presentazione convegno 030413 tfe

BIOMASSAUna risorsa per il territorio

3 Aprile 2013

Comune di PravisdominiComune di Azzano XComune di Chions

Giovanni Curculacos – TFE ingegneria srlTecnologie per la valorizzazione energetica della biomassa


Tecnologie per la valorizzazione energetica delle

biomasse

ingegneria s.r.l.



Situazione attuale e prospettive future• Obiettivo primario della UE, veicolata nazionalmente con il recepimento

delle direttive Europee sull’energia, l’ottimizzazione energetica, la riduzione del consumo di energia primaria, l’implementazione delle Fonti di Energia Rinnovabile e assimilate è quello di ridurre le emissioni di gas serra ed inquinanti

• Questa esigenza è stata perseguita con una serie motevole di direttive e accordi internazionali, di cui da direttiva 20-20-20, rappresenta l’elemento più noto anche al pubblico più generico

• Pur senza accordi internazionali l’UE ha voluto ugualmente promuovere il proprio impegno unilaterale, rilanciandolo oltre il -20% di emissioni entro il 2020 e portandolo al -30% per il 2030 e a -50 % nel 2050 (rispetto al 1990).


Direttiva 2010/31/UESulla prestazione energetica nell’edilizia

Edifici responsabili del 40% del consumo di energia in UE.La riduzione del consumo energetico e l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili sono misure importanti per:

1. Ridurre la dipendenza energetica.2. Ridurre le emissioni inquinanti di gas a effetto

serra.3. Promuovere la sicurezza

dell’approvvigionamento energetico.


Entro il 2020:

� Ridurre del 20% le emissioni di gas a effetto serra.� Migliorare l’efficienza energetica del 20%.� Aumentare al 20% la quota di energia coperta da

fonti rinnovabili (cfr. Direttiva 2009/28/CE o direttiva RES).

Direttiva 2010/31/UE


DECRETO LEGISLATIVO 3 MARZO 2011 n. 28DECRETO LEGISLATIVO 3 MARZO 2011 n. 28

AttuazioneAttuazione delladella direttivadirettiva 2009/28/CE 2009/28/CE sullasullapromozionepromozione dell'usodell'uso dell'energiadell'energia dada fontifontirinnovabilirinnovabili, , recanterecante modificamodifica e e successivasuccessivaabrogazioneabrogazione delledelle direttivedirettive 2001/77/CE e 2001/77/CE e 2003/30/CE2003/30/CE

……………….la.la direttiva RESdirettiva RES



Oggetto (articolo 1)

� Edifici ad energia quasi zero.� Certificazione energetica degli edifici.� Ispezione periodica degli impianti.� Sistemi di controllo indipendenti per gli attestati

di prestazione energetica e i rapporti di ispezione.


��

��

��

��

�� !��"��#$��$��%� ��&!�'�� (�%�� (��!)��*��!��"�+� �,�!�-��'��*�-��%�--�%%�"��+!�)�� !��"��$..$��$��$��


Definizioni (articolo 2)

Prestazione energetica di un edificio: quantità di energia, calcolata o misurata, necessaria per soddisfareil fabbisogno energetico connesso ad un uso normaledell’edificio, compresa, in particolare, l’energia utilizzata per il riscaldamento, il rinfrescamento, la ventilazione, la produzione di acqua calda e l’illuminazione.




Definizioni (articolo 2)

Edificio a energia quasi zero: edificio ad altissima prestazione energetica.Il fabbisogno energetico molto basso o quasi nullodovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia da fonti rinnovabili, compresa l’energia da fonti rinnovabili prodotta in loco o nelle vicinanze.



Definizioni (articolo 2)��Ai fini del presente decreto legislativo si applicano le le

seguenti definizioni:

a) «energia da fonti rinnovabili»: energia proveniente da fonti rinnovabili non fossili, vale a dire energia eolica, solare, aerotermica, geotermica, idrotermica. ……., , biomassa, …….., gas ……

a) «energia aerotermica»: energia accumulata nell'aria ambiente sotto forma di calore;

c) «energia geotermica»: energia immagazzinata sotto forma di calore nella crosta terrestre;

d) «energia idrotermica»: energia immagazzinata nelle acque superficiali sotto forma di calore;



Definizioni (articolo 2)1. Ai fini del presente decreto legislativo si applicano le le

seguenti definizioni:

a) «biomassa»: la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani



Tecnologie per la conversione della biomassa

1. I criteri di conversione della biomassa in energia sono sostanzialmente legati ad una serie di fattori fisico dimensionali:– Tipologia della biomassa (dimensioni,

umidità)– Tipologia della biomassa (da coltivazione

dedicata, da recupero – potature, sfalci, ecc.)– Potenzialità del’impianto (potenza di picco –

livelli termici di utilizzo)




1. Le possibilità di valorizzazione della biomassa sono sostanzialmente:

– Produzione diretta ed esclusiva di energia termica

– Produzione combinata di energia termica ed energia elettrica o meccanica




– Il legno può essere considerato a tutti gli effetti una risorsa rinnovabile. Un utilizzo oculato del territorio e del patrimonio forestale, insieme ad una gestione efficiente degli scarti legnosi agro-industriali, permettono una costante disponibilità di biomassa a fini energetici.

– Alcuni studi (vedi tabella) indicano che in Italia il potenziale di biomassa forestale utilizzabile ètre volte superiore allo sfruttamento attuale.




Produzione biomassa potenziale Pravisdomini



Tecnologie per la conversione della biomassa(fonte Nextville)

La combustione del legno può essere considerata "CO2 neutra", poiché l'anidride carbonica rilasciata in fase di combustione è pari a quella fissata dalla pianta, durante la crescita, mediante il processo di fotosintesi. In questo modo si chiude il ciclo del carbonio, senza emissioni aggiuntive di gas serra in atmosfera.




• La differenza tra la CO2 di origine vegetale (biomassa) e quella di origine minerale (fossile) non risiede nella "qualita" dell'emissione, ma nella sua rinnovabilità. Infatti l'anidride carbonica contenuta nei combustibili fossili e immessa oggi in atmosfera, è stata fissata alcuni milioni di anni fa da piante che non possono più compensarne il rilascio con la fotosintesi.

• In definitiva, il carattere di rinnovabilità proprio della biomassa vegetale è dovuto allo sfasamento temporale (breve, in questo caso) tra la sua fissazione vegetale sotto forma di carbonio e il suo rilascio in atmosfera.




• Questo bilancio ambientale non tiene conto della CO2 di origine fossile prodotta in fase di raccolta, trasformazione e trasporto della biomassa. Tutte queste fasi della filera richiedono un certo dispendio energetico (la cosiddetta energia "grigia") con conseguenti emissioni di gas serra in atmosfera. Anche per questa ragione sono da preferire le filiere corte e le produzioni locali.




1. Combustione e utilizzo diretto del calore:

– le caldaie a legna, ideali soprattutto in zone rurali o non collegate alla rete di distribuzione del gas metano

– termocamini, in grado di erogare aria o acqua calda, sono anch'essi utilizzabili in alternativa al riscaldamento a combustibile fossile

– le termostufe, ibridi tecnologici tra un camino, una stufa e una caldaia, possono scaldare notevoli quantità d'acqua

– le termocucine, che oltre a svolgere i compiti di una caldaia, consentono di cuocere i cibi alla piastra e in forno




La combustione del cippato può avvenire in caldaie a griglia fissa o mobile.Le caldaie a griglia fissa hanno solitamente potenze inferiori e si adattano peggio al variare delle caratteristiche fisiche (dimensioni e umidità) del cippato; hanno però un costo minore.

Le caldaie a griglia mobile consentono l'avanzamento del combustibile mediante griglia mobile inclinata, per un efficace controllo del spessore del letto anche in condizioni di rammolimento e parziale fusione delle ceneri. Il risultato èun’ottima combustione e una considerevole decantazione dellepolveri dei fumi già in caldaia.




La griglia mobile è costruita in modo da non presentare organi di movimento soggetti a rotture o ad usure che impongano interventi di manutenzione.

La griglia è divisa in più sezioni dove viene immessa l’aria comburente che può quindi essere regolata finemente a tutti i carichi, evitando che a basse potenze parte della sua superficiesi scopra e l’aria segua vie preferenziali al di fuori del combustibile, penalizzando la miscelazione dei gas e diconseguenza la buona combustione.


Depositi: insufflaggio in locali interni


Depositi: insufflaggio in locali interni



Depositi piccole dimensioni: caricamento dall’alto




Depositi grandi dimensioni: caricamento dall’alto



Impianti di cogenerazione a biomassa




1. Impianti di cogenerazione a biomassa:

– Produzione combinata di energia elettrica e termica, con livelli differenziati in funzione della tipologia

– Aumento del rendimento energetico globale complessivo a seguito:– Riduzione perdite di trasporto e

conversione– Ottimizzazione dei cicli di recupero

dell’energia termica




La cogenerazione, ossia la produzione congiunta di Elettricità e Calore mediante un unico sistema in cascata, consente la produzione contemporanea di energia elettrica e energia termica pregiata, con rendimenti globali anche superiori all'85%.In tutte le tecnologie impiegabili per la realizzazione di cicli termodinamici, una frazione di calore viene necessariamente ceduta all'ambiente, senza essere stata convertita in elettricità o lavoro; pertanto l'unico aspetto su cui intervenire per ottimizzare il processo è quello di minimizzare tali perdite.




Il principio su cui si basa la cogenerazione è proprio quello di recuperare il calore generato durante la produzione di energia elettrica, altrimenti disperso nell'ambiente, e riutilizzarlo per produrre energia termica.È quindi evidente che la cogenerazione comporti una piùrazionale utilizzazione del combustibile primario, attraverso ilrecupero efficiente del contenuto termico dei fumi di scarico del motore primo che, nel caso di produzione elettrica e termica separata, va del tutto disperso.




Produzione separata di energia termica ed elettrica




Produzione combinata di energia termica ed elettrica -COGENERAZIONE




Da ultimo, occorre considerare un beneficio meno evidente della produzione in loco di potenza elettrica e che rappresenta un'altra fondamentale caratteristica della cogenerazione

La vicinanza tra luogo di produzione e di utilizzo, riduce la perdita della potenza per dispersione elettrica nella distribuzione e nel trasporto sulla rete nazionale: nelle condizioni tradizionali di produzione di energia elettrica, per ogni kWh consumato dall'utente finale, circa il 3-5% vanno persi prima di arrivare alle utenze



Tecnologie per la conversione della biomassaImpianti di cogenerazione a biomassa:

1. Negli impianti di cogenerazione di piccola e media taglia alimentati a combustibile liquido e gassoso, esistono molteplici possibilità di utilizzo del combustibile, in centrali di vario genere

– Motori a combustione interna (30 kW –WW)

– Turbine di piccola e media taglia (100 kW – MW)

– Turbine a vapore (molti MW)– Cicli combinati (molti MW)




– La disponibilità di combustibile “solido”richiede sistemi impiantistici diversi, con inserimento di componenti che consentano di poter attuare dei cicli termodinamici e meccanici in grado di sfruttare l’energia contenuta nel combustibile solido anche per azionamenti di tipo meccanico– Motori a combustione esterna (Stirling)– Motori a gas da per pirolisi (gassificazione cippato)– Motori ed espansori a vapore (25 – 1000 kW)– Cicli combinati ORC (2-300 kW - MW)– Turbine a vapore (molti MW)




– In funzione dell’utilizzo dell’energia termica (alimentazione diretta rete di teleriscaldamento o produzione di energia elettrica) una caldaia a biomassa opportunamente configurata può utilizzare come vettore termico:– acqua calda;– vapore;– olio diatermico







Tecnologie per la conversione della biomassaCicli Stirling – combustione esterna� Il motore funziona a ciclo chiuso utilizzando un gas

come fluido termodinamico (solitamente aria, azoto oppure elio o idrogeno nelle versioni ad alto rendimento). Quando è raggiunta un'opportuna differenza di temperatura tra il suo punto caldo ed il punto freddo, si innesca una pulsazione ciclica (opportunamente avviata all'inizio), normalmente trasformata in moto alternato dei pistoni. La pulsazione perdura fino a quando si continua a mantenere la differenza di temperatura, somministrando calore al punto caldo e sottraendone al freddo.

� Una particolarità di questo motore è quella di funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatoreche agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di circa 90 gradi.


Tecnologie per la conversione della biomassaCicli Stirling – combustione esterna� Una particolarità di questo motore è quella di

funzionare senza fare ricorso a valvole. Le sole parti in movimento sono il pistone ed il dislocatoreche agiscono collegati ad un albero motore con una coppia di gomiti sfasati tra loro di circa 90 gradi.

� È probabilmente uno dei più interessanti motori a combustione esterna per la sua bassa manutenzione, la sua silenziosità e la possibilità, ad oggi non realizzata, di raggiungere rendimenti prossimi a quello teorico per cicli termodinamici; la combustione non è vincolata a combustibili specifici.

� È possibile anche utilizzare il calore della radiazione solare concentrata, ad esempio tramite uno specchio parabolico, per produrre la differenza di temperatura necessaria.




� La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco in carbonio, come le biomasse, in monossido di carbonio, idrogeno e altri composti gassosi.

� Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante: tipicamente aria (ossigeno) o vapore. La miscela gassosa risultante costituisce quello che viene definito gas di sintesi (syngas) e rappresenta essa stessa un combustibile

Tecnologie per la conversione della biomassaGassificazione della biomassa


� La gassificazione è un metodo per ottenere energia da materiali organici di alta efficienza. L'uso del processo di gassificazione per la produzione di energia presenta alcuni vantaggi rispetto alla combustione diretta. Infatti il syngasprodotto viene bruciato direttamente in motori a combustione interna perchè il processo di gassificazione permette di togliere con le ceneri, elementi altrimenti problematici per la successiva fase di combustione, quali ad esempio cloro e potassio, consentendo la conseguente produzione di un gas molto pulito.



� Il sistema di gassificatoreutilizzato è a letto fisso equi-corrente("down draft") e vuole dire che la direzione del combustibile (legno) e il gas scorrono nella stessa direzione. Il reattore viene caricato in alto e il gas estratto in basso



Tecnologie per la conversione della biomassaCicli StirlingL'integrazione fra il motore Stirling e il

processo della gassificazione permette l'utilizzo della biomassa come combustibile per la produzione di energia. Il motore Stirling può diventare così una tecnologia da valorizzare per facilitare il raggiungimento degli obiettivi fissati dal Protocollo di Kyoto. L'organizzazione di questo tipo di impianto prevede l'articolazione di cinque componenti principali:

� deposito della biomassa� gassificatore� caldaia� motore Stirling� accumulatore termico o volano termico

� Tramite un sistema di coclee la biomassa (cippato legnoso) viene portata all'ingresso del gassificatore in cui la biomassa


Tecnologie per la conversione della biomassaCicli Stirling

� Per impianti di piccola taglia, si riesce ad avere una potenza elettrica di 35 kW e una potenza termica di 140 kW.

� Nel 2008, in Provincia di Bologna si èrealizzato il primo progetto italiano sperimentale di questo tipo, a servizio del complesso scolastico del comune di Castel d'Aiano, che utilizza il cippatocome combustibile di partenza. Il percorso intrapreso prevede la realizzazione di altri impianti analoghi nello stesso comune.






Tecnologie per la conversione della biomassaMotori a combustione interna (gas da cippato) Syngas



� Il materiale per gassificare è cippato di legno vergine di qualità G30-G40. Il cippato viene trasportato tramite una coclea dal magazzino di stoccaggio nel serbatoio di caricamento. Tramite un sensore viene controllato il livello nel serbatoio. Per garantire che durante le fasi di caricamento non entri aria nel sistema, nel serbatoio di caricamento sono montate due valvole a tenuta stagna. Queste vengono comandate tramite un PLC per garantire che una si apra solo se l´altra è già chiusa

Motori a combustione interna (gas da cippato) Syngas





� Il reattore è il cuore dell´impianto nel quale viene trasformato il legno tramite un processo termochimico in gas di legno/syngas. Più materiale passa attraverso la zona di ossidazione più alta diventa la temperatura.






� Il gas di legno/syngas e i residui della gassificazione, cenere e carbonella, escono dal reattore dalla parete bassa a 800°C. Passano insieme in uno scambiatore nel quale viene raffreddato il gas a 130°C. Successivamente passa attraverso un filtro a manica dove viene separato il gas dalla cenere e carbonella.

� Cenere e carbonella vengono trasportati tramite valvole e coclea in un apposito contenitore all'esterno dell´impianto. Un meccanismo comandato da PLC garantisce la tenuta stagna del sistema di estrazione



� Dopo che il gas pulito esce dal filtro, viene ulteriormente raffreddato tramite un altro scambiatore per arrivare a ca. 90°C al filtro di sicurezza. Questo funge come filtro di emergenza per evitare eventuali danni al motore se il filtro principale dovesse presentare dei malfunzionamenti.

� Dopo il filtro di sicurezza il gas viene miscelato con aria per alimentare il motore a scoppio a ca. 40°C



� Il potere calorifico del gas è di ca. 4,5 MJ/m³ (~1,4 kWh/m³).

� I gas di scarico del cogeneratorevengono puliti tramite un catalizzatore e raffreddati attraverso uno scambiatore per essere immessi in atmosfera puliti e raffreddati.

� Il cogeneratore produce 45 kWh (min.) di corrente elettrica, la quale viene immessa in rete .

presentazione convegno 030413 tfe

Documents