biomass panoramic a
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1Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Le biomasse nel panorama dei combustibili alternativi
2Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Indice argomentiIndice argomenti
Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodotto (3-7)Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del pBiomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodotto rodotto (3(3--7)7)
Fonti primarie per la produzione di bioenergia (8-12)Fonti primarie per la produzione di Fonti primarie per la produzione di bioenergiabioenergia (8(8--12)12)
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione (13-51)
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: signCaratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e ificato e determinazione determinazione (13(13--51)51)
Principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti (52-105)Principali processi di conversione: Principali processi di conversione: bioenergia bioenergia e e bioprodottibioprodotti (5252--105)105)
Sistemi per l’utilizzo della bioenergia (106-118)Sistemi per l’utilizzo della Sistemi per l’utilizzo della bioenergiabioenergia (106(106--118)118)
Importanza e sinergie nel rapporto biomasse-territorio (119-128)Importanza e sinergie nel rapporto biomasseImportanza e sinergie nel rapporto biomasse--territorio territorio (119(119--128)128)
3Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prBiomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodottoodotto
Slides 3-7
Biomasse e combustibili alternativi: le richieste del mercato
1998 1999 2000 2001 2002 2003
biomasse vegetaliCDRbiogasbiodiesel
Dall’ “osservatorio SSC” :Dall’ “osservatorio SSC” :
•Le biomasse sono entrate nel novero dei beni di valore economico
•Esigenze del mercato di conoscere e confrontare le caratteristiche
•Esigenze di garanzia del prodotto
•Incremento consistente di richieste di analisi di biomasse vegetali
4Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Biomasse: evoluzione del concetto di QUALITA’ del prodotto
Stiamo assistendo ad un’evoluzione del concetto di qualitàdel “prodotto biomassa” concetto che ha caratterizzato
l’evoluzione del mercato a partire dagli anni ’50
L’industria ha incrementato la competitività attraverso la qualiL’industria ha incrementato la competitività attraverso la qualità dei prodottità dei prodotti
Specifiche tecniche
Prodotto a norma
Verificate secondo norme tecniche
Qindustriaindustria mercatomercato
5Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
QUALITA’ del “prodotto biomassa” e sviluppo filiera
Ciclo produttivo FilieraCiclo produttivo FilieraOttimizzazione
Individuazione e caratterizzazionedegli aspetti
Esigenze utilizzatore
Impatto ambientale
Aspetti tecniciEnergia/Risorse
6Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Q tot = f (Qraz + Qamb + Qemoz + Qserv)
Vendita e
uso
energetici merceologici ambientali
Complessità della filiera biomasse e competitività
Emissioni
Ceneri
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
PretrattamentoConversione
Bioenergia
Bioprodotti
EmissioniEmissioni
CeneriCeneri
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Pretrattamento
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
PretrattamentoConversione
Bioenergia
Bioprodotti
FATTORI INDISPENSABILI per COMPETERE:
Bilancio energetico/ambientaleCOSTI/BENEFICI
Bilancio energetico/ambientaleCOSTI/BENEFICI
Approccio multidisciplinareApproccio multidisciplinare
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8Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Fonti primarie per la produzione di Fonti primarie per la produzione di bioenergia bioenergia
Slides 8-12
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La filiera biomasse: fonti primarie
Le biomasse In campo energetico, col termine biomassa, si intende genericamente ogni la sostanza organica, di origine vegetale o animale, da cui sia possibile ricavare energia.
Dal decreto di recepimento della direttiva europea 2001/77/CE sulla promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili
per biomassa si intende:
la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.
fonti rinnovabili (fonti energetiche non fossili):eolica, solare geotermica, del moto ondoso, maremotrice idraulica , biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas.
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Biomasse – FONTI PRIMARIE - Schema semplificato
Di origine animale
Reflui zootecnici
Di origine vegetale
PIANTE LegnoseErbaceeFruttiSemi
Industria agro-alimentare
Industria non alimentare
Residui e sottoprodotti da industria agro-alimentare
e non- Scarti di olive, sanse,
vinaccioli, gusci, lolla riso, ..- segatura, trucioli, sughero,....
Residui agricoli e forestali -da manutenzione
boschiva
-arredo verde, alberature stradali, ...
Produzioni agricole e forestali
Colture dedicate
TERRESTRI- Piante a rotazione breve
Arboree Salice pioppo robiniaeucalipto ginestra
Erbacee Sorgo, miscanto, cannacomune, …- Piante oleaginosesoia, colza, girasole,..
ACQUATICHE Alghe, microalghe
BiomassaBiomassa
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Biomasse - Provenienza del materiale da valorizzare
Biomassa Biomassa
Colture Oleaginose
Colture energetiche
Colture da sostanza secca
Colture zuccherine e
alcoligene
Residuali
Scarti industriali
Scarti agro-industriali
Residui da zootecnia
Frazione biodegr. RSU
Scarti forestali
Erbacee perenni
Legnose perenni
Erbacee annuali
Fonte: ISES - Ecoenergie n. 3 – dicembre 2002
FILIERA Biomasse: dalla RACCOLTA alla TRASFORMAZIONE
BiomasseBiomassecolture energeticheresiduali
raccolta raccolta
(pretrattamento)
trasporto
pretrattamento
termochimica, biochimica, chimica
stoccaggio
conversione
sul suolo altri usi agricoli
in discarica
valorizzazione
densificazionepellet, bricchette
calore e/o elettricità bioprodotti
12Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
gassosiliquidisolidi
13Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione
Slides 13 - 51
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Caratterizzazione biomassaOBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATOREOBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATORE
Decollo e competitività filiera biomasse
Valorizzazione dei prodottiValorizzazione dei prodotti
Definire la qualità del prodotto in funzione dell’utilizzoAvere garanzie sulla qualità del prodottoCaratterizzare il prodotto secondo prove standardizzate Verificarne la rispondenza rispetto a specifiche tecniche
Caratterizzazione biomassaObiettivo:
scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi
CARATTERIZZAZIONE = Perché adottare prove normalizzate?
Il comportamento di un combustibile è fortemente influenzato dalle condizioni sperimentali
Per confrontare le proprietà di combustibili diversi su base omogenea
devono essere adottatele stesse condizioni sperimentali
Prove di laboratorio Prove normalizzateprocedure e condizioni
note e ben definite
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16Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratterizzazione biomassa
caratterizzazione di laboratorio caratterizzazione di laboratorio
si basa di un numero relativamente limitato di misure che mirano a definire proprietà macroscopiche del materiale in condizioni sperimentali ben definite.
Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto
Punto di forza: Confronto su base omogenea Punto di forza: Confronto su base omogenea
La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi
insieme ai parametri dell’impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto.
La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi
insieme ai parametri dell’impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto.
17Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Il combustibile biomassaIl combustibile biomassa
IL COMBUSTIBILE BIOMASSAPrincipali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse:Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse:
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C,H,O, N,S,Cl,...)
Sul cam“come ricevuto”
Sul secco
Sul secco eprivo di ceneri
pione
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Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Potere calorifico Kcal/kg; MJ/kgPotere calorifico Kcal/kg; MJ/kg
È una misura quantitativa del valore energetico del combustibileÈ una misura quantitativa del valore energetico del combustibile
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
È la quantità di calore che si sviluppa dall’unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate
È la quantità di calore che si sviluppa dall’unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate
Potere Calorifico Superiore
PCS
Potere Calorifico Superiore
PCS
Potere Calorifico Inferiore (netto)
PCI
Potere Calorifico Inferiore (netto)
PCI
energia/massa: [Kcal/kg; MJ/kg;..]
Il PCI viene calcolato al netto del contributo dell’umidità del combustibile e dell’acqua che si forma nella reazione di combustione
(si sottrae cioè dal PCS il calore di condensazione dell’H2O prodotta nella combustione)
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Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioPotere calorifico
- È legato al contento di C, H - Rispecchia le caratteristiche chimiche dei componenti presenti(lignina cellulosa resine)Andamento del PCI col contenuto di C in campioni di biomasse legnose
dati riferiti al "secco e privo di ceneri"
18.0
18.5
19.0
19.5
scorte
cciato
tronco
verde
copert
o 4/5 m
esicip
pato r
nldseg
atura
tronco
secco
ramaglie
PCI
(MJ/
Kg)
50
51
52
53
54
55
Carbonio (%
)
PCI Carbonio (%)
C % Dati SSC (2003) : sperimentazione in collaborazione con FIPER -Campioni di biomasse vergini prelevati a TIRANO presso impianto di cogenerazione (Società TC VVV SPA)
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Potere calorifico - Valutazioni EmpirichePotere calorifico - Valutazioni Empiriche
Può essere calcolato mediante equazioni empiriche, ad es.:
Fonte - Updated (March 2003) - from Graboski, M. S. and Bain R. L. (1979). “Chapter 3: Properties of Biomass Relevant to Gasification,” in A Survey of Biomass Gasification, Volume II - Principles of Gasification, Solar Energy Research Inst., Golden, CO, SERI/TR-33-239
HHV [Btu/lb] = 85.65 + 137.04 C + 217.55 H + 62.56 N + 107.73 S +8.04 O - 12.94 AshHHV [Btu/lb] = 85.65 + 137.04 C + 217.55 H + 62.56 N + 107.73 S +8.04 O - 12.94 Ash
22 MJ/Kg
15 MJ/Kg
20Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Potere calorifico - OsservazioniPotere calorifico - Osservazioni
Ai fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCIAi fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCI
Il calore reale prodotto in impianto è legato al PCI ma dipende da numerosi fattori, tra altri :
•Mezzo di combustione (aria, altro)•Sistema di combustione e disegno costruttivo•Condizioni esercizio impianto•Altre caratteristiche chimiche e fisiche del combustibile
(Pezzatura, Umidità, Ceneri)
A parità di altre condizioni:
Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,..
A parità di altre condizioni:
Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,..
Il potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneriIl potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneri
21Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
Umidità Umidità
L’umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico)L’umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico)
E’ una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l’ambienteE’ una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l’ambiente
L’umidità varia in maniera consistente inf (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio)
L’umidità varia in maniera consistente inf (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio)
In laboratorio si determina l’umidità:
Sul tal quale (campione come ricevuto)
Sul campione essiccato all’aria (in condizioni normalizzate)
22Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Umidità - OsservazioniUmidità - Osservazioni
L’umidità influenza negativamente:
•potere calorifico, •prestazioni in impianto •costi di trasporto, •costi di essiccamento
L’umidità influenza negativamente:
•potere calorifico, •prestazioni in impianto •costi di trasporto, •costi di essiccamento
L’umidità superficiale •dipende dalla pezzatura
Influisce negativamente•sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) •sui trasportatori meccanici
L’umidità superficiale •dipende dalla pezzatura
Influisce negativamente•sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) •sui trasportatori meccanici
È un parametro del valore energetico/commerciale della biomassa e può influire sul prezzo
23Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Variazione del Potere Calorifico con l’umidità
0
5
10
15
20
campionecome
ricevuto
campioneessiccato
all'aria
campionesecco
PCI (
MJ/
Kg)
0
20
40
60
80um
idità (%)
PCI (MJ/kg) umidità (%)
Campione di segatura
Sperimentazione SSC (2003) – Collaborazione con TC VVV Tirano
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Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Andamento generale del Potere Calorifico con l’umidità
0 10 20 30 40 500
5
10
15
20
25
PCI (
MJ/
Kg)
Umidità (%)
25Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Umidità - OsservazioniUmidità - Osservazioni
Efficienza di combustione e umidità
Si osserva un calo dell’efficienza di combustione all‘aumentare dell’umidità. La concentrazione massima di acqua che consente l’utilizzo della biomassa come combustibile è di circa il 65-68%.Oltre questo limite, il calore richiesto per l’evaporazione dell’acqua è superiore all’energia intrinseca del combustibile: la combustione non si sostiene se non fornendo energia dall’esterno.
Dati sperimentali indicano una efficienza massima di combustione per un contenuto di umidità attorno al 5% ~: l’acqua eserciterebbe un’azione moderatrice nella combustione creando condizioni più favorevoli al trasferimento di calore rispetto al brusco passaggio in presenza di legno molto secco.
26Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
H2O (umidità)ceneri
Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)
ceneri ceneri
Per “ceneri” si intende il materiale inorganicoche rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate
Per “ceneri” si intende il materiale inorganicoche rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate
< frazione combustibile, quindi
< potere calorifico
> quantità di materiale solido da smaltire(costi)
> formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni)
> fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl)
< frazione combustibile, quindi
< potere calorifico
> quantità di materiale solido da smaltire(costi)
> formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni)
> fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl)
> quantità ceneri:> quantità ceneri:
Le ceneri influenzano negativamente:
•potere calorifico, •prestazioni in impianto
Le ceneri influenzano negativamente:
•potere calorifico, •prestazioni in impianto
27Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioH2O (umidità)
ceneri
Frazione Combustibile
(C,H,N,S,Cl,..)
H2O (umidità)ceneri
Frazione Combustibile
(C,H,N,S,Cl,..)
ceneri biomassa
CONTENUTO cenerimediamente più basso
(tenori molto elevati per alcune particolari specie, ad es. lolla di riso)
CARATTERISTICHEmaggiore alcalinità
metalli alcalini
> SLAGGING >FOULINGscorie su scambiatori,
refrattari,... < efficienza processo
> Quantità fly ashnel flue gas (depositi, emissioni)
Rispetto al carbone
La propensione delle ceneri di scorificare in impianto:
condizioni operative, fattori impiantistici,..; composizione delle ceneri; comportamento alla fusione.
Prove di laboratorioProve di laboratorio
28Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Ceneri: Comportamento alla fusione
Fusione Ceneri da carbone sudafricano (1979, Archivio Storico SSC)
900 1200 1220 1280 1300 1360 900 1200 1220 1280 1300 1360 14001400T°CT°C
Fusione Ceneri da impianto - cippato di legno (2004, SSC)
29Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
T°CT°C 900 1200 1210 1235 1250 1260 1900 1200 1210 1235 1250 1260 1265 1270265 1270
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
T fusione ceneri e contenuto in metalli basici(biomasse legnose)
800
1800
2800
3800
4800
cippa
to scort.
cippa
to secc
ose
gatura
cippa
to verd
ecip
pato
cippa
toram
aglie
met
alli
basi
ci (m
g/K
g)
1000
1250
1500
1750
2000
T fusione ceneri (°C)
metalli basici T fusione ceneri (°C)
Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano
30Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Metalli in biomasse legnose (dati espressi come ossidi)
0
2000
4000
6000
8000
cippato scort.
cippato secco
cippato verde
segatura
cippato
cippato
ramaglie
mg/
Kg
Na2O
K2O
CaO
MgO
P2O5
SiO2
Al2O3
Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano
31Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
ceneri e umidità:Importanza sulla redditività impianto
Dati specifici calcolati sulla filiera da 10 MWe
Indice di Redditività = profitto o perdita dell’operazione di investimento per unità di investimento
32Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Elab.dati da: Impianti a biomassa per la produzione di energia elettrica – CTI – dicembre 2002
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Confronto biomasse – carbone
ANALISI ELEMENTARE e PCI - Range di valori
(B) biomasse vegetali (C) Carbone
33Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
30
15
10
5
20
25
0
MJ/kg
idrogeno carbonio PCI
0
20
40
60
80
100
min max
ossigeno
B
B
B
BC C
CC
Dati medi di letteratura
34Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratterizzazione per macrocostituenti
L’Ossigeno è presente nei macrocostituenti della biomassa
•olocellulosa
cellulosa
emicellulosa
•lignina Diagramma ternario C-H-O
Legno: Range: 22-29% ~
35Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Analisi immediata (proximate analysis)
H2O (umidità)ceneri
Frazione Combustibile
Sostanze Volatili (SV)
+Carbonio Fisso (CF) Contenuto informativo:
comportamento termico
Sostanze Volatili
Carbonio Fisso
Umidità
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioH2O (umidità)
ceneri
Frazione Combustibile
Sostanze Volatili (SV)
+Carbonio Fisso (CF)
H2O (umidità)ceneri
Frazione Combustibile
Sostanze Volatili (SV)
+Carbonio Fisso (CF)
SV = frazione di combustibile che si sviluppa sotto forma gassosa
SOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSOSOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSO
La prova normalizzata di laboratorio consente di differenziare la frazione del combustibile che brucia in forma gassosa (SV) da quella che brucia sotto forma solida (“carbonio fisso”)
Si liberano nelle prime fasi del riscaldamento (pirolisi/devolatilizzazione)
Le SV sono la parte più reattiva del combustibile
Influenzano accensione, stabilità e temperatura della fiamma
Confronto col carbone Confronto col carbone
SV (biomasse) > SV (carbone)~ 70% energia biomassa è contenuta nelle SV (contro il 30-40% carbone)
Nella pirolisi: > resa di conversione della biomassa in metano (migliori caratteristiche per la pirolisi)Carbonio Fisso (biomassa) = contiene più ossigeno; è più poroso e reattivo (diverse T letto e fiamma)
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37Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Monitoraggio Sostanze Volatili con tecniche avanzate: TG-FTIRCampione di biomassa legnosa
Sperimentazione SSC (2004)
Inte
nsità
Riscaldamento in aria
Inte
nsità
Riscaldamento in azoto
CH4
38Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Potere calorifico ~ 17.3 MJ/kg
Potere calorifico ~ 26.6 MJ/kg Struttura lignina
Struttura cellulosa
(aromaticità)
Gruppi ossigenati chimicamente diversi
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Confronto biomasse – carbone
C fisso
0
20
40
60
80
100
min max
umidità cenerivolatili
B
B
BB
C
C
C
C
39Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
(B) biomasse vegetali (C) Carbone ANALISI IMMEDIATA - Range di valori
Dati medi di letteratura
Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio
Riepilogo Proprietà medie biomasse vegetali/carbone
Riferimento: database analisi SSC 400 campioni di carboni fossili, 70 cippati , 40 sanse
0
20
40
60
80
100
carbone cippato sansa
C fisso Volatili Ceneri Umidità
0
20
40
60
80
100
carbone cippato sansa
C H N S O
Analisi elementareAnalisi immediata
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41Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione
Caratteristiche FISICHE
Caratteristiche FISICHE
Range Paglia ~ 20-50 (sfusa) Kg/m3
~ 70-200 (imballata) Kg/m3Biom. Legnose ~ 200-700 Kg/m3 (in funzione della pezzatura)Pellet ~ 550-720 Kg/m3
Densità Kg/m3 Densità Kg/m3
Massa/Volume apparente
massa volumica (bulk density)Per una data biomassa
la densità dipende da
forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi)
umidità
porosità
Per una data biomassala densità dipende da
forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi)
umidità
porosità
Densità energetica MJ/m3Densità energetica MJ/m3
Energia/volume apparente = PCI x densità
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43Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
biomassa Dimensione tipica (mm)
brichette Diam > 25
pellet Diam < 25
polverino < 1
segatura 1-5
cippato 5-50
Legno in pezzi, legno intero > 50
Balle di paglia 0.1 – 3.7 m3
Fascine, corteccia, semi e granella, gusci, noccioli, fibre,
Varia
Caratteristiche FISICHEPrincipali Caratteristiche dimensionali dei prodotti commerciali
44Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione
Evoluzione qualità dei prodotti commerciali: densificazione
45Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Evoluzione qualità prodotti: densificazione
Densificazione (compattazione) della materia prima: aumento densità
Aumento densità energeticavantaggivantaggi Materia prima potenziale:
Residui agroforestali, Scarti di lavorazione legno (segatura,…), Altri residui non trattatati (gusci,...)Altro
Migliore trasportabilità (minori costi)
Prodotti commerciali
Mattoncini (bricchette)Mattoncini (bricchette)
PelletPellet
46Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Evoluzione qualità prodotti: pellet
CTI – Energia Ambiente . Progetto Fuoco - Verona – 19 marzo 2004
PELLET PELLET
Mercato del pellet in forte crescita(piccola utenza e impianti di combustione)
Mercato del pellet in forte crescita(piccola utenza e impianti di combustione)
Materiale omogeneo
Alta densità energetica
migliore regolazione della combustione, migliore controllo delle emissioniimpianti più semplici e automatizzabili
Comodità di impiego
Leader (UE):SveziaAustriaGermania
vantaggivantaggi
Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatoriaspetti tecnici, economici, ambientali
Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatoriaspetti tecnici, economici, ambientali
Evoluzione qualità prodotti: qualità pellet
Raccomandazione CTI R-04/5 – aprile 2004Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa
Raccomandazione CTI R-04/5 – aprile 2004Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa
Accordo tra produttori e utilizzatori
OrigineDiametro (D)Lunghezza (L)UmiditàCeneriDurabilità meccanicaPolveriAgenti legantiZolfoAzotoCloroMassa volumica apparenteP.C.I. t.q.
Caratteristiche pelletCaratteristiche pellet
per determinare i parametri indicati nelle caratteristiche metodi esistenti e Progetti di norma in fase di elaborazione a livello europeo (prEN)
Lista dei metodi normalizzatiLista dei metodi normalizzati
As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn V, Zn
Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P,Ti
Parametri aggiuntiviParametri aggiuntivi
Disponibile sul sito CTI www.cti2000.it
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48Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione
Tipologia biomasse analizzate
Tipologia biomasse analizzate (SSC) (denominazione da parte committenti)
49Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
BIOMASSACIPPATO DI LEGNOSANSASANSA ESAUSTASEGATURACENERI DI BIOMASSACENERI LEGGERE DI BIOMASSACENERI PESANTI DI BIOMASSAMISCELA BIOMASSESANSA DI OLIVAOSSO DI VINACCIOLOLOLLA DI RISOVINACCIAMAISVINACCIOLIBUCCE DI UVABUCCE DI ARANCIA
OLIVENOCCIOLO DI SANSABAGASSASCORZE DI AGRUMI ESAUSTESCARTI DI LEGNO E CORTECCERESIDUI LAVORAZ. GRANOPOLPE ESAUSTEPELLET DI LEGNAPELLET DI BUCCE DI GIRASOLEPASTICCIO DI AGRUMIGRASPIAMIDO DI MAISCARBONE DI GUSCI DI PALMACARBONE VEGETALE DA PIROLISIFANGHIFARINA DI GERME DI MAISFARINA DI SOIATUTOLI
HUMUSGUSCIO DI NOCE DI PALMASCARTI LAVORAZ. CAFFESCARTI LAVORAZ. BISCOTTI SCADUTIRISORESIDUI CANNA DA ZUCCHERORASPI DI UVARAMAGLIEPOTATURA DI ULIVOPOLVERE DI TABACCOOSSO DI SANSAOLIO DI VINACCIOLOMISCELA DI FANGHI E CORTECCEMISCELA DI FANGHI E CORTECCE
MISCELA DI FANGHI
LETTIERA DI FUNGAIATABACCOSEMI DI PALMALAVORAZIONE DI LIQUIRIZIAFARINA VEGETALEFARINA DI GIRASOLEFARINA DI CARNECORTECCECARBONELLA DI BIOMASSACELLULOSA
50Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione
Metodi normalizzati
51Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Metodi normalizzati (situazione in progress – aggiornamento al maggio 2004)
Parametro Principale metodo attualmente utilizzato
Metodo unificato in preparazione (CEN/TC 335 "Solid Biofuels")
CAMPIONAMENTO E RIDUZIONE CAMPIONE UNI 9903-3 Draft prCEN/TS 14778-1 - Draft prCEN/TS 14778-2
Draft prCEN/TS 14779 - Draft prCEN/TS 14780
UMIDITA' UNI 9017 - ASTM D 5142Final Draft prCEN/TS 14774-1 Final Draft prCEN/TS 14774-2 Final Draft prCEN/TS 14774-3
SOSTANZE VOLATILI ASTM D 5142 WI00335013
MASSA VOLUMICA ISO 567 - DIN 52182 WI0033509 - WI00335019
CENERI UNI 9017 - ASTM D 5142 Final draft prCEN/TS 14775
FUSIONE CENERI DIN 51730 WI00335015
CARBONIO, IDROGENO , AZOTO ASTM D 5373 WI00335023
OSSIGENO per calcolo WI00335024
CLORO, ZOLFO U53.00.025.0 WI00335025
POTERE CALORIFICO UNI 9017 - ASTM D 5865 WI00335008
MACRO ELEMENTI (Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na, Ti) ASTM D 6349 WI00335027
MICRO ELEMENTI (As, Cd, Co, Cr, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V, Zn) ASTM D 6357 WI00335028
52Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti
Panorama dei principali processi di conversione: Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia bioenergia e e bioprodottibioprodotti
Slides 52-105
53Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Struttura degli argomenti allegati
1 Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti (3-55)
Processi meccanici/chimico-fisici e biochimici (alimentazioni – processi – prodotti)- meccanici/chimico-fisici: estrazione oli (filiera biodiesel)- biochimici:
fermentazione alcolica (filiera bioetanolo)digestione anaerobica (biogas)
- stato avanzamento tecnologie
Processi termochimici (alimentazioni – processi – prodotti)- pirolisi- gassificazione - combustione diretta - co-combustione
- stato avanzamento tecnologie
Principali Processi di trasformazione della biomassa
BiomassaParametri selettivi: Lignina/cellulosa; C/N; Umidità
Residui putrescibili, reflui animali
Piante e residui zuccherini e
amidacei
Biochimici
Fermentazione alcolica
Digestione anaerobica
Piante e residui oleaginosi
Estrazione oli
Piante e residui ligno-cellulosici
Termochimici
CombustionePirolisiGassificazione
Meccanici/Chimico-Fisici
54Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
55Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI
Principali Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI
MATERIA PRIMA
Impieghi principaliUso autotrazione
Uso riscaldamento
Piante e residui
oleaginosi
PRODOTTO
estrazione BIODIESEL
Colture dedicateOleaginose:
ColzaGirasoleSoia
Scelta materia prima: •utilizzo•profilo di composizionedegli acidi grassi presenti
56Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Estrazione oli: Filiera biodiesel
Trattamenti meccanici
RiscaldamentoSpremitura(pressione/
solventi)Raffinazione
Coltivazione
RaccoltaEstrazione oliosemi trasporto
Bio-olioproduzione produzione biodieselbiodiesel
transesterificazione
MetOH/EtOHMotori diesel/ riscaldamento
57Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Ciclo colturale18-22 GJ
1 t metilestere colzaPCI=37.7 GJ/t
Raffinazione 8-11 GJ
Esterificazione 3-3.3 GJ
Fonte ENEA Rapporto Energia e Ambiente 2003 - Le fonti rinnovabili
ProdottiProdotti Olio esterificato glicerina Scarti di lavorazione (farina di spremitura~40%)
~30% p/p colza
Bilancio energetico
58Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Meccanici-Chimico/Fisici: SPECIFICHE BIODIESEL
EN 14213 EN 14213 HeatingHeating fuelsfuels –– FattyFatty acid acid methylmethyl estersesters (FAME)(FAME)
RequirementsRequirements and test and test methodsmethods (2003(2003))
EN 14214 EN 14214 AutomotiveAutomotive fuelsfuels -- FattyFatty acid acid methylmethyl estersesters (FAME) (FAME) forfor diesel diesel enginesenginesRequirementsRequirements and test and test methodsmethods (2003)(2003)
Biodiesel - Produzione e capacità in Europa
2002
Fonte: eubionet.vtt.fi
Principali Processi Biochimici
Biochimici
Fermentazione alcolica: BIOETANOLODigestione anaerobica: BIOGAS
Residui fermentescibili,
reflui animali
Piante e residui zuccherini e
amidacei
59Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Biochimici
Fermentazione alcolica: BIOETANOLO
60Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi biochimici: la filiera bioetanolo
61Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
fermentazione distillazione
Canna da zuccheroCanna da zuccheroBarbabietoleBarbabietoleSorgo zuccherinoSorgo zuccherino
Substrati amidaceiSubstrati amidaceiSubstrati Substrati lignocellulosicilignocellulosici
pretrattamento
Pretrattamentoidrolisi
Colture amidacee
Colture zuccherine REFORMINGREFORMING(H(H22 fuelfuel cellcell))
BIOETANOLO
ETBEETBE
CARBURANTICARBURANTI
Principali Processi Biochimici
Digestione anaerobica: BIOGAS
62Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica
trasformazione di materialeorganico ad opera dimicrorganismiin assenza di ossigeno
Digestione anaerobica
- Richiede ambiente povero di ossigeno - Avviene anche spontaneamente - É favorito in ambiente chiuso- C/N biomassa ~ 20 - 30- umidità > 50%
BIOGAS purificazione
discaricadiscarica
digestori anaerobici
Caloree/o elettricità
autotrazione
rete gas
CH4
63Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica
64Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Residui vegetali putrescibili, reflui animali
Digestione anaerobica
FertilizzanteFertilizzante
(fosforo, potassio, azoto (fosforo, potassio, azoto mineralizzato)mineralizzato)
residuo solido
PCI ~ 5300-5800 kcal/Nm3 (22-24 MJ/m3)
- combustibile(calore e/o elettricità)
- motori a combustione interna(energia elettrica)
CH4 ~50-70% , CO2 ~30-35%tracce di H2S, NH3(H2, CO, HC saturi)
Purificazione -riciclato
-- zone di lagunaggioper colture energetiche
- per la fertirrigazione.
liquido chiarificato
prodotti
BIOGAS
Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica
Concentrazione di metano in campioni dichiarati biogas
0
20
40
60
80
100
% m
etan
o
0
20
40
60
80
100
% m
etan
o
0
20
40
60
80
100
% m
etan
o
campione
Riferimento: 200 campioni di biogas (Database Analisi SSC)
65Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica
Vantaggi AMBIENTALI
Recupero biogas = emissioni gas serra evitate
potere riscaldante CH4 ≈ 21 volte CO2 (orizzonte 100 anni)
Delibera CIPE - RIDUZIONE DELLE EMISSIONI NAZIONALI DEI GAS SERRA
OPZIONI PER ULTERIORI MISURE NAZIONALI DIRIDUZIONI
Produzione di energia daBiogas, da rifiuti solidi urbani, da scarti delle lavorazioni agricole ed agroalimentari
0,9-1,9 Mt CO2-eq/anno
Nota: per le discariche è obbligatorio sistema captazione gas (D.Lgs. n. 36 , 13 gennaio 2003)
66Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
67Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica
Impianti GRTN a biogas EE con cogenerazione
0
50
100
150
200
19951996
19971998
19992000
20012002
GW
h
– colture e scarti agro-industriali
– da deiezioni animali
– da fanghi
– da discariche
Andamento della produzione di energia
elettrica da biogas(1995-2003)
Impianti GRTN a biogas - solo EE
0
400
80019
9519
9619
9719
9819
9920
0020
0120
02
GW
h – colture e scarti agro-industriali
– da deiezioni animali
– da fanghi
– da discariche
68Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi chimici e biochimici
stato avanzamento tecnologia
processo tecnologia R&SEstrazione oli(biodiesel)
Provata Riduzione costi Integrazione filiera Impiego sottoprodotti
Fermentazione(etanolo) Provata
Riduzione costi Integrazione filiera:successi in Brasile e USA
Digestione anaerobica
In Fase liquida(materiale secco nel
digestore 5-10%)
Provata (diverse soluz. tecniche)Matura anche tecnol. di depurazione biogas e gas da discarica (da CO2, H2S,..): consente utilizzo del gas separato (CH4) come sostituto del gas naturale
Ridurre costi Scale-up
In Fase solida(materiale secco: 30-35% )
Stadio pre-commercialeLeader: Francia e Belgio(Vantaggio rispetto a fase liquida:> velocità di produzione biogas e migliore qualità del compost)
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Principali processi Termochimici
69Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici
Sfruttano l’energia chimica del materiale per trasformarla in
Calore e/o energia elettrica, bioprodotti solidi-liquidi-gassosi
Sfruttano l’energia chimica del materiale per trasformarla in
Calore e/o energia elettrica, bioprodotti solidi-liquidi-gassosi
Principali Parametri caratterizzanti
Comportamento termico del materialeMezzo di reazione
Principali Parametri caratterizzanti
Comportamento termico del materialeMezzo di reazione
70Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
71Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici
BIOMASSABIOMASSAPiante e residui Piante e residui lignoligno--cellulosicicellulosici
CombustioneCo-combustione
Gassificazione PirolisiCarbonizzazione
Termochimici
Aria in eccesso Aria in difetto Assenza di aria
calore Gas combustibili(H2+CO)
LiquidiSolidiGas
Principali Processi Termochimici
Fattori generali che influenzano le reazioni e i prodotti desideratiFattori generali che influenzano le reazioni e i prodotti desiderati
Proprietà chimico-fisiche del materiale
Comportamento del materiale Comportamento del materiale al riscaldamentoal riscaldamento Condizioni di riscaldamentoCondizioni di riscaldamento
TecnologiaCondizioni di reazionevelocità di riscaldamento, tempo di residenzamezzo di reazione variabili di processo (T,P)
72Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Principali processi Principali processi termochimicitermochimici: : PIROLISIPIROLISI
73Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
74Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
PIROLISI = processo di decomposizione termica in assenza di ossigeno
ProcessoProcesso Prodotti desideratiProdotti desiderati SottoprodottiSottoprodotti
OLIOPirolisi
Pirolisi-Carbonizzazione
Pirolisi-Gassificazione
Liquidi, Solidi, GasSOLIDI (carbone)
GAS
75Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
Confronto tra i diversi processi di pirolisiConfronto tra i diversi processi di pirolisi
condizioni distribuzione indicativa dei prodotti (%)
Carbonizzazione ~ 300-500 Molto lunghi 30 35 35
PirolisiFast Flash
~ 500 - 650 >700
~ sec< sec 75 12 13
Pirolisi –Gassificazione 600-1000 lunghi 5 10 85
Temperatura(°C)
Tempo di residenza Liquidi
Solidi(char)
Gas
76Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
BIO-OLIO(Pyrolysis Oil)
PIROLISI VELOCE Tecnica più promettente
per produzione LIQUIDI
PCS:16-19 MJ/kg
VANTAGGI:combustibile liquido più facilmente stoccabile e trasportabile (costi di trasporto inferiori) rispetto alla materia prima
PROBLEMI
Instabilità (prodotto pirolitico) e corrosività
S. Czernik - NREL –http://www.state.nh.us/governor/energycomm/images/biooil-nrel.pdf
77Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
(2) Database SSC – Range di valori su ≈ 1500 campioni analizzati (1996-2004)(1) Dati di letteratura
Olio da Pirolisi (1)
Olio Combustibile(2)
Acqua (%) 15-30 <0.05 – 1.5 Densità (kg/m 3) 1.20 950 - 980 Carbonio (%) 56.4 86 - 87 Idrogeno (%) 6.2 10.5 – 11.5 Ossigeno (%) 37.3 1 - 2 Azoto (%) 0.1 0.2 – 0.4 Zolfo (%) - 0.3 - 4 Ceneri (%) 0.1 <0.05 – 0.20 Potere Calorifico Superiore (MJ/kg)
16-19 42.5 – 43.5
0.950 – 0.980
Bio-olio da
78Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
Fast pirolisi per produzione liquidi: Stato avanzamento tecnologie Fast pirolisi per produzione liquidi: Stato avanzamento tecnologie
Stato avanzamento Problemi tecnici R&S
TECNOLOGIA- Trasferimento calore (Processo endotermico)-Quenching rapido per bloccare la reazione allostadio voluto
- Miglioramento affidabilità e prestazioni tecnologie - scale-up impianti pilota e dimostrativi - Riduzione costi (competizione olio combustibile tradizionale) - individuazione possibilità CHP
PRODOTTO - Instabilità, incompatibilità- Acidità- definizione proprietà e
specifiche commerciali
Miglioramento qualità prodotto
Sviluppo metodi di caratterizzazione
Definizione di specifiche tecniche in funzione utilizzo (motori e caldaie o per produzione di elettricità e calore).
Sviluppi paralleli: USA notevole interesse per produzione di chemicals(es. adesivi e resine per l’industria del legno)
Impianti pilota o dimostrativi
Previsioneprima dello stadio pre-commerciale: almeno 5-8 anni per superare barriere tecniche.
Principali Processi Termochimici: PIROLISI
Information on Pyrolysis of Biomass
Pyrolysis Network PyNe 15 European Countries and USA http://www.pyne.co.uk
79Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
80Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
GASSIFICAZIONE = processo di ossidazione parziale (ossigeno substechiometrico)
ChemicalsChemicals
Calore e/oElettricità
COMBUSTIBILECOMBUSTIBILE
Combustibili solidi (Biomassa)
GASGAS
H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+
PRODOTTO
IMPIEGO
81Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONEPrincipali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONEPrincipali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
Caratteristiche del gas prodotto
Caratteristiche del gas prodotto
Combustibili fossiliVarie tipologie di biomassa, tipicamente:legno e scarti di legno;scarti agricoli;pelletPromettente:uso colture dedicate
Combustibili fossiliVarie tipologie di biomassa, tipicamente:legno e scarti di legno;scarti agricoli;pelletPromettente:uso colture dedicate
Alimentazioni Prodotti Gas:
H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2+, N2(TAR, gas acidi, NH3, H2O,particolato)
Gas:
H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2+, N2(TAR, gas acidi, NH3, H2O,particolato)
Condizioni di processo
T ~ 1000 °C
P = f (tecnologia)
82Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Aria Ossigeno Vapore o miscele dei 3Aria Ossigeno Vapore o miscele dei 3
~ 12-13~ 10~ 3.8-4.6PCI *
(MJ/Nm3)
vaporeO2Aria (O2/N2)
* Valori indicativi (materia prima legna)
Mezzo di gassificazioneMezzo di gassificazione
Variabile di processo più significativa:
Variabile di processo più significativa:
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
Composizione media del gas prodotto in funzione del mezzo di gassificazione Composizione media del gas prodotto in funzione del mezzo di gassificazione
Processo EXO EXO ENDO
Aria Ossigeno Vapore
CO 12 - 15 30 - 37 32 - 41
H2 9 - 10 30 - 34 24 - 26
CH4 2 - 4 4 - 6 12.4
CO2 14 -17 25 - 29 17 - 19
C2H4 0.2 - 1 0.7 2.5
N2 56 - 59 2 - 5 2.5
PCI (MJ/Nm3) 4 - 5 10 12 - 13
Resa gas (Nm3/kg legno secco)
2 - 3 1.3 -1.5 -
CALORE
Biomassa = C H 1.4 O 0.6
Valori indicativi: dipendono da alimentazione, tipo di gassificatore,…
83Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Dati: www.de.unifi.it/Macchine/Martelli/CORSI-MARTELLI/ENERGIE-RINNOVABILI/
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
Tipi di gassificatori
1. A letto fisso1. Updraft2. Downdraft
2. A letto fluido1. Circolante (CFB) e bollente (BFB)2. Pressurizzato (PFB)
Tipicamente accoppiato a B-IGCC Gassificazione integrata a ciclo combinato
84Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
ASPETTI CRITICI : (1) requisiti alimentazioneASPETTI CRITICI : (1) requisiti alimentazione
forte influenza variabilità delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche biomassa
GASSIFICATOREletto fisso
Alcuni parametri significativi (valori indicativi)letto fluido
morfologiche
Proprietà chim.-fis.
Temperatura T (°C) 800 -1400 800 -1400 750 - 950
downdraft updraftPezzatura biomassa (mm) 20-100 5-100 0-20
Umidita (%) <15-20 <50 <25Ceneri % (s.s.) <5 <15 <25T fusione ceneri (°C) v. T esercizio v. T esercizio v. T esercizio
Richiesto pretrattamento (essiccamento e macinazione)Richiesto pretrattamento (essiccamento e macinazione)
85Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Prospettive interessanti: uso di pelletProspettive interessanti: uso di pellet
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
ASPETTI CRITICI: (2) impurezze gas prodottoASPETTI CRITICI: (2) impurezze gas prodotto
• Principali impurezze del gas prodotto– Tar (idrocarburi pesanti)– Particolato (ceneri, char)– Impurezze gassose ( H2S, HCl, NH3, HCN )
Richiede trattamenti
86Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
ASPETTI CRITICI: (3) Taglia impianti ASPETTI CRITICI: (3) Taglia impianti
Nel caso biomasse la taglia è vincolata dalla disponibilità materia prima
(≈ 10 MW = taglia grande)
Nel caso biomasse la taglia è vincolata dalla disponibilità materia prima
(≈ 10 MW = taglia grande)
Fonte: europa.eu.int/comm/energy/res/publications/doc1/report_p536_v2.pdf
87Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
gassificazione: stato avanzamento tecnologie
Tecnologie di gassificazioneTecnologie di gassificazione• Migliorare flessibilità del
sistema rispetto a caratteristiche alimentazione
• Affidabilità • Gas cleanup
Tar, NH3, H2OParticolato
• Costi• Opportunità CHP
R&S
• TecnologiaStadio dimostrativo o pre-commerciale Solo Updraft commerciale perproduzione calore
• Efficienza di Conversione EE (20-40 %)
• Aspetto critico: rimozione tar
Esperienza più significativa:Esperienza più significativa:A VARNAMO (SVEZIA): primo impianto dimostrativo della tecnologia B-IGCC (1993)Produce: 6 MWe + 9 MWth. Gassificatore: letto fluido pressurizzato turbina a gas e turbina a vapore. Efficienza elettrica ~ 33%; Efficienza globale (CHP) ~83% .
88Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
B-IGCC: tecnologia del futuro per EE
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
Esperienza ItalianaEsperienza Italiana
Progetti commerciali
THERMIE Energy Farm Project, Cascina (Pisa), 14 MWe - 43 MWth
Gassificatore CFBAlimentazione: Pellet (2.5 cm max) di pioppo, castagno, salice e residui vite, residui olive, segatura
SAFI, Greve in Chianti, 6.7 MWe – 15 MWth
Alimentazione: Pellet di RDF da 1.5 cmTurbina vapore (effic: ~ 20%)
Gassificatore CFB
AMGA Legnano (VA) 1 MWe
Fonte: IEA, 2001
89Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
IMPIEGO del gas da gassificazione
Prospettiva a lungo ...termine: economia all’idrogenoIEA/H2/TR-02/001
“...Biomass has the potential to accelerate the realization of hydrogen as a major fuel of the future.”
Prospettiva a lungo ...termine: economia all’idrogenoIEA/H2/TR-02/001
“...Biomass has the potential to accelerate the realization of hydrogen as a major fuel of the future.”
Calore e/o ElettricitàCalore e/o Elettricità
CombustibileCombustibileGAS
H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+GAS
H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+Gassificazione Gassificazione
Biomassa
ChemicalsChemicals
90Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
Utilizzo gas prodotto per CHEMICALS e altri PERCORSI POTENZIALI
91Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
MeOH
Cat: Ni/Mg
Cat: Mixed BasesNa, Ca
CaCN
Cat: Cu-ZnO Cat: Zeolite
HYDROGENETHANOL,MIXED ALCOHOLSMETHANOL, DME
OLEFINS
FTL
LPGNAPHTHAKEROSINE/DIESELLUBESWAXES
GASOLINE
OXOCHEMICALSe.g., KETONESAMMONIA
SNG
CHP
CHP
SYNGAS
Cat = Catalytic Conversion Process
Cat: Ni, Fe, Cu-Zn
Cat: Cu-Zn,Cu-Co
Cat: Cu-ZnO
Cat: H3PO4, Cr2O3
Cat: Fe
Cat: Co/K
UPGRADING
BIOMASSBIOMASS
FEED PREP
GASIFICATIONGASIFICATION
CLEANUP
Cofiring/Reburn
Cat: Ni
CombinedCycle
FONTE DOE-NREL:www.nifc.gov/presentations/scahill.ppt
Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE
INFO
Gasifier Inventory
www.gasifiers.org/
The Gasifier Inventory gives an overview of existing biomass gasifierinstallations and accompanying manufacturers.
www.biomatnet.org/an independent information service funded by the European Commission
Biological Materials for Non-Food Products (Renewable Bioproducts).
It includes final results from the Fifth Framework Programme (FP5), FAIR Programme (FP4) and previous programmes, as well as ongoing research from the Fifth and Sixth Framework Programmes (FP5 and FP6
92Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA
93Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA
COMBUSTIONE = processo di ossidazione che trasforma
l’energia chimica di un combustibile in energia termica
COMBUSTIONE = processo di ossidazione che trasforma
l’energia chimica di un combustibile in energia termica
Gas caldi di combustioneGas caldi di combustione
Calore
Energia Elettrica
Energia Elettrica + Calore (CHP)
Recupero energiaRecupero energia
94Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA
SCHEMA
EMISSIONI
CENERI
ENERGIA
calore
H2O
Aria primaria
essiccazione
< 150 °C ~
Vapori e Gas combustibili,
H2OPolveriCHAR
Aria primaria
Gassific. e pirolisi
< 600 °C ~
1 stadio 2 stadio 3 stadio
CO2, H20, N2,O2NOx, CO, HCl,
SOx; particolato
Aria secondaria
ossidazione
>800 °C ~
CALORE
LegnoseC, H, O, N, fraz inorg
ErbaceeC, H, O, N, S, Cl
fraz inorg
Reazioni
95Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA
Percorso desiderato nella COMBUSTIONE: OSSIDAZIONE COMPLETAPercorso desiderato nella COMBUSTIONE: OSSIDAZIONE COMPLETA
Caso ideale Caso ideale COMBUSTIONE COMPLETA COMBUSTIONE COMPLETA
CO2 + H2OCO2 + H2OIdrocarburo (H,C)Idrocarburo (H,C) O2, calore
ENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA
96Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA
Caso realeCaso realeEMISSIONI GASSOSE
CO2, H2O, CO, N2, O2, NOx, SOx, HC, particolato
COMBUSTIBILE SOLIDOBiomassa
erbacea/legnosa= C, H, O, N, S, Cl,...
+ fraz. inorganica
Aria eccesso(O2/N2) calore
Aria eccesso(O2/N2) calore
Energia termica
SOLIDICeneri, incombusti
Principali Processi in giocodisidratazione , devolatilizzazione/pirolisi, combustione (ossidaz.)
Principali Processi in giocodisidratazione , devolatilizzazione/pirolisi, combustione (ossidaz.)
Complessità reazioni in gioco (analogamente a pirolisi e gassificazione) trasferimento di massa e di calore reazioni eterogenee solido-gasreazioni omogenee tra gas diffusione dei gas verso l’interfaccia solido/gas diffusione di composti gassosi dall’interfaccia del solido verso la fase gas
Complessità reazioni in gioco (analogamente a pirolisi e gassificazione) trasferimento di massa e di calore reazioni eterogenee solido-gasreazioni omogenee tra gas diffusione dei gas verso l’interfaccia solido/gas diffusione di composti gassosi dall’interfaccia del solido verso la fase gas
97Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
98Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Tecnologie di combustione
tecnologie
COMBUSTIONECOMBUSTIONE
Bollente (BFB)Bollente (BFB)
Ricircolante (CFB)Ricircolante (CFB)
FissaFissa
MobileMobileLetto fissoLetto fisso Forni a grigliaForni a griglia
Letto fluidoLetto fluido
Principali Tecnologie di combustione
Letto fluidoBollente o ricircolante
Letto (combustibile + sabbia) in sospensione con aria primaria forzata dalbasso
Letto fisso con griglia mobile
> Diffusione
Caratteristiche Alimentazione:
Accettano biomassa conElevata umiditàDimensioni variabili Elevato contenuto di ceneri
Biom. legnosa e mix: legno+residui agro industriali (vinacce, graspi, potature,..)
Caratteristiche Alimentazione:
Ceneri (~ <5 %); T fusione ceneri (K,Na) : vedi T esercizio(problemi con biomassa erbacea)
Pezzatura: uniforme (la distribuzione omogenea del combustibile e braci regola la distribuzione di aria primaria)
99Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
T ~ 850-1400 °C
T ~ 850 °C < NOx
< fumi < dispersione termicaPiccoli eccessi aria
Efficace miscelazione aria/combustibile:> Efficienza< Incombusti
• Tecnologie mature
• Efficienza di ConversioneEE (~ 20 %)
• Gestione ceneri
• Gestione Emissioni
Tecnologie diCombustioneTecnologie diCombustione
Condizioni per lo sviluppocommerciale
• Garanzia approvvigionamentobiomassa (a lungo termine)
• Buona flessibilità impianti per biomassa diversificata
• Costo del combustibile • Costo Capitale • Ricavi da vendita elettricità• Individuazione possibilità CHP
Sito specificheSito specifiche
Principali Processi termochimici: sintesi stato avanzamento tecnologia
100Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti
Principali processi termochimici : CO-COMBUSTIONE
101Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE
102Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Fonte: BIOMASS CO-FIRING - European Bioenergy Networks (EUBIONET) - VTT Processes - http://eubionet.vtt.fi
MODIFICHErispetto allo
standard consistenti parziali nessuna standard
30
20
10
50.10 0.5 1
Fuel Rank
Pote
re c
alor
ifico
net
to, M
J/K
g
Influenza delle caratteristiche del combustibile sulla tipologia della caldaia Influenza delle caratteristiche del combustibile sulla tipologia della caldaia
Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE
Co-combustione = combustione simultanea di differenti combustibiliCo-combustione = combustione simultanea di differenti combustibiliTipicamente: biomasse (e RSU) con carbone
Opzione meno costosa e tecnicamente attuabile sfruttando impianti esistenti (grande taglia > efficienza)
Correntemente utilizzata in USA, Finlandia Danimarca Germania Austria Spagna Svezia
•biomassa legnosa: 5-10% ~•residui olive: 10-25%~La % di biomassa nel blend è limitata:
L’efficienza del processo peggiora leggermenteRichiede modifiche parziali di progetto (caratteristiche diverse deicombustibili)
103Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
dal punto di vista del carbonedal punto di vista del carbone
•riduce le emissioni globali (e locali) •abbassa i costi del combustibile(incentivi)
•può ridurre le penalizzazioni previstenella produzione di gas serra
dal punto di vista delle biomasse dal punto di vista delle biomasse
•risolve una delle maggiori barriere (problemi di approvvigionamento)•rappresenta la via più realistica perraddoppiare la produzione UE dienergia rinnovabile
Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE
Esempio di potenziale riduzione delle emissioni di CO2 mediante cofiring
104Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE
INFO
EUROPEAN CO-COMBUSTION OF COAL, BIOMASS ANDWASTES - FINAL REPORT Project DIS-0506-95-UKEUROPEAN COMMISSION - DGXVII
105Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
106Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
SistemiSistemi per l’utilizzo della per l’utilizzo della bioenergia bioenergia
Slides 106-118
Utilizzo energetico delle biomasse
Dai processi di conversione della biomassa all’utilizzo Dai processi di conversione della biomassa all’utilizzo finale della finale della bioenergiabioenergia: : calore e/o elettricitàcalore e/o elettricità))
107Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
1
2
Combustione
CombustibiliCombustibililiquidi, solidi, gas
Fumi caldiFumi caldi
PirolisiCarbonizzazioneGassificazione
Digestione anaerobica
Estrazione/esterificazione
CALORECALOREELETTRICITA’ELETTRICITA’CHPCHP
108Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Utilizzo energetico della bioenergia: stufe e caldaie
StufeStufe
riscaldamentoriscaldamento
Turbina a vaporeTurbina a vapore ~ elettricitàelettricità
Combustione Combustione
CaldaieCaldaie
Taglia Potenza Utilizzo tipico
Piccola 15-100 kWth Riscaldamento domestico
Media 0.2-30 MWth Civile di tipo collettivo /industriale
Media 0.2-10 MWth Teleriscaldamento uso civile
CALDAIE
Grande 10-50 MWth EE , calore, Cogenerazione
1
109Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Utilizzo energetico dei bioprodotti
PirolisiCarbonizzazioneGassificazione
Digestione anaerobicaDigestione anaerobica
Estrazione/esterificazioneEstrazione/esterificazione
CALOREELETTRICITA’CHP
CALOREELETTRICITA’CHP
liquidi, solidi, gas
CombustibiliCombustibili
2
Dalla conversione della biomassa in Dalla conversione della biomassa in bioprodotti bioprodotti al loro utilizzo come combustibilial loro utilizzo come combustibili
110Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Utilizzo energetico delle biomasse
SISTEMI per la produzione di ENERGIA ELETTRICA - CALORE - CHP
Tecnologia Potenza (MW)Micro-turbine
0.025 – 0.1
Fuel cell 0.2 - 2
Motori alternativi
0.05-10
Turbine a gas
0.08-180
Turbine a vapore
0.5 - 250
Cicli combinati
>5 Valori indicativi
EE CHP
0 25 50 75 100
rendim ento %
T urbine a gas
T G B -IG C C
T urbine a v apore
M otori alte rnativ i
Valori indicativi
Utilizzo energetico delle biomasse
COGENERAZIONE (CHP) = produzione combinata e simultanea dienergia elettrica e termica dalla stessa fonte energetica
COGENERAZIONE (CHP) = produzione combinata e simultanea dienergia elettrica e termica dalla stessa fonte energetica
Forte spinta a livello europeo e nazionale
- Risoluzione del Consiglio del 18 dicembre 1997 concernente una strategia comunitaria per promuovere la produzione combinata di calore e di elettricità- LIBRO BIANCO per la valorizzazione energetica delle Fonti Rinnovabili
VANTAGGI CHP
Incremento sensibile del rendimento globale del processo
A parità di energia prodotta, il sistema cogenerativo risparmia circa il 40% di biomassa primaria
= Risparmio energetico= Emissioni evitate per unità di energia prodotta
Impiego nel teleriscaldamento/teleraffrescamento
Nel caso di biomassa disponibile sul territorio: uso razionale dei bacini di raccolta (prevenzione incendi, diminuzione dei rischi idrogeologici).
111Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
112Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Utilizzo energetico delle biomasse
Scenario energetico italiano 2002: generazione elettrica e cogenerazione
Fonte GRTN
-
200
400
600
800
1.000
1.200
RSUColtu
re/Sca
rti
Biogas disc
arich
eBiogas
- altr
o (1)
2000 2001 2002
Solo Generazione elettrica (GWh)
-
200
400
600
800
1.000
1.200
RSUColtu
re/Sca
rti
Biogas disc
arich
eBiogas
- altr
o (1)
2000 2001 2002
Cogenerazione (GWh)
Nota : (1) da fanghi, da deiezioni animali e da colture e scarti agro-alimentari
113Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Utilizzo energetico delle biomasse Utilizzo energetico delle biomasse
Impatto Ambientale: aspetti essenziali
La filiera: utilizzo energetico e impatto ambientale
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
CeneriCeneri
EmissioniEmissioni
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
114Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
DECOLLO FILIERA Ottimizzare bilancio energetico/ambientale
La filiera: segmento emissioni
Segmento emissioniSegmento emissioniEsperienza SSC
Controllo e verifica dei sistemi di monitoraggio
in continuo (DM 21.12.95)Parametri termotecnici
Portata fumiTemperatura fumiOssigeno nei fumi Parametri analitici
Anidride carbonica Monossido di carbonioOssidi di azoto (NO e NO2)
Anidride solforosaContenuto di umiditàNumero di Bacharach
Composti carbonilici specificiIdrocarburi Policiclici Aromatici (IPA)
Composti organici volatiliParticolato totale
PM 2.5 e PM10
Emissioni
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
CeneriCeneri
115Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
La filiera: segmento ceneri
Segmento ceneriSegmento ceneriEmissioni Emissioni
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Approvvigionamento
Coltivazione Raccolta
Conversione
Bioenergia
Bioprodotti
Trasporto
Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio
Pretrattamento
CeneriCeneri
Ceneri di biomasse da impianti di generazione elettrica
Ceneri di biomasse da impianti di generazione elettrica
Stima indicativa della QUANTITA’ di ceneri residue/potenza di generazioneStima indicativa della QUANTITA’ di
ceneri residue/potenza di generazionePotenza impianti
produz. EE biomasseTonnellate
Ceneri/anno
Italia 2002 200 MW 32000 - 56000Italia 2010 1500 MW 240000 - 420000
Base presunta= ~160-280 t ceneri/MW
DESTINAZIONEDESTINAZIONE
116Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
smaltimento/riutilizzosmaltimento/riutilizzo
La filiera: segmento ceneri
Ceneri da biomassaCeneri da biomassa
Smaltimento in discaricaSmaltimento in discarica
DESTINAZIONE
117Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Riutilizzo/Riciclo (DM 05/02/98)
Riutilizzo/Riciclo (DM 05/02/98)
DESTINAZIONE
Costo ~4-5 cent €/kg
Recuperi ambientali
Cementifici/lateriziCompostFertilizzanti
Carattezzazione ceneri = f (utilizzo)
118Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
La filiera: segmento ceneri – uso agronomicoRiutilizzo sul suolo: FERTILIZZANTE
Ripristino parziale del materiale nutriente asportato con il prelievo biomassaRipristino parziale del materiale nutriente asportato con il prelievo biomassa
Caratteristiche rilevanti delle ceneri
Macro e micro nutrienti (Ca, K, P, Mg, Na,...) Composti / elementi di rilevanza ambientale
“Valutazione della fattibilita’ tecnico-economica dell’utilizzo delle ceneri da combustione di biomassa per la distribuzione agronomica su suoli agricoli o forestali” (Progetto BIOCEN, Regione Lombardia - DG Agricoltura)
“Valutazione della fattibilita’ tecnico-economica dell’utilizzo delle ceneri da combustione di biomassa per la distribuzione agronomica su suoli agricoli o forestali” (Progetto BIOCEN, Regione Lombardia - DG Agricoltura)
carenza di dati sistematici a livello nazionale
SSC collabora con CTI e altri soggetti coinvoltiINDAGINE SPERIMENTALE condotta su 5 impianti alimentati a biomassa legnosa:• Campionamenti a frequenza settimanale• Caratterizzazione biomassa e ceneri (SSC)• Determinazione di 21 elementi in biomassa, in ceneri da sottogriglia e in ceneri leggere (SSC)
SSC collabora con CTI e altri soggetti coinvoltiINDAGINE SPERIMENTALE condotta su 5 impianti alimentati a biomassa legnosa:• Campionamenti a frequenza settimanale• Caratterizzazione biomassa e ceneri (SSC)• Determinazione di 21 elementi in biomassa, in ceneri da sottogriglia e in ceneri leggere (SSC)
119Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
ImportanzaImportanza e sinergie nel rapporto biomassee sinergie nel rapporto biomasse--territorioterritorio
Slides 119-128
120Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia
Ottimizzazione della filiera nel suo complesso Ridurre costi Massimizzare benefici
Localizzazione biomasse sul territorio
Condizioni al contorno
L’Ottimizzazione della filiera è legata a fattori sito-specificiL’Ottimizzazione della filiera è legata a fattori sito-specifici
Richiede specifica analisi territorialeRichiede specifica analisi territoriale
121Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia
Ottimizzazione dei segmenti Ottimizzazione dei segmenti
approvvigionamentoapprovvigionamento
Raccolta/PretrattamentoRaccolta/Pretrattamento
TrasportoTrasporto
Stoccaggio/PretrattamentoStoccaggio/Pretrattamento
Utilizzo (conversione energetica)Utilizzo (conversione energetica)
EnergiaEnergiaEmissioni Emissioni Residui Residui
122Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli
Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia
Prima barriera da superare: sicurezza approvvigionamentoPrima barriera da superare: sicurezza approvvigionamento
competizione con combustibili tradizionalicompetizione con combustibili tradizionali
Costi approvvigionamentoCosti approvvigionamento
competizione con usi diversi materia primacompetizione con usi diversi materia prima
Fattori di rischioFattori di rischio
approvvigionamentoapprovvigionamento
Disponibilità e regolarità materia prima
Disponibilità e regolarità materia prima
StagionalitàStagionalità
Diversificazione fontidisponibili sul territorio: bosco/ residui agroalimentari/residui industria legno/ pellet/colture dedicate (fattori climatici e pedologici locali)Ottimizzazione: MIX
Diversificazione fontidisponibili sul territorio: bosco/ residui agroalimentari/residui industria legno/ pellet/colture dedicate (fattori climatici e pedologici locali)Ottimizzazione: MIX
SicurezzaSicurezza
Ottimizzazione dei segmenti filiera: riduzione costi
Raccolta/PretrattamentoRaccolta/Pretrattamento
Stoccaggio/pre – post trattamentiStoccaggio/pre – post trattamenti
TrasportoTrasporto
Utilizzo (conversione energetica)Utilizzo (conversione energetica)
Meccanizzazione operazioni di raccoltaPretrattamento: es. sminuzzamento prima del trasporto(aumento densità)
Creazione di infrastrutture di accesso (strade, piste, ecc.) permigliorare accessibilità agli addetti, alle macchine e alle attrezzature = aumento produttività = riduzione costi trasporto
Ottimizzazione in funzione capacità impianto, caratteristiche e tempi di rifornimento materia prima (stagionalità), degrado biomassa (fermentazione). Costo terreno, opere consolidamento, copertura,.. Dispositivi per pre- o post-trattamenti (essicazione, densificazione materia prima)
Aumento efficienza energetica = Riduzione costi e emissioni evitate Cogenerazione (EE+calore);Opportunità locali di teleriscaldamento/teleraffrescamento
Interventi sito specificiInterventi sito specificiSegmenti filieraSegmenti filiera
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Ottimizzazione dei segmenti filiera: massimizzare benefici
Sviluppo armonico della filiera: positive ricadute sul territorioSviluppo armonico della filiera: positive ricadute sul territorio
Riconversione, diversificazione e integrazione fonti di reddito nel settore agricolo (terreni set-side per coltivazioni non-food)
Creazione opportunità occupazionali Riforestazione di terreni marginali (controllo erosione e dissesto idrogeologico)e contrasto dei fenomeni di spopolamento e di degradoRazionalizzazione cure colturali boschive (prevenzione incendi) Valorizzazione economica dei sottoprodotti e residui organiciRisparmio costi depurazione e smaltimento dei residui agroindustrialie industriali
Ruolo essenziale di regioni e enti locali per conseguire obiettivi significativi di diffusione
Ruolo essenziale di regioni e enti locali per conseguire obiettivi significativi di diffusione
Sviluppo del potenziale locale e di innovazione mediante la promozione/incentivazione/divulgazione di progetti specifici in materia di ricerca-innovazione rispondenti alle esigenze locali coinvolgendo imprenditori agricoli, industriali e popolazione locale.
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Le regioni: attività dimostrative/divulgative a forte caratterizzazione territoriale
Alcuni progetti del programma PROBIO (MIPAF, D.M. 20 dicembre 2000)
Basilicata Piano d’azione per il decollo delle filiere bioenergetiche
Emilia Romagna La filiera del biodiesel
Lombardia Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell’uso dei biocombustibili
Lombardia Impianti colturali a rotazione breve per la fitodepurazione dei reflui civili ed agricoli
Lombardia Forestazione a rotazione breve; energia dalla agricoltura-pellets
Piemonte Sviluppo distretti energetici con impiego di biomasse
Toscana Bioenergy farm project
Umbria Programma di sviluppo, dimostrazione, formazione e diffusione della filiera combustibili solidi
Valle d’Aosta Biogas in montagna
Veneto Programma BIOTER (biocombustibili a scala territoriale)
Veneto Sviluppo della filiera dei biocombustibili
Fonte: Seminario “Le filiere bioenergetiche”- MIPAF , aprile 2001
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Le regioni: Produzione elettrica
Produzione energia elettrica lorda da impianti a biomasse e rifiuti SardegnaSiciliaCalabriaBasilicataPugliaCam
paniaMoliseAbruzziLazio
MarcheUm
briaToscanaEm
ilia Romagna
LiguriaFriuli-Ven.GiliaVenetoTrentino-AALom
bardiaValle d’AostaPiem
onte
0
2 0 0
4 0 0
6 0 0
8 0 0
1 0 0 0
1 2 0 0
1 4 0 0
GW
h
Italia 2002
per regioneper regione
Fonte GRTN
Biomasse e Territorio
Previsioni al 2005-2015: incremento significativo produzione elettricità e calore da Biomassa
Previsioni al 2005-2015: incremento significativo produzione elettricità e calore da Biomassa
Biomasse per Settori di Utilizzo Finale
0
1000
2000
3000
2000
2001
2002
2003
2005
2010
2015
ktep
Elettrico Civile Industriale/agricolo Trasporti
Fonti: GRTN e UP
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BIOMASSE: sinergia totale bioenergia-territorio-ambiente
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Fonte: http://cr.middlebury.edu/es/altenergylife/sbiomass.htm