Energia dalle Biomasse - Parte A - people.unica.itpeople.unica.it/danielecocco/files/2012/04/Biomasse_parteA.pdf · Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc. Emissioni Emissioni Combustibili

Energia dalle

Biomasse - Parte A

Tecnologie delle Energie Rinnovabili

Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica,

Chimica e dei Materiali

Università degli Studi di Cagliari

[email protected]

http://people.unica.it/danielecocco/

A.A. 2012-2013

Le Biomasse

Specie arboree ed erbacee derivanti da coltivazioni agricole e forestali;

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 (la cosiddetta “Frazione Umida” o FORSU).

Biomasse

Residuali

Coltivazioni

Energetiche

Biomasse ed effetto serra

Biomassa

Ossigeno

Energia

CO2

Ceneri

Energia solare

CO2

Acqua

Nutrienti

Il bilancio

teorico della

CO2

è in pareggio!

Fotosintesi

Conve

rsio

ne

La sostenibilità della filiera

Occorre valutare con attenzione il bilancio

energetico e ambientale dell’intera filiera!

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.

Il Processo di Fotosintesi

Radiazione

solare

incidente

Radiazione

attiva per la

fotosintesi

Radiazione

non attiva

Energia

Riflessa

Energia

Persa

Consumo

interno

Energia

solare

assorbita

Energia

convertita

Energia

netta

Rendimento teorico fotosintesi

0,5·0,8·0,3·0,6=0,072

100%

50%

50%

80%

20%

30%

70% 40%

60%

I processi di conversione

Tipologia del Processo

Rapporto C/N

Umidità Processo di conversione

Prodotto principale

Biochimico <30 >30% Fermentazione Digestione anaerobica Digestione aerobica

Bioetanolo Biogas Energia termica

Termochimico >30 <30% Combustione Gassificazione Pirolisi

Energia termica Gas di sintesi Gas di pirolisi, biooli

Fisico-chimico - - Estrazione di oli Transesterificazione Compattazione

Olio vegetale grezzo Biodiesel Pellets

Le filiere di conversione

Energia da biomasse

Bio-combustibili

•Etanolo

•Olio vegetale

•Biodiesel

Digestione anaerobica

•Biogas

Processi termochimici

•Combustione

•Gassificazione

•Pirolisi

Usi attuali delle Biomasse

Fonte: IEA, 2010

Le Biomasse nella UE

Le Biomasse nella UE

Energia Elettrica – Italia 2012

Le Biomasse in Italia

Fonte: GSE, “Biomasse – Rapporto Statistico 2009”

% di produzione elettrica da biomassa

Le Biomasse in Italia

Fonte: GSE, “Biomasse – Rapporto Statistico 2009”

Impianti di generazione elettrica

(esclusi impianti di co-combustione)

E in Sardegna?

Impianti qualificati IAFR in esercizio al 31.12.2010

Circa 127 MW in totale, di cui circa la metà relativa

ai due impianti a vapore ENEL di Portovesme che

operano in co-combustione biomasse-carbone (5% il

gruppo da 240 MW e 15% il gruppo da 340 MW) per

una capacità massima di circa 60-65 MW.

Fonte: GSE, 2011

E in Sardegna?

Impianti qualificati IAFR in esercizio al 31.12.2010

Una centrale a biomasse solide a Serramanna (13 MW);

Una centrale a olio di palma (due MCI da 17 MW);

Due impianti a biogas (Olbia e Villacidro) da FORSU;

Due impianti di termovalorizzazione dei RSU (Capoterra

4,7 MW e Macomer 2,1 MW);

Alcuni piccoli impianti a biogas, olio vegetale e

biomasse solide.

Fonte: GSE, 2011

Energia Termica – Italia 2008

Circa 1% dei

consumi finali

Fonte: IEA, 2010

Attenzione alle statistiche!

Fonte: ARPAL, 2007

La Direttiva “20-20-20”

Entro il 2020 l’UE dovrà ridurre del 20% le emissioni di gas

serra, ridurre del 20% i consumi finali di energia e

aumentare al 20% il contributo delle FER sui consumi finali

(di cui il 10% nei trasporti), rispetto ai valori del 2005.

Settore dell’Energia Elettrica

Dal Piano di Azione Nazionale

sulle FER (Giugno 2010)

Settore dell’Energia Elettrica

Le biomasse dovranno aumentare di oltre 2,5 volte rispetto

al 2005 (di circa 2 volte rispetto ad oggi)

Riscaldamento e Raffrescamento

La produzione dovrà crescere di 5 volte (circa 3 volte

rispetto ad oggi) e il maggiore contributo è previsto derivare

dalle biomasse, dalle Pompe di Calore e dal Solare

Settore dei Trasporti

Il consumo da FER dovrà crescere di circa 10 volte (circa

3-4 volte rispetto ad oggi) e il maggiore contributo deriverà

dai biocombustibili (ovvero Biodiesel e Bioetanolo)

Potenzialità in Sardegna

Coltivazioni

Energetiche

(oleaginose)

Potenzialità in Sardegna

B.1 – Sassari;

B.2 – Olbia-Tempio;

B.3 – Nuoro;

B.4 – Ogliastra e Cagliari;

B.5 – Cagliari

B.1

B.2

B.3

B.4

B.5 Bacino Residuo prodotto tal

quale (t/anno)

Potenza termica

(MWt)

B.1 21.445 10,8

B.2 9.523 4,8

B.3 23.560 11,8

B.4 16.233 8,1

B.5 22.825 11,4

Residui da Vite

e Ulivo

Potenzialità in Sardegna

B.1

B.2

B.3

B.4

B.1 – Carbonia-Iglesias e

Cagliari;

B.2 – Oristano, Medio

Campidano e Carbonia-Iglesias;

B.3 – Olbia-Tempio;

B.4 – Ogliastra.

Bacino t/anno

(tal quale)

Potenza

elettrica MWe

B.1 15.653 1,84

B.2 12.293 1,45

B.3 16.818 1,98

B.4 19.932 2,34

Biomasse

Forestali

Potenzialità in Sardegna

Reflui da

Allevamenti

Suini e Bovini

Proprietà delle biomasse

Umidità (sul secco o sul tal quale)

Potere calorifico inferiore e superiore

Composizione chimica (elementare e immediata)

Densità (volumica ed energetica)

Composizione e comportamento delle ceneri

Contenuto di olio (oleaginose) e di zuccheri (zuccherine)

Proprietà dei biocombustibili

Le proprietà sono determinate con riferimento a:

Acqua

Ceneri

Materia

combustibile

(C, H, O, N,

S, etc.

Sul secco

e privo di

ceneri

Sul

secco

Sul tal

quale

Caratterizzazione del legno

Caratterizzazione del legno

m3

i, Metro cubo

impilato o stero

(circa 0,7 m3),

ovvero 0,3-0,5 t

m3

m, Metro cubo sul

mucchio (circa 0,5

m3), ovvero circa

0,15-0,25 t

L’umidità delle biomasse

U= mA

mA+mS Umidità sul tal quale

U0= mA

mS Umidità sul secco

U= U0

1+U0

Rapporto massico RM=

mA+mS

mS

1

1-U

=

Il potere calorifico

Rappresenta la quantità di calore sviluppata dalla

combustione completa dell’unità di massa di

combustibile (kcal/kg, kJ/kg, kWh/kg, etc.) e viene

misurata attraverso i calorimetri

PCI0=PCS0 - mA·r

Rapporti

energetici

RH= PCI

PCI0

r

PCI0

=1-U·(1+

PCI=PCI0 - U·(PCI0 + r)

)

RE= (mA+mS)·PCI

mS·PCI0

=RM·RH

Rapporti caratteristici

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Umidità U (%)

0

0.1

0.2

0.3

0.4

0.5

0.6

0.7

0.8

0.9

1R

apport

i R

H, R

E e

RP

Rapporto RH

Rapporto RE

Rapporto RP

PCI0=18 MJ/kg

Composizioni tipiche

C H O N S Cl Ceneri PCI0

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (MJ/kg)

Legna di abete 49,00 5,98 44,75 0,05 0,01 0,01 0,2 18,74 Legna di pioppo 48,45 5,85 43,69 0,47 0,01 0,10 1,43 18,19 Legna di faggio 51,64 6,26 41,45 - - - 0,65 18,63 Legna di quercia 49,98 5,38 43,13 0,35 0,01 0,04 1,61 18,33 Legna di eucaliptus

49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,13 0,72 18,23

Paglia di frumento 43,20 5,00 39,40 0,61 0,11 0,28 11,40 16,49 Paglia di riso 41,78 4,63 36,57 0,70 0,08 0,34 15,90 15,34 Stocchi di mais 43,65 5,56 43,31 0,61 0,01 0,60 6,26 16,52 Residui potatura vite

47,14 5,82 43,03 0,86 0,01 0,13 3,01 17,86

Residui potatura mandorlo

51,30 5,29 40,90 0,66 0,01 0,04 1,80 19,93

Lolla di riso 40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 0,12 18,34 15,27 Gusci di mandorla 44,98 5,97 42,97 1,16 0,02 - 5,60 18,17 Noccioli pesca 53,00 5,90 39,14 0,32 0,05 - 1,59 19,62 Noccioli oliva 48,81 6,23 43,48 0,36 0,02 - 1,10 21,12 Sanse esauste 32,73 5,29 37,82 - 0,64 - 12,52 15,50

Composizioni tipiche

Umidità Potere calorifico Densità apparente

(%) PCI (MJ/kg) (kg/mci) (kg/mcm)

Faggio fresco 50 7,9 669 464

Faggio essiccato 35 11,1 608 375

Faggio essiccato all’aria 18 14,6 482 283

Abete fresco 50 8,1 517 332

Abete essiccato naturale

35 11,3

436 265

Abete essiccato all’aria 18 14,9 345 202

Pellet 10 17,0 - 600

Segatura 10 17,0 - 202

Trucioli 10 17,0 - 120

Paglia frumento (balle) 15 14,4 135 -

Paglia colza (balle) 15 14,3 133 -

Paglia mais (balle) 15 14,8 139 -

Miscanto (balle) 15 14,9 140 -

Grano sfuso 15 14,2 - 760

La Produzione di Biomassa

Radiazione media disponibile

4-5 kWh/m2giorno

(1200-1600 tep/ha anno)

Produzione teorica di biomassa secca

200-250 t/ha anno (rendimento 7%)

Produzione massima sperimentata

30-60 t/ha anno di sostanza secca

Produzione effettiva sostanza secca

5-25 t/ha anno (rendimento 0,2-1,0%)

Composizioni tipiche

Caratteristiche dimensionali

La filiera delle legnose

Idrolisi

Compattazione, essiccazione

Combustione

Fermentazione e distillazione

Etanolo

Pellet, Cippato, ecc. Grezzi

Energia termica

Zuccheri

Ligno - cellulosiche

(Pioppo, Robinia,

Miscanto, Sorgo)

Trasporti, energia termica, energia elettrica

Energia elettrica e termica

Trasporti,

energia termi ca

Gassificazione Syngas

Pirolisi

Olio, Syngas,

Char

Ciclo a vapore, Stirling, ORC

Turbina a gas, fuel cell, etc.

Turbina a gas, fuel cell, etc.

Energia elettrica e termica

Energia elettrica e termica

La filiera delle oleaginose

Colza, girasole, soia, ecc.

Estrazione olio grezzo

Panello proteico

Transesterifica zione Biodiesel

Glicerina

Energia elettrica

Metanolo Solventi Energia elettrica

Olio

grezzo

Motore Diesel

Energia elettrica

Gas di scarico

Energia termica

La filiera delle zuccherine

Estrazione

Succo

Zuccherine (Canna, Sorgo, Barbabietola)

Liquefazione e Saccarificazione

Fermentazione e distillazione

Amidacee (Mais, Patate,

Frumento)

Zuccheri

Etanolo Trasporti, energia elettrica

e/o termica

Sorgo, Barbabietola

ecc.

Estrazione succo zuccherino

Residui

Fermentazione zuccheri

Distillazione e de-idratazione

Etanolo anidro

Energia termica

Energia elettrica Lieviti CO2 Acqua Vinasse

Energia elettrica

Succo ETOH

+ H2O

Impianto di cogenerazione

Energia termica

Combustibile fossile

Energia elettrica

Recupero esterno

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

La sostenibilità della filiera

Occorre valutare con attenzione il bilancio

energetico e ambientale dell’intera filiera!

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.

THE END