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Corso ed aggiornamento professionaleper Energy Managers
Pordenone, 8 aprile 2011
ENERGIA DA BIOMASSESTUDI DI FATTIBILITÀ
Ing. Maria Teresa PETRONE(e-mail: [email protected])
Tel +39.0835.974410
2
Sintesi
• Caratteristiche energetiche
• Processi di conversione
• Tecnologie disponibili per produzione decentrata e cogenerativa
• Attività ENEA
3
Definizione:
“biomassa” deve intendersi “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’acqua coltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.
Direttiva comunitaria (2009/28/CE) sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, con il termine
Biomasse
4
Tipologi di biomasse combustibili
5
ESTRAZIONE OLITERMOCHIMICI
digestioneanaerobica
fermentazione alcolica
combustione
BIOLOGICI
esterificazione
biodieseletanolo
bio-oliosyn-gascarbone
syn-gas
bio-gasCALORE
gassificazionepirolisi
Trasformazioni energetiche
Biomassa
6
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
7
• 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 ligneocellulosiche
Tecnologie più distanti dalla maturità
• Gassificazione per produzione di combustibili liquidi sun‐diesel
• Pirolisi delle biomasse per produzione di bio‐oli
TECNOLOGIE VICINE ALLA MATURITA’
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ProprietProprietàà delle biomasse residualidelle 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
Atlante sulle biomasse in Italia
05
1015
2025
30
S2
S1
SS
SAS
CS
CWCEC
NCN
NE
NW
Pro
duzi
one
(t h
a-1)
Aru
ndo
Mis
cant
o P
anic
oC
ardo
Sor
goG
iraso
leC
olza
Energy Crops Productivity (Herbaceous & oilseed)
GIS Web Site
Forests
Pruning Waste Productivity
www.atlantebiomasse.enea.it
Obiettivo UE per ITALIAObiettivo UE per ITALIA
L’energia rinnovabile deve raggiungere almeno il
17%dei consumi finali di energia al
2020 (Direttiva 2009/28/CE)
PIANO DI AZIONE PER LE RINNOVABILI
Piano di azione nazionale per le energie rinnovabili
2,25 Mtep TOTALE BIOMASSE 9,8 Mtep
0,4 Mtep
1,65 Mtep
1,8 Mtep
5,5 MtepRiscaldameno / raffrescamento
Elettricità2005 2020
Biofuels lordi
0,2 Mtep 2,5 Mtep
BIOMASSE
6,94 Mtep TOTALE FR x ob. 17% 22,3 Mtep
13
UTILIZZO TERMICO DELLE BIOMASSE
14
La legna da ardere in pezzi (EN 14961‐5)
È tradizionalmente la “forma” di legno a uso energetico più diffuso
Potere Calorifico Inferiore (PCI) 2000-3000 kcal/kg (%U)
Spesso è autoprodotta
Costo: 8-15 €/quintale
15
Il legno cippato
Legno vergine sminuzzato: residui delle potature boschive, agricole o
urbane, sottoprodotti delle segherie e il legno proveniente da impianti di
Short Rotation Forestry (SRF);
Potere calorifico 2000-3500 kcal/kg (%U);
Immagazzinabile in silos;
Costo limitato (8-15 €/quintale).
3 kg cippato =
1 litro gasolio=
1,23 Nmc CH4
16
0,0
20,0
40,0
60,0
80,0
100,0
120,0
140,0
160,0
gasolio metano GPL legna cippato pellet
EUR
O/M
Wh
Costo di esercizio relativo ai diversi combustibili(riferito al calore utile)
17
Energia elettrica (EE) da biomasse: aspetti economici
A differenza di altre fonti rinnovabili (eolico, solare) l’energia non ègratuita.
Tranne che per situazioni molto vantaggiose, in cui esiste una cospicua produzione locale, il costo totale del combustibile varia tra 2÷5 c€/kg.
Con un rendimento del 25%, il costo del kWh prodotto è all’incirca uguale a quello convenzionale, senza contare ammortamento e manutenzione dell’impianto.
Il confronto economico è sfavorevole in quanto avviene con un combustibile defiscalizzato.
La tecnologia deve essere adeguatamente supportata dal punto di vista economico (Certificati Verdi).
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Consumo specifico di biomassa elevato per il basso rendimento elettrico (1÷1,2 kg per kWh prodotto).
Gestione dei flussi della materia prima complessa ed onerosa perpotenze elevate (circa 100.000 t/a per un impianto da 10 MWe con alto coefficiente di utilizzo).
Rischi tecnici e finanziari molto elevati per grosse potenze (> 50 MWe); alto costo specifico di investimento e bassa efficienza per piccole potenze.
Fattore di utilizzo reale molto basso per problemi tecnici e di disponibilitàdella materia prima
L’efficienza globale di conversione aumenta notevolmente con la cogenerazione, ma è richiesta un’utenza termica relativamente vicina ed a carattere non stagionale.
Limitazioni
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Rappresenta sicuramente la problematica più critica. Le ragioni possono essere ricondotte a:stagionalità di alcuni prodotti presenti solo in alcuni periodi;incremento della domanda e competizione con altri settori (es.: industria del pannello truciolare);aumento del numero delle centrali a biomassa in aree relativamente vicine.
Una centrale da 10 MWe richiede 80‐90.000 ton/ss il che significa dedicata di 4‐5.000 ettari
EFFETTO INDOTTOUtilizzo in alcuni casi nei grossi impianti di biomassa importata
OCCORRE QUINDIIncentivare i piccoli impianti che utilizzano le biomasse locali utilizzando possibilmente tecnologie ad alta efficienza
Approvvigionamento delle biomasse
20
Sintesi Impianti cogenerativi di piccola scala
• MCI a biocombustibili (biodiesel, bioetanolo, oli vegetali tal quali)
• MCI accoppiati a gassificatori o digestori
• Turbine a gas (TG)
• Cicli ORC (Oramat, Turboden, etc.)
• Motori Stirling
• Motori Spilling
Principio termodinamico: il Ciclo ORC
Il turbogeneratore utilizza l’olio diatermico ad alta temperatura per preriscaldare e vaporizzare un adatto fluido organico di lavoro nell’evaporatore (8→3→4). Il vapore organico espande nella turbina (4→5), che èdirettamente collegata al generatore elettrico attraverso un giunto elastico. Il vapore passa attraverso il rigeneratore (5→9) e in questo modo preriscalda il fluido organico (2→8). Il vapore viene poi condensato nel condensatore (raffreddato dall’ acqua di raffreddamento) (9→6→1). Il liquido organico viene infine pompato (1→2) nel rigeneratore e da qui nell’evaporatore, completando così la sequenza di operazioni nel circuito chiuso.
21
CHP – Reti di teleriscaldamento
SENZA ORC
CON ORC
UTENTETERMICO
CALDAIA ABIOMASSA
BIOMASSA
Acquacalda
Acquafredda
UTENTE TERMICO
BIOMASSAAcquafredda
CALDAIA ABIOMASSA
Olio diatermico
Energia elettrica
Acquacalda
ORC
22
Impianto ORC – prestazioni
Efficienza elettrica netta: circa 20%
Efficienza energetica totale: 98%
Efficienza elettrica netta: circa 20%
Efficienza energetica totale: 98%
Energia termica dall’olio diatermico
100 %
20 % Energia Elettrica alla rete
2 %Perdite termiche (irraggiamento e perdite del generatore)
78%Calore ad utenze termiche
23
Ciclo ORC cogenerativo
24
Taglie Standard e prestazioni tipiche impianti CHP
25
TURBODEN 4 CHP
TURBODEN 6 CHP
TURBODEN 7 CHP
TURBODEN 10 CHP
TURBODEN 14 CHP
TURBODEN 18 CHP
TURBODEN 22 CHP
INPUT ‐ Olio diatermicoTemperatura Olio (in) °C 300 300 300 300 300 300 300Temperatura Olio (out) °C 240 240 240 240 240 240 240Potenza termica in ingresso kW 2300 3240 3815 5140 6715 9790 12020OUTPUT ‐ Acqua CaldaTemperatura Acqua Calda (entrata/uscita) °C 60/80 60/80 60/80 60/80 60/80 60/90 60/90Potenza Termica all’Acqua (out) kW 1854 2565 3038 4081 5313 7834 9601PRESTAZIONIPotenza elettrica attiva lorda kW 427 641 737 1016 1339 1863 2304Efficienza elettrica lorda 0,186 0,198 0,193 0,198 0,199 0,190 0,192Autoconsumi elettrici kW 21 30 35 48 58 79 97Potenza elettrica attiva netta kW 406 611 702 968 1281 1784 2207Efficienza elettrica netta 0,177 0,189 0,184 0,188 0,191 0,182 0,184
Configurazione impianto Single Skid Single Skid Single Skid Multiple Skid Multiple Skid Multiple Skid Multiple SkidConsumo Biomassa* Kg/h 1106 1558 1834 2471 3228 4707 5779
Taglie Standard e prestazioni tipiche di impianti CHP (cogenerativi)
Generatore elettrico
*Assumendo potere calorifico della biomassa = 2,6 kWh/kg ed efficienza della caldaia=0,80. La caldaia ad olio diatermico non è compresa nello scopo di fornitura Turboden.
asincrono, trifase, B.T.
400V
asincrono, trifase, B.T.
400V
asincrono, trifase, B.T.
400Vasincrono,
trifase, B.T. 400V
asincrono, trifase, B.T.
400Vasincrono,
trifase, B.T. 660V
asincrono, trifase, B.T.
660V
Fonte: Turboden
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Principali caratteristiche degli ORCPrincipali caratteristiche degli ORC
Rendimento elettrico globale limitato al 15÷20% per l’assenza di surriscaldamenti e l’utilizzo di una caldaia ad olio diatermico (efficienza dell’80÷85%).
Campo di applicazione tipico 500÷2500 kW (in fase di sviluppo anche sistemi di piccolissima taglia).
Compattezza (anche per l’assenza del surriscaldatore).
Flessibilità di funzionamento.
Affidabilità, silenziosità e ridotta necessità di manutenzione.
Possibilità di gestione da parte di personale non in possesso di abilitazioni specifiche (a differenza dei generatori di vapore).
Costi intorno a 4 k€ per kWe nel caso di un ORC funzionante in cogenerazione.
Costi di massima ORC
27
Pel Pt costo
[kW] [kW] [k€]
550 2500 2800 ÷ 3500
1150 5500 3300 ÷ 4100
2000 10000 5400 ÷ 6700
Fonte: Turboden
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Tecnologie utilizzabiliTecnologie utilizzabili
gassificazione a letto fisso
downdraft con MCI
combustione con turbina ORC
gassificazione a doppio 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 alimentabile (kW)
necessità annua biomassa (tonnellate)
Energia elettrica da biomasseEnergia elettrica da biomasse
29
Gassificazionebiomassa
30
Elementi chiaveElementi chiave
LIMITAZIONI:
costi d’impianto maggiori rispetto ai sistemi convenzionali
complessità per applicazioni specifiche (produzione H2)
rischi tecnici e finanziari ancora elevati per applicazioni su larga scala
I combustibili gassosi presentano notevoli vantaggi rispetto a quelli solidi:
facilità di trasporto e distribuzione
elevato rendimento di combustione
minor tasso di emissione di inquinanti
elevata temperatura di combustione con conseguente possibilità di alimentare cicli ad alta efficienza
31
LL’’agente di gassificazioneagente di gassificazione
aria: è la tecnologia più semplice ma il gas prodotto (gas di gasogeno) ha basso potere calorifico perché contiene una grande quantità di azoto che lo diluisce.
ossigeno: l’assenza di azoto consente di ottenere un vettore a medio potere calorifico
vapore: è più economico dell’ossigeno ed il gas ottenuto ha un contenuto di idrogeno superiore, ma il processo è endotermico.
aria ossigeno vapore
CO 14 34 27
CO2 15 27 20
H2 10 32 38
CH4 4 5 12
N2 57 2 3
PCI (MJ/Nm³) 4 9 11
• PCI del gas naturale circa 35 MJ/Nm³
• Un gas molto diluito non può essere trasportato su lunghe distanze
• Un gas con PCI < 7 MJ/Nm³può causare un sensibile abbassamento del rendimento in motori e caldaie
32
flusso traverso
(cross-flow)
equicorrente (down-draft)
controcorrente (up-draft)
fisso
fluidocircolante
bollente
tipo di letto
pressioneatmosferici
pressurizzati
Classificazione dei gassificatoriClassificazione dei gassificatori
33
LETTO FISSO
UpdraftControcorrente
Down-draft Equicorrente
350÷400 °C
200 °C
34
LETTO FLUIDO
BollenteCircolanteV=1 ÷2 m/s
V=>4 m/s
35
Applicazioni termicheApplicazioni termiche
Gassificatori termici
• sono già disponibili sul mercato• vengono utilizzati per produrre gas per
caldaia o centrale di teleriscaldamento• numerosissimi sono gli impianti di piccola
taglia operanti nei paesi in via di sviluppo (alimentazione di fornaci o essiccamento del tè)
• le tecnologie più usate sono quella a letto fisso updraft e quella a letto fluido circolante
• potenze installate fino a 40 MW
Cofiring in centrali termoelettriche
preesistenti
• è una tecnologia in grande sviluppo • il gas viene usato come combustibile
addizionale al carbone o gasolio• date le elevate capacità, la
tecnologia usata è quella a letto fluido
36
Generazione elettricaGenerazione elettrica
Gassificatori a letto fisso
• sono ad un buon livello di sviluppo
• vengono accoppiati con motori a combustione interna in genere con cogenerazione
• possono basarsi sia sulla tecnologia updraft sia su quella downdraft
• le potenze sono tipicamente inferiori a 1 MWe
Gassificatori a letto fluido
• si tratta di un’applicazione in fase di consolidamento
• tipicamente alimentano turbine a gas con produzione di calore combinata
• le potenze sono comprese tra 1÷5 MWe
Gassificatori integrati in
cicli combinati
• sono ancora in fase di studio e validazione
• alimentano turbine a gas con ciclo a vapore in cascata ed eventuale cogenerazione
• le potenze attualmente non superano i 10 MWe ma un pieno sfruttamento si ottiene a taglie più elevate
37
Alcuni impianti industriali
38
Fluid Bed Gasifier Güssing (Austria)
Two Stages Two Stages Viking Viking GGasifier at DTU (Denmark)asifier at DTU (Denmark)
Separated pyrolysis andSeparated pyrolysis andgasificationgasificationTar conversion zone for Tar conversion zone for
pyrolysis gaspyrolysis gas-- no tar in gas no tar in gas -- nor in wastenor in waste-- high efficiencyhigh efficiency
TwoTwo--Stage GasificationStage Gasification
40
Attività Enea
41
Impianti a letto fisso P= 30-80 KWe
PRODUCT GAS
BIOMASS
PRODUCT GASPRODUCT GAS
AIR
THERMOCOUPLE
NOZZLE
REFRACTORY
WALL
COMBUSTION
REDUCTION
ZONE
CYLINDRICAL
CHAMBER
Caratteristiche gas prodottoH2:10÷15%; N2:44÷53%; CH4:1÷3%; CO:15÷22%; CO2: 14÷20%
resa gas : 2,85 Nmc/kgPCI gas: 1260 Kcal/Nmc
rendimento gassificazione: 0,85rendimento motore: 0,21rendimento totale: 0,18consumo specifico: 1,17 kg/kWh
42
Impianto Steam gassification Reattore
0 %vol2 %volC2H6,
3%3%N2
39 %volH2
0 %vol10 %volCH4
33 %vol25 %volCO11 %vol21 %volCO2
Withcatalyst.
withoutcatalyst.
Gaseous productsCharacteristics of the gas
53 %vol
dati sper.
21 %vol
20 %vol
20 %vol
33 %vol
6 %vol
0.2 %volPCI 11400 KJ/Nmc
Internamente ricircolato con separazione della zona di combustione da quella di gassificazione
gassificazione a vapore, potenza 500 kWt.
gassificatore a letto bollente con circolazione interna (FICFB)
gas prodotto “nitrogen free”
letto catalitico
Tecnologie e servizi avanzati presso i laboratori ENEAIl Centro Ricerche di Trisaia
Piattaforma sperimentale impianti di gassificazione
letto fisso P= 30-80 KWe
Cella a combustibile a carbonati fusi
125 kWe
Gassificatore a doppio letto fluido a vapore
500 kWt
Gassificatore a letto fluido interconnesso
1,3 MWt
Gassificatore a letto fisso controcorrente
150 kWt
5.00015.000
10.0005.000
65.000
77.500
27.500
25.000
20.000
Biomasse
Eolico
Fotovoltaico
Biogas
Solare Termoelettrico
Geotermia
Idroelettrico
RSU
Altro
Occupazione potenziale in Italia nel settore delle fonti rinnovabili al 2020
Fonte IEFE
Totale addetti 250.000
Ing. Giacobbe BraccioIng. Maria Teresa Petrone
ENEA – AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE,L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE SEZIONE BIOMASSE
45
Per ulteriori informazioniPer ulteriori informazioni……
http://www.enea.ithttp://www.enea.ithttp://www.trisaia.enea.ithttp://www.trisaia.enea.it
AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE,L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE
SEZIONE BIOMASSECentro Ricerche TRISAIA