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Cogenerazione di biomasse su piccola scala: opportunità e criticità
Antonio M Pantaleo
Dipartimento DISAAT, Università di Bari Centre for Process Systems Engineering, Imperial College London
Le prospettive della valorizzazione energetica e materica delle biomasse agroforestali Workshop ECOREMED Napoli, 11 ottobre 2013
Inquadramento normativo • Classificazione prodotto, sottoprodotto, rifiuto (Dir 28/2008) • Art 184 bis condizioni per qualifica sottoprodotto: parte integrante di processo produttivo, utlizzo certo, senza ulteriore trattamento, legale
• All X sez 4 Dlg 152/06 elenco biomasse per limiti emissioni • DM 6/7/12 (lista sottoprodotti/rifiuti per incentivi biomasse) e Art
185: categorie escluse da rifiuto • Criteri sostenibilità biomasse (Dir 28/2010) e biocarburanti Dlg
55/2011 e DM 23-01-2012 • Efficienza energetica – certificati bianchi, conto energia termico,
CAR • Iter autorizzativi: linee guida 2010 e PAS
Generazione elettrica- implicazioni tecnologia/taglia
Processi di seconda generazione (I)
Processi di seconda generazione (II)
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Cogenerazione da biomasse: taglie ottimali?
• Trade-off efficienza di conversione-costi/raggio approvv
• Risorse domestiche molto “distribuite”
• Necessità decoupling per ottenere biocombustibili da utilizzare presso la domanda energetica
• Sistemi di condizionamento/upgrading centralizzati e utilizzo finale distribuito
• Flessibilità di utilizzo biomasse su mercati alimentari-industriali-energetici (bioraffinerie, chimica verde)
• Ruolo delle misure di incentivazione/procedure autorizzative nel pilotare le scelte di investimento
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Biomassa
Elettricità-calore-trasporti
Stoccaggio / pre-trattamenti
Biocombustibile intermedio Altri prodotti alimentari-industriali
Condizionamento centralizzato (bioraffineria)
Biocombustibile stabilizzato
Conversione energetica (presso utenza energetica)
Decoupling upgrading - energy conversion
Densificazione biomassa-torrefazione
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Recupero energetico - ORC
basse pressioni, usura ridotta, efficienza complessiva 85%, bassi costi operativi
Caldaie con gruppi ORC
Gassificazione di biomasse • Updraft-downdraft; letto fisso/fluido; atmosf/pressurizz; • Tipo filtri: secco-umido • Caratteristiche biomassa (umidità-pezzatura-ceneri) • Trattamento e smaltimento char
• Vantaggi: efficienze, emissioni • Svantaggi: spazi, affidabilità, essiccazione iniziale,
qualità combustibile, costi • Promettente per piccole taglie, con biomassa con
contenuto ceneri<2%, domanda di calore on site
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Gassificatori letto fisso
Updraft, elevata efficienza ma alta % char nel syngas
Semplice tecnologia - PCI (4-6 MJ/Nm3)-perdite 25%-u 15-20%
Downdraft, stessa direzione per biomassa e gas, parziale craking catrami ma maggior particolato, idoneo per e.elettrica
alte T syngas
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Gassificatori letto fluido
• Del tipo bollente/circolante e atmosf/pressurizz
• Uniforme T- gassif in pressione
• Rischio di formazione di scorie nel letto
• Necessità, in tutti i casi, di un sistema di raffreddamento e di gas cleaning
Gassificazione su piccole taglie-criticità
Trade-off ed opzioni tecnologiche • Piattaforma centralizzata con gassificazione distribuita • Dove e come essiccare
• Pezzatura: cippato, pellet, polverino • Biomassa umida o secca (domanda calore) • Temperatura di gassificazione ed eccesso aria • Tipologia filtri per gas cleaning (gestione acqua/spazi) • Motori o turbine • Solo biomassa o dual fuel
Impatto ambientale • Emissioni in atmosfera: essiccatore e combustore char • Emissioni motore o turbina • Consumi acqua (filtri ad umido) • Spazi (filtri, essiccatore) • Rumore (motore) • Efficienza di conversione energetica
Analisi energetico-ambientale e costi-benefici
• Dir 28/2010 biomasse • Dir 27/2012 su efficienzz energetica (Art 14 : obbligo di CAR e/o DH
ma con analisi costi-benefici economico-sociale (all IX parte 1) implicazioni anche ai fini autorizzativi)
• Impostazione: analisi bilanci energetici, risparmio energia primaria, emissioni CO2 evitate, aspetti occupazionali, analisi finanziaria,
• Principali criticità: allocazione impatti, LUC • Criteri e standard di certificazione
Analisi di sostenibilità e LCA Raw materials
extraction
Trasformation: from raw materials to fuels
Utilisation of different products in the chain
Transport
Energy production and utilisation
Casi di studio
HEAT AND POWER HEAT AND POWER
Pellet-gassificazione
BRASSICA CARINATA
BIO-OIL
OIL cake pellet
1 MWe - MCI
Estrazione olio
FIBER SORGHUM
Pellet
PELLET MIX
1 MWe gasificatore-MCI
Olio vegetale-MCI
Pre-trattamento
conversione
FIBER SORGHUM BRASSICA CARINATA
Province S1 (ha) S2 (ha) ha/y Seed t/y Plants Foggia 168,122 141,072 77,296 154,592 25
Bari 100,832 28,605 32,359 64,718 11 Brindisi 35,812 512 9,083 18,166 3 Taranto 48,833 14,495 15,832 31,664 5
Lecce 40,199 8,533 12,183 24,366 4 Total 393,788 193,226 146,754 293,506 48
Province S1 (ha) S2 (ha) ha/y Biomass t/y Plants
Foggia 2,685 125,296 31,995 575,915 103 Bari 0 61,389 15,347 276,251 49
Brindisi 0 0 0 0 0 Taranto 0 4,933 1,233 22,199 4
Lecce 0 0 0 0 0 Total 2,685 191,671 48,576 874,602 156
4 years rotation
Analisi tecnico-economiche
Impianti a biogas: taglia ottimale
020406080
100120140160180200
< 10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 >100
ABU in each farm - LAG-Barsento
Num
ber o
f far
ms
0.0
0.5
1.0
1.5
2.0
2.5
3.0
3.5
4.0
4.5
aver
age
AB
U//U
AS
farms numberABU/UAS
Technical plant parameters - Reactor technology/substrate combination - Energy conversion efficiencies Biomass transport and supply chain logistics Biomass density over the territory
Energy potentials Plant sizes range definition
Economic performances Sensitivity analysis
Cost figures - Investment and operational costss - Biomass supply chain costs
Market price for end-products
- feed-in tariff - subsidies - heat/electricity price - digestate price
Biomass potentials Feedstocks mixes
INPUT OUTPUT
Area of investigation - land use assessment - cattle farms size and breeding techniques - energy crops suitability assessment - feedstocks typologies and availability
!
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Servizio calore: Biosolesco
• EIE project
• Partners
• Obiettivi: diffusione del servizio calore da biomasse e solare termico attraverso ESCO
• Caso studio: latterie Vicentin
Bio-‐Sol-‐ESCo • Contract number EIE/07/246 • 1.7.2008-‐30.6.2011
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Caso di studio latterie Vicentin • Caldaia da 5800 kWt al servizio del caseificio
• Investimento di ESCO con vendita calore
n Investimento ESCO 815.835,00€ n Investimento cliente 50.000,00€
n Costo biomassa 70€/ton n Prezzo vendita energia termica 35€/kWh
Results profitability assessment
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Fattibilità calore da biomassa • Disponibilità biomassa (cippato – pellet)
• Domanda di energia termica
• Attuale costo del calore ed eventuale necessità di sostituzione caldaia esistente
• Disponibilità spazio per stoccaggio
• Manutenzione (smaltimento ceneri)
Integrazione gas-biomasse: EFGT • Modellazione termo-economica • Combustore a biomassa integrato a ciclo Bryton gas • Analisi a carichi parziali in gate-cycle • Bilanci energetici
Analisi termo-economica
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Integrazione della bioenergia nei sistemi energetici – alcuni esempi
• Produzione biogas da DA distribuita-trasporto a upgrading centralizzato-distribuzione in rete gas
• Stoccaggio-essiccazione-trasporto a densificazione centralizzata (pellet-char)-distribuzione a rete microgenerazione (gassificazione-ORC-stirling-caldaie)
• Produzione bio-etanolo da lignocellulosiche centralizzata-trasporto pipeline a microturbine distribuite
• Produzione bio-olio centralizzata-trasporto pipeline a motori CHP dual fuel, microturbine
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Integrazione della bioenergia nei sistemi energetici – obiettivi progetto BP-CPSE
• Tecnologie ottimali per condizionamento-conversione energetica
• Localizzazione e dimensionamento impianti
• Integrazione con reti esistenti (gas, elettricità, calore, trasporti su strada) e con impianti esistenti (cofiring)
Ottimizzazione di filiere bioenergetiche
Approccio STN: state-task network: risorse-tecnologie
Approccio di SISTEMA: localizzazione, taglia, tecnologia ottimali di impianti a biomasse e relativa integrazione con le attuali infrastrutture
energetiche
Caso studio in area urbana Caso studio • UK, 87 ha • 6500 persone • 50% energia da rinnovabili
CHP
District heat
Electricity
Waste heat
Elec heater
Heat exch. Heating
CO2
Forestry residue
Chips
Chip prod.
District heating Wood chips
electricity Natural gas
Trends di ricerca • Processi di upgrading a biofuels • Dinamiche offerta biomasse – domanda energia • Sparse district heating/cooling • Localizzazione ottimale impianti, load aggregators,
prosumers e demand side management • Sistemi dual fuel – integrazione con sistemi energetici
convenzionali • Modelli di business per ESCO
Conclusioni n Integrazione con sistemi energetici esistenti
n Disaccoppiamento condizionamento-conversione
n Integrare con efficienza energetica
n Incentivi per calore da rinnovabili
n Contabilizzazione benefici ambientali
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Perché? Perchè anche tu vivi qui!