioni, ma i generatori a gas di legna, ovvero i gassogeni, furono utilizzati per fornire energia ai veicoli a motore in Europa (soprattutto dalla Germania) durante lo scarseggiare dei combustibili nel periodo della seconda guerra mondiale. 3 IL PROGETTO Sino ad oggi la gassificazione si è sviluppata in direzione di un processo a camera chiusa. Tale procedura permette di ottenere una combustione in carenza di ossigeno e la relativa gassificazione dei composti, ma ha dei limiti nel raggiungere alte temperature. Con il suo prodotto SOLIDIA punta invece a dissociare i composti tramite pirolisi ad alte temperature, riuscendoci tramite un processo a camera aperta, quindi molto più sicuro in quanto eseguito in assenza di variazione di pressioni interne. L impianto utilizza come fonte energetica primaria Biomassa Vegetale proveniente dalla gestione dei boschi in ossequio alle regole europee (per esempio le regole PFEC). Il sistema può funzionare anche con altri prodotti agricoli derivanti dalla coltivazione intensiva tradizionale, opportunamente trinciati, oppure con residui da spremitura di olive e vinacce esauste, pula e/o lolla di riso, grano, granoturco e cereali in genere. La centrale si può riassumere nei seguenti componenti: GRUPPO 1: triturazione e caricamento;
GRUPPO 2: reazione e dissociazione; GRUPPO 3: raffreddamento e filtraggio; GRUPPO 4: produzione energia. Di seguito, particolare dell'impianto relativo al reattore ed i filtri per syngas (GRUPPI 2 e 3). 4 I COMPONENTI GRUPPO 1: Triturazione e caricamento 1.1. Caricamento Il legname viene inserito nella bocca di caricamento dall operatore e viene trattato as is ; il vantaggio di questo sistema è la possibilità di utilizzare anche le cortecce, senza dover quindi operare un decorticamento preventivo, oltre ad evitare tutti i costi legati all essiccamento del materiale: 1) non si consuma energia termica proveniente dai motogeneratori; 2) non si consuma energia elettrica per la movimentazione della biomassa; 3) non si consuma energia elettrica per i cicloni necessari a rispettare i limiti normativi imposti dalla legislazione vigente per le polveri presenti nel flusso di aria esausta in uscita dall essiccatoio.
1.2. Cippatore Il materiale inserito nel caricatore viene processato e triturato fino alle dimensioni ottimali (pezzatura 4-5 cm, NON richiede pellettizzazione), dopodiché viene convogliato nella tramoggia di raccolta ed infine sul nastro trasportatore tramite vite senza fine. 1.3. Coclea e nastro trasportatore I sistemi di caricamento convogliano alla bocca di caricamento del termo-dissociatore la biomassa, il cui livello all interno viene regolato da una livella laser che comanda tutto il sistema precedente, interrompendo il caricamento in caso di raggiungimento del livello massimo prefissato. GRUPPO 2: Reazione e dissociazione 2.1. Termo-dissociatore molecolare La gassificazione utilizzata dall impianto è un processo di disgregazione molecolare di materiali organici, ottenuto mediante l applicazione di calore e con l utilizzo di opportuni catalizzatori. In pratica, portando il materiale a circa 1.200-1.300 C, lo stesso subisce la scissione dei legami chimici originari, con formazione di molecole più semplici. Il calore fornito nel processo viene quindi utilizzato per scindere i legami chimici, attuando quella che viene definita omolisi termicamente indotta. È possibile avviare il motore già dopo pochi minuti dall'accensione dell'impianto, ma per raggiungere la massima qualità del gas sono necessarie dalle 2 alle 3 ore di funzionamento per raggiungere la temperatura d'esercizio del nucleo. Il materiale utilizzato nel processo è composto da biomasse ligneo-cellulosiche da filiera boschiva o recupero di lavorazioni agro-industriali, la cui pezzatura può variare dai 20 ai 100 mm, con un'umidità relativa accettabile per valori inferiori al 20%. il materiale è stoccato in apposita tramoggia dotata di pettini, studiati per convogliare il materiale sul sistema di carico. Per ottimizzare la combustione della biomassa e la decomposizione pirolitica della sostanza secca del legno per effetto della temperatura (a partire da 150 C), la parte superiore del reattore è a camera aperta, così da fornire la giusta quantità di comburente (aria) alla biomassa. Nella parte superiore avviene dunque la combustione vera e propria del materiale (mediamente 600-700 C), la quale porta alla metanazione la biomassa vergine appena immessa nel bacino di carico ed alla gassificazione della sostanza secca del legno con ossigeno e formazione di gas combustibili (CO, CnHm) e carbone solido (circa dai 250 C). Negli strati sottostanti del bacino di carico invece, si ha presenza di composto ossidante (aria) in quantità sotto-stechiometrica (quantità di ossigeno inferiore a quella necessaria per la completa combustione), tale da permettere alla biomassa di gassificare per effetto della riduzione del carbonio col calore, attivando l emissione di gas. La parte inferiore del termo-dissociatore contiene il vero e proprio reattore catalitico che provoca la dissociazione del gas proveniente dalla parte superiore e la gassificazione del carbone solido per reazione con il vapore d acqua (cracking del carbone) con formazione di CO e H 2 (dai 900 C), grazie ad una temperatura prossima ai 1.300 C. I gas prodotti dalla legna nella parte superiore del
termodissociatore, reagiscono dissociando le molecole d acqua e quelle complesse a base di carbonio (catene di idrocarburi) dando origine ad un gas denominato syngas synthetic gas o gas di sintesi composto approssimativamente da: 50-52 % azoto; 18-20 % idrogeno; 15-18 % monossido di carbonio; 8-10 % biossido di carbonio; 2-4 % metano ed altri composti. Nel tratto finale tali atomi o molecole derivanti dalla dissociazione dovuta al reattore catalitico, reagiscono per andare a comporre altri composti più stabili, quali H 2, CO, CO 2, CH 4 ecc Questi dati di composizione del syngas, riferiti all utilizzo di biomassa di legno vergine, hanno una composizione che varia percentualmente in funzione delle essenze legnose utilizzate.un apparato aspirante, posto all altro capo del circuito del gas, provvede ad aspirare tali gas dall interno del termo-dissociatore verso l esterno. L'aspirazione del gas, che determina l'altezza del braciere e di conseguenza la stratificazione delle varie fasi interne al reattore, viene monitorata e pilotata da un apposito sistema elettronico, così da determinare la temperatura di combustione, quantità e qualità di gas prodotto.la combustione della biomassa produce un residuo in cenere (silicio e carbonio) che viene raccolto, a seguito di caduta per gravità, ai piedi del reattore. Da qui la cenere viene estratta dal sistema prevenendo l ingresso di ossigeno all interno del reattore e viene caricata in appositi serbatoi di stoccaggio per lo smaltimento o il riutilizzo come inerti. 2.2. Sistemi di Sicurezza In un apparato in cui si raggiungono temperature di funzionamento pari a 1.300 C (la ceramica, il materiale più resistente al calore, raggiunge un bel colore rosso vivo) e si accumulano quasi 4,5 Nm³ di syngas, i sistemi di sicurezza rivestono un ruolo di vitale importanza. Pertanto nel circuito del gas troviamo valvole di sovrappressione, valvole di sfioro gas, apparati meccanici di blocco dei condotti, elettrovalvole comandate dall elettronica e numerose sonde di rilevamento istantaneo che dialogano direttamente con il sistema elettronico di controllo e possono intervenire sui blocchi meccanici o mandando il gas in torcia, in caso di guasti o black-out di rete. Gli apparati sopra menzionati sono ridondati nei punti critici, così da avere un ulteriore sicurezza di funzionamento. 2.3. Quadro di comando e controllo Il sistema elettronico di supervisione è ubicato nel quadro elettrico montato a bordo di ogni gassificatore. Il sistema di controllo è progettato con lo scopo di assicurare la necessaria disponibilità ed affidabilità unitamente alla massima sicurezza di gestione dell intero impianto. Esso permette di gestire tutte le funzioni dedicate alla produzione del gas da combustione. Mediante strumentazione in campo ed attuatori vengono monitorate in continuo le fasi del processo: il caricamento del bruciatore con la biomassa, la combustione, il filtraggio e trattamento del syngas prodotto dalla combustione, il corretto funzionamento dei motori e la connessione elettrica con la rete in bassa tensione presente all interno della centrale.
GRUPPO 3: Rraffreddamento e filtraggio 3.1. Sistema di raffreddamento interno Il sistema di raffreddamento (in questo caso ad acqua) gioca un ruolo fondamentale nel processo di ricomposizione dei composti dissociati dal reattore. Infatti, un raffreddamento troppo lento porterebbe al riassociarsi in modo errato di alcuni atomi in composti non utili o addirittura dannosi, quali catene di idrocarburi alifatici e policiclici aromatici (tar e char) che possono compromettere il funzionamento di componenti del sistema e dei motori. GRUPPO 4: Produzione Energia 4.1. Motogeneratori Il gruppo generatore di energia elettrica per ciascun gassificatore come sopra descritto è costituito da uno o più motori endotermici, ciascuno con il proprio generatore elettrico direttamente accoppiato sull albero motore. In base alla esperienza matura da SOLIDIA sui motori funzionanti a gas, si propone l adozione di motori Man-336 o IVECO AIFO 330 o equipollenti, con una potenza effettiva di 200 kwe, misurati sempre ai morsetti dell alternatore quando alimentati a syngas, ed opportunamente assemblati per produrre energia elettrica in parallelo alle rete pubblica. 4.2. Quadro di parallelo rete elettrica Ogni motogeneratore è dotato, oltre che del proprio interruttore di macchina, del quadro di parallelo rete nel pieno rispetto delle norme vigenti. 5 I RISULTATI Il reattore di gassificazione può produrre una quantità di syngas sufficiente a generare, tramite gli appositi motori a ciclo otto (vedi sopra) adattati a questo tipo di gas, una potenza di circa 200-250 kwh elettrici. In ogni caso l energia elettrica producibile dipende dal tipo di biomassa utilizzata; si fa sempre riferimento, per tutti i dati, a biomassa cippata ottenuta da legno vergine di faggio, acacia o similari, con umidità inferiore al 20%. Essenze meno dure, contenenti più acqua oppure che contengano particolari tannini (quercia/castagno), possono essere utilizzate, ma generano quantità di energia inferiore per unità di massa. Orientativamente i consumi sono pari ad 1 kg di biomassa legnosa vergine di riferimento (u.r. = 10%) per produrre 1 kwh di energia elettrica. L energia termica è recuperabile sia dal sistema di raffreddamento del reattore, sia dai gas di scarico e dal circuito di raffreddamento del motore; si può calcolare in circa 1,5 kw termici per ogni 1 Kg di biomassa processato. La produzione di cenere si aggira intorno all'1-2% della biomassa immessa. Ipotizzando di avere un impianto in grado di produrre 200 kwh elettrici e funzionate 7.200 ore in un anno, avremo un fabbisogno di biomassa vergine cippata pari a circa 1.440 ton/anno ed una produzione di ceneri pari a circa 28 ton/anno.
6 LA MANUTENZIONE In un sistema di gassificazione in cui i rivestimenti interni del forno e del reattore raggiungono temperature di 900-1.300 C, in caso di interruzioni programmate di produzione per manutenzione, sarebbe necessario attendere fino a 3-4 giorni per permettere un completo smaltimento del calore interno. Nell ottica di garantire una rapida manutenzione e ridurre al minimo i fermi produzione, sono stati identificati due principali punti chiave: garantire accesso rapido alle ceramiche e garantire una facile pulizia dei condotti del gas e dei filtri. I componenti più facilmente soggetti a sporcamento, sono stati resi facilmente raggiungibili per essere puliti e rimessi in operatività in poche decine di minuti. Il condensatore interno al reattore ed i collettori del gas in risalita nella camicia d acqua, possono essere facilmente controllati e sostituiti scoperchiando la testa degli scambiatori e permettendo di operare una pulizia dall alto per mezzo di scovoli con setole metalliche. Eventuali residui solidi rimossi nell operazione, precipitano sul fondo del gassificatore, vengono raccolti dal sistema di pulizia e stoccati. In caso di manutenzione straordinaria, le pareti interne del bacino di reazione sono state realizzate in settori modulari, estraibili con una semplice gru o carrello ponte di portata 12 quintali. In questo modo sia le pareti del forno che il blocco del reattore possono essere estratti ed esposti all aria per ridurre il tempo di raffreddamento a qualche decina di ore, nell eventualità che si profili la necessità di sostituire le ceramiche danneggiate. Grazie a questo sistema modulare è possibile preparare in precedenza i settori da sostituire e procedere poi ad una rapida sostituzione senza dover aspettare il raffreddamento del sistema. In questo modo, non solo si sveltiscono le operazioni di manutenzione, ma si evitano shock termici alle ceramiche (che rimangono in temperatura) e si può immediatamente riprendere la produzione grazie al mantenimento del calore di reazione (volano termico), una volta rimontato il sistema. 7 LE EMISSIONI 7.1 Emissioni in atmosfera Ogni modulo di generazione comporta un singolo punto di emissione in atmosfera, costituita dal rimescolamento di aria proveniente dal raffreddamento del motore endotermico e dei gas di scarico. Rispetto a questi ultimi tale miscela è contraddistinta da una minore concentrazione dei gas, ma da una temperatura più elevata. Le emissioni dell impianto sono esclusivamente quelle dei motori a ciclo Otto di cogenerazione utilizzati, alimentati da un combustibile gassoso, il syngas, assimilabile al metano. I parametri di legge sulle emissioni sono stati verificati da apposito laboratorio terzo e sono largamente rispettati dal nostro sistema, secondo i dati previsti dalla normativa vigente compresi nella tabella seguente.
7.2 Altre emissioni inquinanti L impianto gestisce due cicli d acqua, entrambi a circuito chiuso. Un primo riguarda l acqua di raffreddamento del reattore. Essendo l acqua utilizzata all interno di un circuito chiuso, non viene richiesto alcun collegamento alla rete idrica, né è necessario prevedere la necessità di smaltimento in continuo di acqua contaminata, ma solo in occasione della sostituzione del circuito chiuso, che può avvenire una volta all anno. Un secondo ciclo è costituito dal sistema di raffreddamento dei motogeneratori; anche in questo caso si tratta di uno o più circuiti chiusi per cui ricorrono le condizioni descritte precedentemente. Per quanto concerne altri inquinanti, l impianto prevede una pulizia tramite acqua delle ceneri e gli altri scarti di processo. Questi residui sono da considerarsi rifiuti speciali non pericolosi che vanno smaltiti in apposite discariche (costo: circa 100,00 /ton) e sono dell ordine del 2% del cippato processato. 8 L INVESTIMENTO Grazie al DM del 6 luglio 2012 - il V Decreto Conto Energia per impianti di produzione energia da altre fonti rinnovabili - è possibile accedere ad un incentivo tramite Tariffa Omnicomprensiva (TO) per l energia prodotta dagli impianti a fonte rinnovabili differenti dal fotovoltaico, tra i quali rientra la gassificazione delle biomasse. Il meccanismo di erogazione quest ultima è ben descritto nel seguente estratto dal sito del Gestore dei Servizi Elettrici (che si occupa dell erogazione degli incentivi): Le Tariffe Onnicomprensive costituiscono il meccanismo di incentivazione, alternativo ai Certificati Verdi, riservato agli impianti a fonti rinnovabili fino ad una certa soglia di potenza. Nel caso degli impianti a biomasse tale soglia è pari a 1 MW. Le tariffe vengono riconosciute per un periodo di 20 anni, durante il quale restano fisse, in funzione della quota di energia immessa in rete. Le tariffe sono dette onnicomprensive in quanto il loro valore include implicitamente sia una componente incentivante sia una componente di valorizzazione dell energia elettrica immessa in rete. Sino al termine del periodo di incentivazione, le tariffe costituiscono l unica fonte di remunerazione. Terminato il periodo di incentivazione rimane naturalmente la possibilità di valorizzare l energia elettrica prodotta. [fonte: http://www.gse.it/it]
Nella tabella seguente sono riportati gli incentivi suddivisi per taglia dell impianto (potenza prodotta) e gli eventuali bonus previsti a seconda dell alimentazione base utilizzata dall impianto dichiarata in fase autorizzativa. Per impianti installati in data successiva al 31/12/2013, la tariffa base sarà decurtata del 2% per ogni anno successivo.