Energia rinnovabilebiomasse

Piercarlo Romagnoni - Università IUAV di Venezia (I)

Energia da biomassaS'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante

direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.

Sfruttamento “naturale” di una

discarica

Funzionamento di un “digestore” anaerobico per la produzione di biogas (metano)

Lo sfruttamento delle biomasse potrebbe rappresentare in futuro un modo intelligente per riciclare tutti gli scarti organici (nei rifiuti, nelle lavorazioni, …..)

La produzione di gas metano da biomasse non risolve il problema dell’aumento in atmosfera di gas serra (CO2, CH4) e di altri inquinanti come NOx.

Biomasse

Materiali organici non fossili che posseggono un intrinseco contenuto dienergia chimica.Biomassa è ogni sostanza organica derivante direttamente oindirettamente dalla fotosintesi clorofilliana

L’energia solare è raccolta e stoccata tramite la fotosintesi clorofilliana

CO2 + H2 O + luce + clorofilla (CH2O) + O2

Il carboidrato (CH2O) è il principale prodotto organico

Ogni grammomole (gmol) di Carbonio fissato rappresenta 470 kJ

L’efficienza della cattura dell’energia solare è di quasi 1%

Alcuni studiosi stimano che la possibile produzione energetica dallebiomasse presenti consenta di produrre energia pari a 100 volte l’attualefabbisogno mondiale.

Gli impianti a bioenergieNumerosità e potenza degli impianti a bioenergie per la produzione elettrica

Tra il 2003 e il 2016 l’elettricità generata con le bioenergie è cresciutamediamente del 16% l’anno, passando da 3.587 GWh a 19.509 GWh.La produzione realizzata nel 2016 proviene per il 42,3% dai biogas, per il33,6% dalle biomasse solide (12,6% dalla frazione biodegradabile deirifiuti e 21,0% dalle altre biomasse solide) e per il 24,1% dai bioliquidi.Particolarmente rilevante, negli ultimi anni, è la crescita della produzioneda biogas, passata dai 1.665 GWh del 2009 ai 8.259 GWh nel 2016.

Superficie di Confinedel Sistema

Fumi

CombustibileCalore disperso

ECH

Aria comburente Generatore di calore

Fluido in uscita

Fluido in ingresso

QD

QF

La produzione del calore: la combustione

Teoricamente:

Qtotale = Mcombustibile Hu = QFumi + Qutile + Qdisperso

Hu = potere calorifero del combustibile

I combustibili solidi

I combustibili solidi naturali (o carboni) derivano dallacarbonizzazione del legno e di altre sostanze vegetali (etalvolta animali) che si sono trasformati nel tempo in:TorbaLigniteLitantraceAntraciteCoke (artificiale)Legna

Alcuni combustibili solidi possono essere gassificati.

La gassificazione consiste schematicamente nel portare acontatto ad alte temperature il carbone con il vapor d’acqua edottenere idrogeno H2.

Combustibili liquidi

Il petrolio rivela la presenza di 86-87% in peso di C e di 11-13% di H e di piccole quantità di S, O, N.

Per distillazione è possibile ottenere:GPL: gas di petrolio liquefatto. Ottenuto per liquefazione a bassapressione dei gas propano e butano che escono dalla parte piùalta della colonna di distillazione

BENZINA: condensa a temperature fino a 200°C

CHEROSENE: carburante per aerei

GASOLIO: impiegato in motori diesel per autotrazione e per ilriscaldamento civile

OLIO PESANTE: impiegato negli impianti termoelettrici, nelriscaldamento industriale, nei motori diesel fissi di grandepotenza, condensa a T>330°C.

Combustione gassosaIl metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguentereazione:

CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + calore

in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione.

Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non intervienenella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazionediviene:

CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore

ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano.

Potere calorifico di biomasse riferito alla sostanza secca

Biomassa [kcal/kg] Biomassa [kcal/kg]

Corteccia 4350 Paglia 4100

Robinia 4300 Lolla 3600

Pioppo 4200 Stocchi di girasole 4300

Salice 4200 Eucalipto 4150

Sorgo 4200 Rifiuti solidi urbani 2500

1 kcal = 4186 JIl tenore di umidità generalmente varia dal 30% al 50% in pesoLa formula chimica con cui vengono indicate è Cx Hy Oz

Per quanto riguarda i poteri calorifici inferiori, non essendo disponibiliinformazioni dettagliate su qualità e livello di umidità della legnautilizzata, si fa necessariamente riferimento ai parametri indicati nelManual for statistics on energy consumption in households, predispostoda Eurostat nel 2013; in particolare, il PCI applicato alla legna da ardereè il valore standard attribuito al legno di latifoglie (13,911 MJ/kg), mentreil PCI applicato al pellet è pari a 17,284 MJ/kg.

Combustibile per impianti: la legna

Nel settore residenziale i consumi di energia da biomassa solida nel2016 ammontano, come sopra descritto, a circa 258.050 TJ (6,2Mtep).

• 222.456 TJ (5.313 ktep), pari all’86,1% del totale, sono legati aconsumi di legna da ardere in caminetti, stufe, caldaie ecc. Sistima che circa l’1,1% di questi volumi sia consumato in secondecase utilizzate per vacanza. È interessante precisare che l’indagineIstat sui consumi energetici nel settore residenziale indichi come il45% delle famiglie acquisti tutta la legna da ardere che consuma,mentre il restante 55% utilizzi esclusivamente (38% delle famiglie)o parzialmente (17%) legna autoprodotta o recuperata;

• 34.161 TJ (816 ktep), pari al 13,2% del totale, sono associati aconsumi di pellet. La porzione consumata in seconde case utilizzateper vacanza è stimata intorno all’1%;

• 1.848 TJ (44 ktep), che rappresentano meno dell’1% del totale,sono legati all’utilizzo di carbone vegetale, principalmente per usocucina (barbecue).

La biomassa viene convertita in energia elettrica o in calore tramite processi di:

- combustione;- gassificazione;- digestione anaerobica;

oppure trasformata in combustibile liquido

Combustione

C6H10O5 + 6O2 6CO2 + 5H2O + 17,5 MJ/kg

Bruciatori oltre i 50 MW

Gassificazione

La gassificazione di una biomassa è un’ossidazione inparziale difetto di O2 a temperatura elevata (oltre 900°C).

Dalla gassificazione si ottiene un gas combustibilecomposto da H2, CO, CO2, H2O, CH4, CmHn (idrocarburivari) e N2.

Esempio: gassificazione di gusci di riso per produrre ungas a basso valore energetico che in una turbina puòprodurre energia elettrica

C6H10O5 + 0,5 O2 6CO + 5H2 + 1,85 MJ/kg

Pirolisi (temp. 300 ÷ 500°C) si ottiene Char, bio-oil e gas(potere calorifico > 15 MJ/Nm3)

Digestione anaerobicaSi usano bio-solidi per produrre gas (biogas) ad elevato contenuto di metano a potere calorifico medio

C6H10O5 + H2O 3CO2 + 3CH4

Il biogas prodotto da rifiuti zootecnici possiede la seguente composizione volumetrica:

CH4 = 50% ÷ 80%

CO2 = 20% ÷ 50%

N2, H2, NH3, H2S < 1%

Si introduce aria nel digestore per ridurre il contenuto di H2S (altamente corrosivo)

Energia termica da biogas

Impianti a biogas presenti nella provincia di Rovigo

Dati del Gestore Servizi Energetici (2015):• Numero impianti: 19• Potenza totale: 17,866 MW• Energia prodotta: 142.928 MWh

Fonte regione Veneto

Fonte regione Veneto

Fonte: Tesi N. Smorgon

Stima del potenziale derivante dal comparto zootecnico

Nella provincia di Rovigo sono presenti 1.490 aziende con relativo allevamento così distribuiti:• Bovini: numero animali 36.633, aziende 537• Suini: numero animali 136.960, aziende 867

Fonte: Istituto Zooprofilattico Sperimentale delle Venezie

Specie Allevata Refluo(t/capo)

Energia(kWh/t)

Capi(capi/kW)

Bovini Capo adulto (>400kg) 10,40 40,00 20Vacche da latte in produzione 19,80 145,00 3

Suini Capo adulto (fino a 100 kg) 3,29 30,00 81Scrofe e suinetti 9,26 30,00 28

Resa energetica derivante dal comparto zootecnico

Fonte: Tesi N. Smorgon

Potenza installabile per numero di capi allevati

0

5.000

10.000

15.000

20.000

25.000

30.000

100 200 300

num

ero

capi

Potenza installabile (kW)

suini ingrasso

scrofe e suinetti

bovini da carne

bovini da latte

kW installabili nei comuni della provincia di Rovigo

Fonte: Tesi N. Smorgon

Impianti installabili Comune Potenzainstallabile kW

Comune Potenzainstallabile kW

Adria 570 Lendinara* 105Ariano Polesine** 212 Loreo 135

Arquà Polesine 79 Lusia 39Badia Polesine 47 Melara 23Bagnolo di Po* 37 Occhiobello 33Bergantino 184 Papozze 19Canaro 50 Pettorazza Grimani 102Castelguglielmo 48 Pincara 156

Castelmassa 27Pontecchio Polesine 100

Castelnovo Bariano** 117 Porto Viro*** 345

Ceneselli 58 Rovigo 259Ceregnano 301 San Bellino 101Corbola 47 Taglio di Po* 1.620Costa di Rovigo* 66 Trecenta* 146

Crespino* 180 Villadose* 90Frassinelle 49 Villamarzana 97

Fratta Polesine 32Villanova del Ghebbo 16

Giacciano con Baruchella 29

Villanova Marchesana 58

Guarda Veneta* 65 Impianti 37

kW installabili 5.640* comuni dove è già presente un impianto a biogas

Fonte: Tesi N. Smorgon

Impianti installabili*Comune Potenza

installabile kWComune Potenza

installabile kWAdria 570 Loreo 135Arquà Polesine 79 Lusia 39Badia Polesine 47 Melara 23Bergantino 184 Occhiobello 33Canaro 50 Papozze 19Castelguglielmo 48 Pettorazza Grimani 102

Castelmassa 27 Pincara 156Ceneselli 58 Pontecchio Polesine 100Ceregnano 301 Rovigo 259Corbola 47 San Bellino 101Frassinelle 49 Villamarzana 97

Fratta Polesine 32Villanova del Ghebbo 16

Giacciano con Baruchella 29

Villanova Marchesana 58

Impianti 26kW installabili 2.657

* Sono stati esclusi i comuni dove è già presente almeno un impianto a biogas

Fascia di potenza elettrica (kW)

Numero di impianti installabili

Potenza elettrica complessiva installabile

(kW)da 11 a 100 18 849

da 101 a 200 5 678da 201 a 300 1 259da 301 a 600 2 871

totale 26 2.657

numero di impianti e potenza installabile per fascia di potenza elettrica

Dati Programma Energetico Provinciale

Tipologia Programma Energetico Provinciale (2010)

Dati studio Zooprofilattico (2016)

n. capiVacche da latte 5.600 36.633Altri Bovini 67.186Suini 72.800 136.960Totale 145.586 173.593

Energia producibileTotale (kW) 6.142 5.640Totale (MWh) 49.134 45.120

La distinzione del Programma energetico è più precisa dato che diversifica le vacche da lattedagli altri bovini in quanto hanno un potenziale maggiore, e ricalcolando il potenziale con letabelle di conversione fornite dal libro “BIOGAS piccoli impianti”, abbiamo che:vacche da latte: 5.600/3 = 1.866 kWaltri bovini: 67.186/20 = 3.359 kWsuini: 72.800/54,5 = 1.336 kWI kW installabili secondo il fattore di conversione proposto per questa tesi sono 6.561, pari aduna produzione annua di 52.488 MWh (6,56 MW*8.000 ore), mentre il programma energeticoprevedeva una produzione annua di 49.134 MWh.

I Rifiuti Solidi Urbani possono costituire, se opportunamente separatie trattati, combustibile per impianti di generazione termica di energiaelettrica. Un apposito elenco (Allegato A) del decreto legislativo 5febbraio 1997, n. 22, recante “Attuazione delle direttive 91/156/CEEsui rifiuti, 91/689/CEE sui rifiuti pericolosi e 94/62/CE sugliimballaggi” precisa le diverse categorie di RSU.

In coerenza con la metodologia approvata dal Decreto 14 gennaio2012 del Ministero dello Sviluppo economico, il calcolo dei consumidiretti viene sviluppato sulla base dei quantitativi di rifiuti utilizzatia scopo energetico e del potere calorifico inferiore associato aciascuna categoria di rifiuto; per i PCI sono stati adottati valoriconcordati con gli operatori, o, in assenza di tali informazioni, unvalore medio conservativo di 11,5 MJ/kg.

Energia da rifiuti

Secondo le informazioni Eurostat nel 2015, nell’UE 28, sono prodotticirca 242,3 milioni di tonnellate di rifiuti urbani, 117mila tonnellate inmeno rispetto all’anno precedente (-0,05%).

Nel 2015, nell’UE 28, il 29,4% dei rifiuti urbani gestiti nei 28 Statimembri è avviato a riciclaggio, il 16,8% a compostaggio e digestioneanaerobica, mentre il 27,5% e il 26,3% sono, rispettivamente,inceneriti e smaltiti in discarica.

Il ricorso alla discarica è ancora preponderante nei nuovi Statimembri (con una media pro capite di 179 kg/abitante per anno),nell’ambito dei quali si segnala Malta, che smaltisce in discarica il92,7% dei rifiuti trattati.

Tra i vecchi Stati membri (caratterizzati da una media di smaltimentoin discarica pro capite di 107 kg/abitante per anno), si segnalanopercentuali di ricorso alla discarica molto contenute (fino all’1,4%) inGermania, Svezia, Belgio, Danimarca e Paesi Bassi.

Per quanto riguarda l’incenerimento (comprensivo del recuperoenergetico), è di gran lunga più diffuso nell’UE 15 (con una media di152 kg/abitante per anno) che nei nuovi Stati (in media 33kg/abitante per anno)

Nel 2016 sono stati trattati in impianti di incenerimento con recuperodi energia 5,4 milioni di tonnellate di rifiuti urbani (-3,2% rispetto al2015), inclusi la frazione secca (FS), il combustibile solido secondario(CSS) ed il bioessiccato ottenuti dal trattamento degli stessi. Il 69%dei rifiuti viene incenerito al Nord, dove è localizzata la maggioranzadegli impianti presenti sul territorio nazionale, l’12% al Centro ed il19% al Sud.

I dati relativi al recupero energetico evidenziano che, nel 2016, tuttigli impianti sul territorio nazionale producono energia; 28 impiantihanno trattato circa 3,8 milioni di tonnellate di rifiuti ed effettuato ilsolo recupero energetico elettrico pari a quasi 2,9 milioni di MWh.

13 impianti, invece, sono dotati di cicli cogenerativi ed hannoincenerito oltre 2,4 milioni di tonnellate di rifiuti con un recupero dienergia termica di circa 2,2 milioni di MWh e quasi 1,7 milioni di MWhdi energia elettrica

I biocarburanti

Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le tecnologie standard per ettaro di coltura:

Canna da zucchero: 7tonnellate

Mais: 3 tonnellate

Barbabietola da zucchero: 4 tonnellate

Patate: 3 tonnellate

Il bioetanolo

Volvo

Mercedes

Il biodiesel

Le materie primenecessarie sono olii vegetali, anche usati, aspetto questo che rende molto interessante l' utilizzo del biodiesel.

La sua produzione è del tutto ecologica, poiché non presuppone la generazione di residui, o scarti di lavorazione. La reazione di transesterificazione prevede la generazione di glicerina quale “sottoprodotto” nobile dall’elevato valore aggiunto, della quale sono noti oltre 800 diversi utilizzi.

L'utilizzo può essere diretto poiché non richiede alcun tipo d’intervento sulla produzione dei sistemi che lo utilizzano (motori e bruciatori).• Nell’autotrazione (motori diesel) sia puro che miscelato con il normale gasolio.• Nel riscaldamento.

Il biodiesel può essere usato dai motori tipo Diesel miscelato con gasolio da idrocarburo o puro.

L’uso diretto degli oli vegetali nei motori è da evitare a causa della loro elevata viscosità e per l’alta percentuale di residui carboniosi.

Vantaggi: emissioni CO2 nulle, ridotte quelle di CO ed HC, basse quelle di SO2, NOx dipende dal carico e dal tipo di motore;è facilmente degradabile;punto di infiammabilità più elevato (facilità di stoccaggio)

Proprietà Gasolio Olio di colza Bioestere

Viscosità a 20°C 5,1 77,8 7,5

Densità [kg/m3] 0,835 0,916 0,88

PCI [MJ/kg] 42,4 37,4 37,6

Numero di cetano > 0,45 44 ÷ 51 52 ÷ 56

Residui carboniosi 0,15 0,25 0,02

Residuo in zolfo 0,005 0,0001 0,002

Energia geotermica o geotermia

Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" ed il significato letterale è "calore della Terra ".

Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 Watt per metro quadrato.

Oltre alla produzione di energia elettrica, a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili svariati impieghi:acquicoltura (al massimo 38 °C), serricoltura (38 - 80 °C), teleriscaldamento (80 - 100 °C), usi industriali (almeno 150 °C).

Islanda, USA (Yellowstone-Park), New Zeland, Australia, Kenya

Le centrali geo-termoelettriche

Impianti geotermici in funzione ad Orbetello

Consiste nell'usare il fluido geotermico per scaldare direttamente, tramite degli scambiatori di calore, l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.

Impianti geotermici per teleriscaldamento

Schema di impianto di teleriscaldamento tipicamente utilizzato in assenza di acqua calda o vapore

Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).

La fonte geotermica è caratterizzata da una disponibilità pressochécostante nel corso dell’anno; di conseguenza, in confronto agli altriimpianti alimentati da fonti rinnovabili, le prestazioni degli impiantigeotermoelettrici risultano le migliori in termini di producibilità.Nel 2016, in particolare, il 50% degli impianti ha prodotto per circa7.498 ore equivalenti, un valore significativamente maggiore rispetto al2015 (7.167 ore).Le ore di utilizzazione medie, infine, nel 2016 risultano pari a 7.720: sitratta del valore in assoluto più elevato registrato negli ultimi 4 anni(erano 7.534 ore nel 2015, 7.206 ore nel 2014 e 7.321 ore nel 2013).

Il teleriscaldamento da fonti geotermiche

Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente ifluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).

Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldare l'acquacircolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti)dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.

Un impianto del genere è quello di Ferrara nel quale si utilizza un pozzogeotermico situato a 2000 metri di profondità, sviluppa una potenza di 14 MWcon i quali vengono riscaldati circa 500.000 m3 di alloggi collegati alla rete.

Il teleriscaldamento

FerraraGeotermicoPortata complessiva: 400m3/h Temperatura fluido geotermico: 100-105°C Temperatura fluido teleriscaldamento in mandata: 90-95°C Temperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65°C Potenza termica nominale: 14 MWtDisponibilità di utilizzazione: continua Energia termica fornita:

77.490 MWh/anno (il dato è relativo all'anno 2003)

Uso di RSU (Ferrara)

Capacità nominale dell'impianto di smaltimento: 50.000 t/anno Carico termico nominale della linea di incenerimento: 15,6 Gcal/h (forno a "griglia") Produzione nominale di vapore: 18t/h Sistema depurazione fumi: a semisecco Potenza nominale turboalternatore: 3,3 MWePotenza termica in assetto cogenerativo massimizzato: 6,4 MWtPotenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MWePotenza elettrica in assetto a tutta condensazione: 2,7 MWe

L'impianto, fin dalla sua realizzazione, è stato dotato di uno scambiatore avente una potenzialità di 8,4 MWt che, nel 1999, venne posto in parallelo al turboalternatore.

Il teleriscaldamentoIl calore viene prodotto in un impianto centrale, ad esempio unacentrale termica a legna o un impianto di incenerimento dei rifiuti odei trucioli di legna, e successivamente distribuito agli utentiattraverso una rete di condutture sotto forma di acqua calda destinataal riscaldamento degli edifici e alla produzione di acqua calda.

Con la cogenerazione è possibile produrre contemporaneamenteenergia elettrica e termica.

un solo camino di emissione controllato in centrale

caldaia dell’impianto alimentata da rifiuti o biomasse

«teleriscaldamento» o «teleraffrescamento»: la distribuzionedi energia termica in forma di vapore, acqua calda o liquidirefrigerati, da una fonte centrale di produzione verso unapluralità di edifici o siti tramite una rete, per il riscaldamentoo il raffreddamento di spazi o di processi di lavorazione

Il teleriscaldamento

Il teleriscaldamento portadirettamente nelle case il calore peril riscaldamento e l'acqua caldasanitaria senza bisogno di averecaldaie, bruciatori, serbatoi per ilcombustibile e canne fumarie.

Il teleriscaldamento da biomasse

La cogenerazione è possibile con combustibili rinnovabili quali il biogas o

biomasse in genere.

Un esempio di centrale per cogenerazione a biomasse è a Tirano, in

Valtellina, trattasi di un impianto tra i migliori 5 in Europa, caratterizzato da

un elevato rendimento (80%) grazie alla contemporanea produzione

d’elettricità e calore, totalmente da fonti rinnovabili.

Quindi 8.500.000 kWh per 7000 ab ? kWh /ab

CENTRALE DI TELERISCALDAMENTO A BIOMASSA LIGNA CALORDI LA VILLA IN ALTA BADIALA CENTRALE

La Centrale termica sorge nella zona artigianale di La Villa, concaratteristiche di un edificio industriale.All' interno troviamo la sala con due caldaie a biomassa e una caldaia diemergenza a gasolio, i gruppi di generazione di calore, un locale condue accumulatori di acqua calda e caldaia a olio vegetale, il sistema ditrattamento dei fumi, l'impianto di condensazione, il sistema didistribuzione dell'acqua calda con gruppi di pompaggio, il locale tecnicoe di servizio ove trovano posto i quadri elettrici.

All'esterno è ubicato il deposito di biomassa con il sistema automatico dialimentazione.

Impianto di teleriscaldamento:- 2 caldaie funzionanti a biomassa della capacità di 2,50 MW ciascuna

- 1 bruciatore ad olio vegetale, capacità 8 MW

- 1 bruciatore a gasolio funzionante solo nei casi di malfunzionamentodelle caldaie a legna oppure nelle ore di punta, capacità 3 MW

- 2 accumulatori di acqua calda della capienza di 50.000 litri ciascuno

Impianto fotovoltaico: è stato realizzato nel 2007; è posizionato sullatettoia del deposito del cippato; produzione annuale di oltre 24.000 kWh

Richiesta energetica da parte immobili allacciati: 19.884,0 MWh

Contratti di fornitura sottoscritti: circa 330

LA RETELa rete di teleriscaldamento è suddivisa in due rami principali:- La Villa Bassa che comprende la zona centrale del paese con la zonaBoscdaplan e Cianins

- La Villa Alta con zona Funtanacia, quest'ultima servita da una stazionedi pompaggio sotterranea.

La rete è del tipo diramato a due tubazioni, una per l'andata e una per ilritorno. Il singolo tubo preisolato è costituito dal tubo interno di servizioin acciaio, dalla coibentazione in schiuma poliuretanica e dal tuboesterno in polietilene.

I tubi sono dotati di un sistema d'allarme e di localizzazione guasti. Talesistema elettronico consente di sorvegliare la perfetta tenuta delletubazioni.

Si hanno a disposizione diversi tipi di motori alternativi dual fuel (gas e gasolio)

Cogenerazione (=generazione combinata di energia termica e di energia elettrica) di grossa taglia

Si hanno a disposizione diversi tipi di turbine a gas o vapore

Cogenerazione di grossa taglia

Tubazioni acqua caldaTubazioni acqua calda

Combustibile

100 unitàMacchina produzione energia

Caldaia

Recupero

Generatore

Calore + gas di scarico70 unità

Gas di scarico15 unità

Calore55 unità

Energia elett.30 unità

Carichi

Termici

Carichi

Elettrici

Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%

Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%

Combustibile

100 unitàMacchina produzione energia

Caldaia

Recupero

Generatore

Calore + gas di scarico70 unità

Gas di scarico15 unità

Calore55 unità

Energia elett.30 unità

Carichi

Termici

Carichi

Elettrici

Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%

Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%

Cogenerazione e teleriscaldamento

Legislazione e uso efficiente dell’energia

«cogenerazione» è la produzione e l'utilizzo simultanei dienergia meccanica o elettrica e di energia termica a partire daicombustibili primari, nel rispetto di determinati criteri qualitatividi efficienza energetica;dal D.Lgs. 192/2005

gg) rete di teleriscaldamento e teleraffreddamento:sistema di trasporto dell’energia termica, realizzatoprevalentemente su suolo pubblico, finalizzato a consentire achiunque interessato, nei limiti consentiti dall’estensione dellarete, di collegarsi alla medesima per l’approvvigionamento dienergia termica per il riscaldamento o il raffreddamento dispazi, per processi di lavorazione e per la copertura delfabbisogno di acqua calda sanitaria;dal D. Lgs. 102/ 2014

Impianto cogenerazione e produzione separataIl confronto

Lo schema di un cogeneratore

LFG CHP for district heating system, Sweden

Centrale di Lunes - Brunico Centrale di La Villa – Alta Badia

Esempi di centralidi cogenerazione

Direttiva 2012/27/UE: Teleriscaldamento/ Teleraffrescamentoefficiente (art. 2)

• 50% energia rinnovabile

• 50% calore di recupero

• 75% calore cogenerato

• almeno 50% combinazione di queste forme di energia

Emerge la necessità di pensare a sistemi integrati in rete

Serie storica produzione elettrica da cogenerazione in Italia (Fonte GSE)

TWhel

TWht

Serie storica produzione termica da cogenerazione in Italia (Fonte GSE)

TWh = Tera wattora (miliardi di kWh)

Fonte: ENEA

Si può utilizzare il calore prodotto dall’impiantocogenerativo anche come sorgente principale dienergia, in luogo dell’elettricità, per la produzione difreddo tramite sistemi ad assorbimento(chiller ad assorbimento).

Lo schema di un trigeneratore

L’impianto di trigenerazione a servizio del complesso di edificidello IUAV è stato installato sulla copertura dell'ex cotonificiodi Santa Marta.

Una rete di teleriscaldamento permette di distribuire ai varistabili che compongono il complesso il vettore termico per ilriscaldamento.

Il raffrescamento è direttamente a servizio della sede di S.Marta

Potenza elettrica = 238 kWPotenza termica = 363 kW

Assorbitore = 255 kW

ASSORBITORECOGENERATORE

TORRE EVAPORATIVA

… il terrazzo dell’ex cotonificio

Dettaglio del cogeneratoreMotore e alternatore

La rete di distribuzione

Utenze servite

Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratoridi piccolissime dimensioni 1-5 kWelettrici, da installare insingole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini50-100 kWe. Si tratta di turbine, motori alternativi ecelle a combustibile.

La micro-cogenerazione

celle a combustibile 1,5 kWe.

Stirling WhisperGen 5 kWe.

Microturbina Capstone 30 kWe.

Il motore Stirling

La microgenerazione

Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati

Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming

Ciclo Stirling

Cogeneratori a fuel cell

La pila a combustibile e' ungeneratore elettrochimico in cui, inlinea di principio, entrano uncombustibile (tipicamente idrogeno)e un ossidante (ossigeno o aria) e dacui si ricavano corrente elettricacontinua, acqua e calore .

Il combustibile (idrogeno) e i gasossidanti (ossigeno datosemplicemente dall'aria) lambisconorispettivamente l'anodo e il catodo(sulle facce opposte a quelle incontatto con l'elettrolito).

I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40 - 48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto.

L’idrogeno viene inserito all’interno della cella mediante l’anodo,mentre l’ossigeno o aria mediante il catodo.

Favorito da un catalizzatore, all’interno dell’anodo l’atomo diidrogeno si suddivide in un protone ed un elettrone.

La corrente separata costituita dagli elettroni può essereutilizzata prima che ritornino al catodo, per essere unitiall’ossigeno in una molecola di acqua.

Una singola cella produce normalmente circa 0,7 V, quindi perottenere la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sonoaffiancate una all’altra e collegate elettricamente fra loro inserie a formare il cosiddetto stack.

A seconda, quindi, della potenza richiesta i generatori sonoottenuti da stack assemblati in moduli.

Per rendimento della cella si intende il rapporto tra i kWhprodotti e kJ termici (riferiti al potere calorifico inferiore delcombustibile) necessari per la produzione.

I valori vanno dal 40 - 48% per gli impianti con celle a bassatemperatura, fino al 60% per quelli con celle ad altatemperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizzaanche il calore da esse prodotto.

Inoltre, una cella può operare tra il 30 ed il 100% di caricosenza perdite consistenti di efficienza, ma al di sotto del 25%non riesce più ad alimentare il carico.

Emissioni

Il contenuto di CO2 di 1kWh (termico) di metano è circa 200g.

Tipi di tecnologia Fuel cell

Condizioni operative resaPEM 80 ÷ 100 °C; 1 ÷ 8 atm 36÷38 %(proton exchange membrane)

PAFC 150 ÷ 250 °C; 1 ÷ 8 atm 40 %(phosforic acid)

AFC 80 ÷ 250 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷60 %(alcaline)

MCFC 600 ÷ 700 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷55 %(Molten Carbonate Fuel Cell)

SOFC 800 ÷ 1000 °C; 10 atm 50÷55 %(Solid Oxide Fuel Cell)

Vantaggi

Alta efficienza: una fuel cell ha un'efficienza molto più alta di un normale motore a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare alla massima efficienza;

Rapida risposta al carico: una fuel cell ha una risposta rapidissima allevariazioni del carico proprie di un veicolo stradale; inoltre è in grado diautoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massimaefficienza;

Bassa temperatura operativa: le fuel cells di tipo PEM operano a temperature intorno ai 70°C, molto più basse delle temperature operative dei motori a combustione interna. Questo rende l'impianto e il loro utilizzo sul veicolo molto più semplice;

Trasformazioni energetiche ridotte: una fuel cell opera lo stesso numero di trasformazioni energetiche di un motore a combustione interna, ma con efficienza maggiore, per cui non c'è un decremento di rendimento complessivo dovuto a trasformazioni energetiche aggiuntive

SVANTAGGIIdrogeno: uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l'idrogeno è un gas ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo stoccaggio a bordo;

Impurezze: allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto tramite reforming;

Catalizzatore costoso: attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo principali della fuel cell;

Ghiaccio: per l'umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura, eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che a basse temperature c'è il rischio che si formi del ghiaccio all'interno della cella, danneggiandola;

Impianto a idrogeno

ciclo combinato alimentato con idrogeno per produrre energia elettrica e calore: sviluppa una potenza di circa 12 MW.

La centrale, che utilizza 1,3 tonnellate di idrogeno all'ora, ha unrendimento elettrico complessivo pari a circa il 42%, è sostanzialmentepriva di emissioni di ogni tipo. L'energia prodotta, pari a circa 60 milionidi chilowattora l'anno, sarà in grado di soddisfare il fabbisogno di 20.000famiglie, evitando di rilasciare in atmosfera di oltre 17.000 tonnellate dianidride carbonica

Centrale a H2 di Porto Marghera