valutazioni sull’utilizzo delle biomasse forestali per … · combustibili etanolo da cereali...
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La sostenibilità ambientale nell’impiego energetico
delle biomasse
Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari [email protected] http://people.unica.it/danielecocco/
VALUTAZIONI SULL’UTILIZZO DELLE BIOMASSE FORESTALI PER LA COGENERAZIONE DIFFUSA
Auditorium Centro Ricerche Sotacarbo - Carbonia, 6 Maggio 2014
Prologo:
Un pianeta con dimensioni e risorse limitate non può sostenere consumi
continuamente crescenti
Crescono i consumi energetici ….
I consumi di energia sono raddoppiati in meno di 35 anni e sono tutt’ora basati per oltre l’80% su fonti fossili
… cresce la CO2 in atmosfera …
Ad Aprile 2013 per la prima volta in circa 3 milioni di anni sono stati misurati nell’aria 400 ppm di CO2
… e aumenta la temperatura
Rispetto all’inizio del secolo scorso si registra un aumento
della temperatura media dell’atmosfera di oltre 0,5 °C.
Una Terra sola non ci basta …
Ci servirebbe
un 50% in più!
Over Shoot Day
2013: 20 Agosto
Un pianeta con dimensioni e risorse limitate non può sostenere consumi
continuamente crescenti
Proposte?
FER: tutto (o quasi) viene dal Sole
•Energia del vento e del mare (10-20 volte i consumi mondiali)
•Energia idraulica (circa 1-2 volte i consumi mondiali)
•Energia chimica delle biomasse (circa 1-2 volte i consumi mondiali)
Costante Solare: 1370 W/m2
Il Sole invia sul suolo terrestre una quantità di energia pari a circa 5000 volte i consumi mondiali annui. Una piccola frazione di questa energia viene convertita in biomasse,
energia eolica e del moto ondoso e energia idraulica
Serve il contributo di tutte le FER
FER: le Biomasse
Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, etc.);
Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.);
Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali, etc.);
Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.);
Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), il cosiddetto “umido”.
Biomasse
Residuali
Coltivazioni
Energetiche
Le tecnologie consolidate
Molte altre filiere e processi (gassificazione,
pirolisi, etanolo da legnose, olio vegetale da
microalghe, etc.) sono ancora in fase di sviluppo
Bio-combustibili
Etanolo da cereali (USA) e canna da zucchero (Brasile)
Olio vegetale da colza, girasole e
palma
Digestione anaerobica
Biogas da FORSU, residui vegetali e
coltivazioni erbacee
Combustione Caldaie a pellet e a cippato
Energia termica e elettrica
Combustibili per MCI
Energia elettrica da
MCI
L’impatto ambientale
Emissioni gassose (Polveri, NOx, CO,..)
Effluenti liquidi
Residui solidi
Rumore
Combustibile
Aria
Altri impatti •Impatto visivo •Occupazione del suolo •Emissioni elettromagnetiche •altro …...
Calore
Impianti a vapore a Biomassa
Gli impianti a vapore alimentati con biomasse sono molto simili a quelli convenzionali alimentati con combustibili fossili, ma più piccoli (10-20 MWe
contro 250-400 MWe) e con minori rendimenti (25-27% contro 38-42%). Possono operare in cogenerazione con penalizzazioni sulla potenza elettrica.
Impianti a Vapore a Biomassa
La linea di trattamento dei gas di scarico
Ceneripesanti
Acque reflue
CALDAIAFGD
Carbone
Fumi
Aria
SorbenteNH3
SCR
Cenerileggere
ESP
A) CONFIGURAZIONE “HIGH-DUST”
Ceneripesanti Acque
reflue
CALDAIAFGD
Carbone
Fumi
Aria
SorbenteNH3
SCR
Ceneri leggere
ESP
B) CONFIGURAZIONE “LOW-DUST”
PA
PA
Ceneripesanti
Acque reflue
CALDAIAFGD
Carbone
Fumi
Aria
SorbenteNH3
SCR
Cenerileggere
ESP
C) CONFIGURAZIONE “TAIL-END”
PAGGH
Metano
LEGENDA
FGD Sistema di desolforazione ESP Precipitatore elettrostaticoPA Preriscaldatore d’aria SCR Rimozione selettiva cataliticaGGH Scambiatore gas/gas
Gli impianti a vapore a biomassa, rispetto agli impianti convenzionali, richiedono di solito minori trattamenti per il rientro nei limiti di emissione (SO2 200 mg/m3, NOX 400
mg/m3, CO 100 mg/m3, Polveri 30 mg/m3) talvolta è sufficiente il solo filtro per la rimozione delle polveri e il
sistema di riduzione degli NOx)
La filiera degli oli vegetali
Colza, girasole, soia, ecc.
Estrazione olio grezzo
Panello proteico
Transesterificazione Biodiesel
Glicerina
Energia elettrica
Metanolo Solventi Energia elettrica
Olio
grezzo
Motore Diesel
Energia elettrica
Gas di scarico
Energia termica
Il Biodiesel è un ottimo sostituto del gasolio nei motori Diesel per autotrazione, mentre i meno raffinati oli
vegetali grezzi sono utilizzabili da motori Diesel industriali di medio-grande potenza (da 100 kW a oltre 10 MW)
I motori Diesel ad olio vegetale
I motori diesel sono una tecnologia consolidata che consente con l’olio vegetale di conseguire rendimenti
globali molto elevati (45-47%) e di poter operare in cogenerazione o in ciclo
combinato.
Limiti di emissione in atmosfera
Dlgs 152/2006 (Limiti per i grandi impianti di combustione)
SO2
(mg/Nm3) NO2
(mg/Nm3) Polveri
(mg/Nm3)
Combustibili liquidi
(fumi con il 3% di O2)
50<P<100 MW
100<P<300 MW P>300 MW
850
500 - P 200
400
200 200
50
30 30
Tabella 8.9 – Valori limite di emissione per i grandi impianti di combustione di nuova
realizzazione alimentati con combustibili liquidi.
SO2
(mg/Nm3) NO2
(mg/Nm3) Polveri
(mg/Nm3)
Combustibili gassosi
(fumi con il 3% di O2)
Gas in genere
Gas liquefatto Gas da forni a coke
Gas da altiforni
Gas siderurgici
Gas naturale 100-300 MW
Gas naturale P>300 MW
35
5 400
200
200
200 200
200
150
100
5
10
30
Tabella 8.10 – Valori limite di emissione per i grandi impianti di combustione di nuova realizzazione alimentati con combustibili gassosi.
Per i motori alimentati con olio vegetale, l’unico dispositivo indispensabile per il trattamento dei gas di scarico è di solito quello per la riduzione degli NOx ed
eventualmente per l’ossidazione del CO.
La filiera del biogas
Digestore
Stoccaggio biogas
Concime liquido
Compost Substrato digerito Acqua
calda Motore
Biogas
Energia elettrica
U
Substrato
Co-substrato
Fumi
Torcia
Centrifuga
I motori a biogas
I motori alimentati con biogas sono una tecnologia consolidata che consente di
conseguire rendimenti globali elevati (30-40%) e di
poter ben operare in cogenerazione.
Limiti di emissione in atmosfera
Dlgs 152/2006 (Limiti per gli impianti a biogas)
Anche per i motori alimentati con biogas, l’unico dispositivo indispensabile per il trattamento dei gas di scarico è di solito quello per la riduzione degli NOx ed
eventualmente per l’ossidazione del CO.
CO
NOX
(come NO2)
Carbonio organico (COT)
Cloro (come HCl)
Motori a combustione
interna (fumi con il 5% di O2)
P < 3 MW
P > 3 MW
800
650
500
450
150
100
10
10
Turbine a gas fisse (fumi con il 15% di O2)
P < 8 MW
8 MW < P < 15 MW
15 MW < P < 50 MW
P > 50 MW
100
80
60
50
150
80
80
60
50
50
5
5
5
5
Altri sistemi di
combustione (fumi con il 3% di O2)
P < 3 MW
P > 3 MW
150
100
300
200
30
20
30
30
Tabella 8.4 – Limiti di emissione per gli impianti di combustione con potenza termica inferiore a 50 MW alimentati con biogas, valori espressi in mg/Nm3.
La filiera delle Biomasse
Energia solare
Coltivazione biomassa
Residui
Trasporto prodotto
Conversione industriale
Energia utile
Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc.
Emissioni Emissioni
Combustibili
Sotto-prodotti
Emissioni
Materiali, ecc.
Combustibili, energia el.
Le biomasse sono l’unica FER che necessita di un “combustibile” non disponibile gratuitamente ma che deve essere coltivato/raccolto,
trasportato e pre-trattato (in compenso può essere facilmente accumulato e usato quando necessario).
Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell’intera filiera
La sostenibilità della filiera
Biomassa
Ossigeno
Energia
CO2
Ceneri
Energia solare
CO2
Acqua
Nutrienti
Il bilancio
teorico della
CO2
è in pareggio!
Fotosintesi
Co
nve
rsio
ne
L’Analisi del Ciclo di Vita (LCA)
“La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti sull’ambiente, ovvero l’uso delle risorse
e le conseguenze ambientali delle emissioni, lungo tutta la vita del prodotto (o del servizio),
dalla estrazione delle materie prime, alla produzione, uso, trattamento di fine vita, riciclo
e smaltimento finale, secondo un approccio denominato dalla culla alla tomba”.
(UNI EN ISO 14040 e 14044, Ottobre 2006).
Le fasi di uno studio LCA
1. Definizione degli scopi e
degli obiettivi
LCA
3. Analisi degli impatti
4. Interpretazione e miglioramento
2. Analisi di inventario
Analisi LCA di filiera
Trasporto Impianto a
vapore
Gasolio e
lubrificante
Cippato
Emissioni Emissioni
Produzione
macchine
Lubrificante,
Chemicals
Produzione
macchine
Raccolta e
Cippatura
Produzione
macchine
Gasolio e
lubrificante
Emissioni
Energia
Elettrica
Energia
Termica
Coltivazione Trasporto Estrazione
Olio
Motore
Diesel
Gasolio e
lubrificante Fertilizzanti
Produzione
macchine Diserbanti
Energia
Elettrica
Semi Olio
Emissioni Emissioni Emissioni
Energia
Elettrica
Panello
Produzione
macchine Lubrificante Produzione
macchine
Gasolio e
lubrificante
Produzione
macchine
Energia
Termica
Definizione delle categorie di impatto
Esaurimento delle materie prime;
Esaurimento delle fonti energetiche
Riscaldamento globale;
Impoverimento dello strato di ozono;
Acidificazione;
Eutrofizzazione;
Tossicità per l’uomo;
……
Queste categorie di impatto si inquadrano in tre grandi aree tematiche: l’esaurimento delle risorse, la
conservazione dell’ambiente e la tutela della salute.
Definizione delle categorie di impatto
1. Le categorie di impatto ambientale prese in esame (es. consumo di energia primaria, riscaldamento globale, potenziale di acidificazione, etc.);
2. I corrispondenti indicatori di categoria (es. MJ di energia primaria, kg di CO2 equivalente, kg di SO2 equivalente);
3. I modelli di caratterizzazione (es. potenziale di riscaldamento globale a 100 anni, potenziale di acidificazione).
In uno studio LCA occorre preliminarmente definire quali impatti esaminare e come essi devono essere computati, indicando:
Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)
Coltivazione Trasporto Estrazione
Olio
Motore
Diesel
Gasolio e
lubrificante Fertilizzanti
Produzione
macchine Diserbanti
Energia
Elettrica
Semi Olio
Emissioni
Emissioni Emissioni Emissioni
Energia
Elettrica
Panello
Produzione
macchine Lubrificante Produzione
macchine
Gasolio e
lubrificante
Produzione
macchine
Energia
Termica
Assunzioni di base: condizioni climatiche Sardegna, resa media 1800 kg/ha, 44% in olio, spremitura meccanica
(80% di resa), distanza media di trasporto 50 km, rendimento motore Diesel 44%.
Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)
Consumo Energia Primaria: 11515 MJ
Consumo Evitato di Energia: 26780 MJ
Risparmio Netto di Energia: 15265 MJ (57% circa)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Motore Diesel
8945 MJ 105 MJ 315 MJ 2150 MJ
1800 kg 615 kg
2850 kWh
Semi Semi Olio
Bilancio Energetico Globale (MJ primari)
Produz. Evitata
26780 MJ
Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)
Emissioni dirette: 1673 kgCO2eq
Emissioni evitate: 1780 kgCO2eq
Risparmio netto: 107 kgCO2eq (6% circa)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Motore Diesel
1032 kgCO2eq
6 kgCO2eq
5 kgCO2eq
630 kgCO2eq
1800 kg 615 kg
Semi Semi Olio
Riscaldamento globale (GWP 100 anni)
2850 kWh
Produz. Evitata
1780 kgCO2eq
Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)
Emissioni dirette: 17,5 kgSO2eq
Emissioni evitate: 8,3 kgSO2eq
Risparmio netto: -9,2 kgSO2eq (+ 110 % circa!!)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Motore Diesel
15,6 kgSO2eq
0,1 kgSO2eq
0,1 kgCO2eq
1,7 kgSO2eq
1800 kg 615 kg
Semi Semi Olio
Potenziale di acidificazione
2850 kWh
Produz. Evitata
8,3 kgSO2eq
Esempio: Filiera pianta intera (cardo)
Trasporto Impianto a
vapore
Gasolio e
lubrificante
Balle
Emissioni Emissioni
Produzione
macchine
Lubrificante,
Chemicals
Produzione
macchine
Energia
Elettrica
Energia
Termica
Coltivazione Trasporto Estrazione
Olio
Motore
Diesel
Gasolio e
lubrificante Fertilizzanti
Produzione
macchine Diserbanti
Energia
Elettrica
Semi Olio
Emissioni Emissioni Emissioni
Energia
Elettrica
Panello
Produzione
macchine Lubrificante Produzione
macchine
Gasolio e
lubrificante
Produzione
macchine
Energia
Termica
Esempio: Filiera pianta intera (cardo)
Consumo Energia Primaria : 10129 MJ
Consumo Evitato Energia: 93786 MJ
Risparmio Netto Energia: 83657 MJ (89 % circa)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Sezione Potenza
750 + 10000 kg
Semi + Paglie Semi Olio
Paglie
7070 MJ 1668 MJ 101 MJ 1290 MJ
Bilancio Energetico Globale (MJ primari)
9855 kWh
Produz. Evitata
93786 MJ
Esempio: Filiera pianta intera (cardo)
Emissioni dirette: 1266 kgCO2eq
Emissioni evitate: 6232 kgCO2eq
Risparmio netto: 4966 kgCO2eq (80% circa)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Sezione Potenza
853 kgCO2eq
99 kgCO2eq
2 kgCO2eq
312 kgCO2eq
750 + 10000 kg
Semi + Paglie Semi Olio
Riscaldamento globale (GWP 100 anni)
Paglie
9855 kWh
Produz. Evitata
6232 kgCO2eq
Esempio: Filiera pianta intera (cardo)
Coltivazione Trasporto Estrazione Olio
Sezione Potenza
750 + 10000 kg
Semi + Paglie Semi Olio
Paglie
20,6 kgSO2eq
0,6 kgSO2eq
0,1 kgCO2eq
60 kgSO2eq
Potenziale di acidificazione
Emissioni dirette: 81,3kgSO2eq
Emissioni evitate: 29,2 kgSO2eq
Risparmio netto: -52,1 kgSO2eq (+ 78 % circa!!)
9855 kWh
Produz. Evitata
29,2 kgSO2eq
Esempio: Biomasse Residuali
Trasporto Impianto a
vapore
Gasolio e
lubrificante
Cippato
Emissioni Emissioni
Produzione
macchine
Lubrificante,
Chemicals
Produzione
macchine
Raccolta e
Cippatura
Produzione
macchine
Gasolio e
lubrificante
Emissioni
Energia
Elettrica
Energia
Termica
Manca la fase della coltivazione (che incide per il 75-80% sul totale delle emissioni dirette), sostituita da quella di
raccolta e cippatura, anche se può essere rilevante la fase di trasporto fino all’impianto a vapore.
Esempio: Biomasse Residuali
Consumo Energia Primaria: 2960 MJ
Consumo Evitato Energia: 85910 MJ
Risparmio Netto Energia: 82950 MJ (96 % circa)
Raccolta e Cippatura
Trasporto Sezione Potenza
10000 kg
Cippato
860 MJ 1450 MJ 650 MJ
Bilancio Energetico Globale (MJ primari)
9028 kWh
Produz. Evitata
85910 MJ
Esempio: Biomasse Residuali
Raccolta e Cippatura
Trasporto Sezione Potenza
10000 kg
Cippato
94 kgCO2eq
86 kgCO2eq
260 kgCO2eq
Riscaldamento globale (GWP 100 anni)
Emissioni dirette: 440 kgCO2eq
Emissioni evitate: 5709 kgCO2eq
Risparmio netto: 5269 kgCO2eq (92% circa)
9028 kWh
Produz. Evitata
5709 kgCO2eq
Esempio: Biomasse Residuali
Potenziale di acidificazione
Emissioni dirette: 62,7 kgSO2eq
Emissioni evitate: 26,7 kgSO2eq
Risparmio netto: -36,0 kgSO2eq (+ 135 % circa!!)
Raccolta e Cippatura
Trasporto Sezione Potenza
10000 kg
Cippato
2,2 kgSO2eq
0,5 kgSO2eq
60 kgSO2eq
9028 kWh
Produz. Evitata
26,7 kgSO2eq
La sostenibilità nella attuale normativa Decreto MSE 6 Luglio 2012
Sono previste diverse tipologie di biomasse: a) prodotti di origine biologica b) sottoprodotti di origine biologica c) rifiuti con frazione biodegradabile determinata a forfait d) rifiuti non provenienti da raccolta differenziata;
Per i bioliquidi, gli incentivi sono subordinati al rispetto dei criteri di sostenibilità della direttiva 2009/30/CE;
Il Decreto 6 luglio 2012 prevede premi per:
a) impianti con potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di
gas serra (10 €/MWh) e biomasse da filiera (20 €/MWh);
b) impianti con ridotte emissioni inquinanti (30 €/MWh);
c) impianti operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da
10 a 40 €/MWh).
Le Biomasse: opportunità e criticità
Le biomasse possono certamente concorrere all’incremento della produzione energetica da fonti rinnovabili (FER), nel cui ambito costituiscono una fonte programmabile;
Gli impianti a biomassa necessitano di un combustibile non disponibile gratuitamente e quindi possono determinare elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio;
Le filiere di conversione energetica non sono tutte uguali e il bilancio energetico e ambientale è molto favorevole soprattutto nel caso di filiere corte, di utilizzo di biomasse residuali e di applicazioni cogenerative;
Il problema della competizione fra coltivazioni ad uso energetico e alimentare deve essere governato, specie su larga scala e sul medio-lungo periodo.
Grazie per la vostra
attenzione!