Seminario “La sfida della sostenibilità energetica per le imprese agricole”

Valorizzazione Energetica delle biomasseGiacobbe Braccio

Unità Tecnica Tecnologie TrisaiaC.R. Enea Trisaia - SS Jonica 106, km 419 + 500

Giacobbe.braccio@enea.it

UN PROGETTO PER LA RAZIONALIZZAZIONE DELLE POLITICHE DI SOSTENIBILITÀ ENERGETICA

9 Dicembre 2013 – Incubatore d’impresa Sviluppo Basilicata - Metapontum - Metaponto di Bernalda, Mt

ktoe

Pacchetto Clima e Energia (2009/28/CE)Obiettivo: 20-20-20

20 % reduzione emissioni GHG (T < 2 °C) vs 1990 20 % riduzione consumi di energia 20 % aumento produzione da FER 10% aumento nel trasporto

Energy Roadmap verso il 2050 “Low carbon economy” Riduzione emissioni GHG del 80 -95 % vs livelli del 1990

GREEN PAPERA 2030 framework for climate

& energy policies(competitività, sostenibilità economica

e la maturità delle tecnologie, 30 % di bioprodotti al 2030)

The EU targets by 2020 and 2050

Energia (Elettricità e Calore)

Carburanti x Trasporto

BioraffineriaL’impiego delle Biomasse sarà cruciale per il

conseguimento dei target EU al 2020

G.F. De Santi – Institute for Energy and Transport (IET-JRC) - 21st European Biomass Conference & Exhibition Copenhagen, 3 June 2013

Sviluppo delle energie rinnovabili - Obiettivi

Contatore Bioenergie Elettriche

FER elettriche 4.505 M€/Y al 31/08/2013( Totale Bioenergie elettriche 2.167 M€/y) (FV= 6700 M€/Y

Raggiunto il 6 giugno 2013)

Biomasse 4.7%Bioliquidi 5.0%Biogas 71.1 %

Impianti da 600 kW a 1 MW

Contatore Tariffa Omnicomprensiva

88.2 %

Fonte : GSE

Biomasse 9.3%Bioliquidi 12.8%

Biogas 4.4 %

3) Per gli impianti alimentati da rifiuti gli oneri sono riferiti solo all'incentivazione della parte biodegradabile

Impianti > 10 MW

Contatore Certificati Verdi

82.5 %Fonte : GSE

Incentivi alla produzione di energia da biomasse

DM 6 luglio 2012Allegato 1 – Vita utile convenzionale, tariffe incentivanti e incentivi per i nuovi impianti

Esempi di tariffe 0÷300 kWeNell’ipotesi più favorevole:A. Colture dedicate: 229 + 40 (CHP) + 30 (emissioni) = 299 €/MWhB. Sottoprodotti : 257 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 327 €/MWh

Esempi di tariffe 300÷1.000 kWeNell’ipotesi più favorevole:A. Colture dedicate: 180 + 40 (CHP) + 30 (emissioni) = 250 €/MWhB. Sottoprodotti : 209 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 279 €/MWh

Biogas: sistema incentivante fissa e costante per 20 anni

Fonte Tipologia PotenzakW

Tariffa base CAR

CAR teleriscal

d.

Biomasse

Filiera tab 1

B

Riduzione Gas serra

Emissioni

Recupero

Azoto 60%

Recupero Azoto

30%

Rimozione

azoto 40%

BIOGAS

Prodotti di origine biologica

1<P<300 180 40 30 20 15

300<P<600 160 40 30 20 15

600<P<1000 140 40 30

1000<P<5000 104 40 30

P>5000 91 40 30

Sottoprodotti di origine biologica ( tab. 1 A) e rifiuti non provenienti da raccolta differenziata

1<P<300 236 10 30 20 15

300<P<600 206 10 30 20 15

600<P<1000 178 10 30

1000<P<5000 125 10 30

P>5000 101 10 30

Rifiuti per i quali la frazione biodegradabile è determinata forfetariamente

1<P< 1000 216 10 30

1000<P<5000 109 10

30

P>5000 85 10 30

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Trasformazioni energetiche

ESTRAZIONE OLITERMOCHIMICI

digestioneanaerobica

fermentazione alcolica

combustione

BIOLOGICI

esterificazione

Biomassa

biodieseletanolo

bio-oliosyn-gascarbone

syn-gas

bio-gasCALORE

gassificazionepirolisi

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Combustione diretta:– impiegata quasi esclusivamente per la produzione di energia elettrica tramite

impianti di potenza media intorno ai 5-10 MW– rendimento elettrico del 20-25% e consumi specifici di biomassa di circa 1-1,4

kg/kWh

• trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose e bioetanolo da specie zuccherine e amidacee):– tecnologie di produzione da colture agricole dedicate ormai consolidate,

produzione in costante aumento

• produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali

Tecnologie mature per valorizzazione energetica biomasse

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• Gassificazione biomassa:Il processo consiste nella trasformazione di un combustibile solido in combustibile gassoso i

componenti combustibili presenti nel gas prodotto sono CO, H, idrocarburi;– Le tecnologie più diffuse sono quella a letto fisso e quella a letto fluido, la ricerca è

focalizzata allo sviluppo di processi di gassificazione finalizzati a produrre gas di qualità e basso contenuto di catrami, nonché a tutta le sezioni di purificazione.

– Altro interesse forte per la gassificazione è la produzione di combustibili liquidi sun-diesel

• Produzione di bioetanolo da lignocellulosiche

Tecnologie più distanti dalla maturità• gassificazione per produzione di combustibili liquidi sun-diesel • Pirolisi delle biomasse per produzione di biolii

TECNOLOGIE VICINE ALLA MATURITA’

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Proprietà delle biomasse residuali

Tipo

P.C.I.

[MJ/kg]

ss

Densità [kg/m³]

Densità

energetica

[GJ/m³]

Dimensioni tipiche

[ø mm]

Ceneri

[%]

ss

Legno catasta 17-19 280-600 4,4-9,3 50-250 0,1-3

Cippato 17-19 200-300 3,1-4,7 5-30 0,1-3

Segatura 17-19 170-250 2,6-3,5 0,1-0,5 0,1-3

Paglia di frumento 17,6 40-350 0,6-5,2 2-5 7-9

Stocchi di tabacco 17,8 40-70 0,6-1 2-5 2-3

Potatura di olivo 17,8 90-200 1,4-3 10-80 4-5

Lolla di riso 18 110-130 1,6-1,9 2-4 16-19

Sansa esausta 19,7 400-500 6,6-8,4 0,1-4 4-6

Potere calorifico di alcuni combustibili tradizionali [MJ/kg]:

Gasolio 42

Gas naturale 48

Carbone 29

Idrogeno 120

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gassificazione a letto fisso/MCI

combustione con turbina ORC

gassificazione a letto fluido con MCI

combustione con turbina a vapore

100 500 1.000 2.500 5.000

400

50 10.000 50.000

800 4.000 8.000 20.000 40.000 80.000 400.000

potenza (kWel)

necessità annua biomassa(tonnellate di sostanza secca)

Energia elettrica da biomasse lignocellulosiche

La gassificazione della Biomassa:il processo

Gassificazione “Dry”(biomassa “secca”

- % umidità <50 %p)Gassificazione Supercritica

(% umidità >70 %p)

Impieghi gas

Combustibile

Comb./Chemicals

Comb./Chemicals

Gassificante Agente

Composizione Gas Secco (% v)PCI

(MJ/Nm3)H2 CO CO2 CH4 N2 C2H4

Aria 9-10 12-15 14-17 2-4 56-59 < 1 3.8-4.6

Ossigeno 30-34 30-37 25-29 4-6 2-5 < 1 9-10

Vapore 32-41 24-26 17-19 10-12 2-5 2-3 12-13

“Frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica proveniente dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani” (Decreto Legislativo 28/2011).

La gassificazione della Biomassa:Le applicazioni

MCI Turbina a Gas HT Fuel Cell

Dipendentemente dal processo di produzione, si ottiene un gas di potere calorifico variabile, daI basso al medio PC, che si presta per la produzione di energia elettrica e calore, attraverso tecnologie convenzionali o avanzate. Il gas di medio PC si presta anche per la produzione di vettori energetici secondari (CH4, FT, MeOH, H2 etc.) e di chemicals.

Stirling

FT fuels production costs

Biomass costs: 7.3 €/GJFT (4€/GJBM)

La gassificazione della Biomassa:Conversione in Biofuels

Consumo GN (2011)77.9 Miliardi m3

3000 GJ/anno(90% importazione)

SNG + Biogasda immettere in rete

SNG production costs

Biomass cost: 4 €/GJ for the 100 and 1000 MWth; e.g. imported biomass) 2 €/GJ for the 10 MWth Prezzo GN: 6 €/GJNecessary support for production of SNG

Petrolio (2013) : 100- 110 €/bbl

Biomass To Liquid (BTL)

15 €/GJFT confront. quando Oil price of ~60 $/bbl

La gassificazione della Biomassa:Produzione Elettrica

Uso Finale el (% LHV gas)

Motore Stirling < 20

MCI (& ORC) 25-30 (35)

Turbina a Gas (TG) 35 - 40

HTFC 50 -70

Provato

// gassificazione

R&S

Electric power supply (kW)

Quali tecnologie: Reattori da piccola a media taglia

Letti

Flu

idi

Bollente Circolante

Letti

Fis

si

Up-Draft Down-Draft

T. Bridgwater. Review Biomass for energy. J Sci Food Agric 86:1755–1768 (2006)

Gli impianti di gassificazione Biomasse in Italia

N: 13 Reattori a letto FissoUp-Draft ; Down-Draft

DownDraft // MCI

Up-Draft // Stirling(no Gas Cleaning)

BIOMASSA Gas Comb., H2, Syngas for BioFuels; SMG …

Step chiave allaMaturità tecnologica

Step chiave allaMaturità tecnologica

Il ruolo dell’attività di R&S

Maturità e fruibilità

Tecnologia

Design e modellazione

reattori

Gas cleaning e condizionamento

Efficienza negli usi finali

Integrazione e scale-up di impianto

Integrazione FER (Biomasse e

Solare)Ridurre i costi di produzione

IMPIANTI DI GASSIFICAZIONE ENEA TRISAIA

Biomassa Syngas grezzo

Aria

Vapore

DOWNDRAFT fixed bedAir/steam 150-450kWthCoupled with ICE for power generation

UPDRAFT fixed bedAir/steam 200kWthCoupled with ICE for power generation, Fisher Tropsch

Fluidized catalitic bed – external recirculatingAir/steam 550kWthCoupled with ICE or FC for power generation, Fisher Tropsch

Fluidized bed –Internally recirculatingenriched air/steam 1MWthCoupled with ICE for power generation

%Vol.

H2 32

CO 17

CH4 6.2

N2 0.9

CO2 20.9

H2O 32

SYNGAS COMPOSITION

SYNGAS COMPOSITION

%Vol.

H2 34.1

CO 25.1

CH4 10.4

N2 9.6

CO2 20.8

%Vol.

H2 20

CO 21

CH4 4

N2 40

CO2 6

H2O 9

%Vol.

H2 15

CO 22

CH4 3

N2 40

CO2 20

Gas grezzo

Aria

Zona di combustione

Biomassa

OssigenoVapore

Syngas pulito

Biomassa

VaporeAria

Syngas pulito Fumi di

Combustione

SYNGAS COMPOSITION

SYNGAS COMPOSITION

Es.: Integrazione degli step di gassificazione & purificazione gasLa tecnologia attualmente più consolidata per la purificazione del gas e’ del tipo ‘a valle’ (downstream). I costi per il trattamento del gas possono contribuire fino al 40 % del costo di investimento. Una possibilità di ridurre i costi, e al tempo stesso aumentare l’efficienza del processo e’ una integrazione spinta del gas cleaning & conditioning direttamente nel reattore di gassificazione

Impianto Compatto

Riduzione costi di investimento (20-30%)

Ridotte perdite termiche

Gassificatore BFB con circulazione interna

(1MWth ICBFB, Brevettato)

Grazie per l’attenzione

Type of plant Demonstration plant

Fuel Power 8000 kW

Electrical output 2000 kW

Thermal output 4500 kW

Electrical efficiency 25,0 %

Thermal efficiency 56,3 %

Electrical/thermal output 0,44

Total efficiency 81,3 %

Cost category Amount Unit

Investment cost 10 Mio. EURO

Funding (EU, National) 6 Mio. EURO

Operation cost / year 10 - 15 % of investm. costs

Price for heat (into grid) * 2,0 €-cents/kWhth

Price for heat (consumer )* 3,9 €-cents/kWhth

Price for electricity * 16,0 €-cents/kWhel

Component Range (Vol-%)

H2 35 - 45

CO 20 - 30

CO2 15 - 25

CH4 8 - 12

N2 3 - 5

Component Raw gas Clean gas Unit

tar 1,500 - 4,500 10 - 40 mg/Nm3

particles 5,000 – 10,000 <5 mg/Nm3

NH3 1000 - 2000 <400 ppm

H2S n.m. 20 - 40 ppm

L’impianto da 8MWth di Gussing

Importante flagship sulla gassificazione di Biomassa per la produzione CHP et al.

(*feed-in tariff in Austria; April 2004)

5 Mio.€/MWel