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Progetto Factor 20 - Seminario La sfida della sostenibilità energetica per le imprese agricole Metaponto, 9 dicembre 2013
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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
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
9
Trasformazioni energetiche
ESTRAZIONE OLITERMOCHIMICI
digestioneanaerobica
fermentazione alcolica
combustione
BIOLOGICI
esterificazione
Biomassa
biodieseletanolo
bio-oliosyn-gascarbone
syn-gas
bio-gasCALORE
gassificazionepirolisi
10
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
11
• 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
13
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