Biomass Panoramic A

1Stazione sperimentale per i Combustibili - www.ssc.it - 2004 - T. Zerlia - G. Pinelli

Le biomasse nel panorama dei combustibili alternativi


Indice argomentiIndice argomenti

Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodotto (3-7)Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del pBiomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodotto rodotto (3(3--7)7)

Fonti primarie per la produzione di bioenergia (8-12)Fonti primarie per la produzione di Fonti primarie per la produzione di bioenergiabioenergia (8(8--12)12)

Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e determinazione (13-51)

Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: signCaratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse: significato e ificato e determinazione determinazione (13(13--51)51)

Principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti (52-105)Principali processi di conversione: Principali processi di conversione: bioenergia bioenergia e e bioprodottibioprodotti (5252--105)105)

Sistemi per l’utilizzo della bioenergia (106-118)Sistemi per l’utilizzo della Sistemi per l’utilizzo della bioenergiabioenergia (106(106--118)118)

Importanza e sinergie nel rapporto biomasse-territorio (119-128)Importanza e sinergie nel rapporto biomasseImportanza e sinergie nel rapporto biomasse--territorio territorio (119(119--128)128)


Biomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prBiomasse: esigenze del mercato e evoluzione della qualità del prodottoodotto

Slides 3-7

Biomasse e combustibili alternativi: le richieste del mercato

1998 1999 2000 2001 2002 2003

biomasse vegetaliCDRbiogasbiodiesel

Dall’ “osservatorio SSC” :Dall’ “osservatorio SSC” :

•Le biomasse sono entrate nel novero dei beni di valore economico

•Esigenze del mercato di conoscere e confrontare le caratteristiche

•Esigenze di garanzia del prodotto

•Incremento consistente di richieste di analisi di biomasse vegetali


Biomasse: evoluzione del concetto di QUALITA’ del prodotto

Stiamo assistendo ad un’evoluzione del concetto di qualitàdel “prodotto biomassa” concetto che ha caratterizzato

l’evoluzione del mercato a partire dagli anni ’50

L’industria ha incrementato la competitività attraverso la qualiL’industria ha incrementato la competitività attraverso la qualità dei prodottità dei prodotti

Specifiche tecniche

Prodotto a norma

Verificate secondo norme tecniche

Qindustriaindustria mercatomercato


QUALITA’ del “prodotto biomassa” e sviluppo filiera

Ciclo produttivo FilieraCiclo produttivo FilieraOttimizzazione

Individuazione e caratterizzazionedegli aspetti

Esigenze utilizzatore

Impatto ambientale

Aspetti tecniciEnergia/Risorse


Q tot = f (Qraz + Qamb + Qemoz + Qserv)

Vendita e

uso

energetici merceologici ambientali

Complessità della filiera biomasse e competitività

Emissioni

Ceneri

Trasporto

Alimentazione•Caratterizzazione•Pretrattamento•Stoccaggio

Approvvigionamento

Coltivazione Raccolta

PretrattamentoConversione

Bioenergia

Bioprodotti

EmissioniEmissioni

CeneriCeneri

Trasporto


Approvvigionamento


Pretrattamento

Trasporto


Approvvigionamento


PretrattamentoConversione

Bioenergia

Bioprodotti

FATTORI INDISPENSABILI per COMPETERE:

Bilancio energetico/ambientaleCOSTI/BENEFICI

Bilancio energetico/ambientaleCOSTI/BENEFICI

Approccio multidisciplinareApproccio multidisciplinare



Fonti primarie per la produzione di Fonti primarie per la produzione di bioenergia bioenergia

Slides 8-12


La filiera biomasse: fonti primarie

Le biomasse In campo energetico, col termine biomassa, si intende genericamente ogni la sostanza organica, di origine vegetale o animale, da cui sia possibile ricavare energia.

Dal decreto di recepimento della direttiva europea 2001/77/CE sulla promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili

per biomassa si intende:

la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.

fonti rinnovabili (fonti energetiche non fossili):eolica, solare geotermica, del moto ondoso, maremotrice idraulica , biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas.


Biomasse – FONTI PRIMARIE - Schema semplificato

Di origine animale

Reflui zootecnici

Di origine vegetale

PIANTE LegnoseErbaceeFruttiSemi

Industria agro-alimentare

Industria non alimentare

Residui e sottoprodotti da industria agro-alimentare

e non- Scarti di olive, sanse,

vinaccioli, gusci, lolla riso, ..- segatura, trucioli, sughero,....

Residui agricoli e forestali -da manutenzione

boschiva

-arredo verde, alberature stradali, ...

Produzioni agricole e forestali

Colture dedicate

TERRESTRI- Piante a rotazione breve

Arboree Salice pioppo robiniaeucalipto ginestra

Erbacee Sorgo, miscanto, cannacomune, …- Piante oleaginosesoia, colza, girasole,..

ACQUATICHE Alghe, microalghe

BiomassaBiomassa


Biomasse - Provenienza del materiale da valorizzare

Biomassa Biomassa

Colture Oleaginose

Colture energetiche

Colture da sostanza secca

Colture zuccherine e

alcoligene

Residuali

Scarti industriali

Scarti agro-industriali

Residui da zootecnia

Frazione biodegr. RSU

Scarti forestali

Erbacee perenni

Legnose perenni

Erbacee annuali

Fonte: ISES - Ecoenergie n. 3 – dicembre 2002

FILIERA Biomasse: dalla RACCOLTA alla TRASFORMAZIONE

BiomasseBiomassecolture energeticheresiduali

raccolta raccolta

(pretrattamento)

trasporto

pretrattamento

termochimica, biochimica, chimica

stoccaggio

conversione

sul suolo altri usi agricoli

in discarica

valorizzazione

densificazionepellet, bricchette

calore e/o elettricità bioprodotti


gassosiliquidisolidi


Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:Caratteristiche energetiche e merceologiche delle biomasse:significato e determinazionesignificato e determinazione

Slides 13 - 51


Caratterizzazione biomassaOBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATOREOBIETTIVO COMUNE PRODUTTORE E UTILIZZATORE

Decollo e competitività filiera biomasse

Valorizzazione dei prodottiValorizzazione dei prodotti

Definire la qualità del prodotto in funzione dell’utilizzoAvere garanzie sulla qualità del prodottoCaratterizzare il prodotto secondo prove standardizzate Verificarne la rispondenza rispetto a specifiche tecniche

Caratterizzazione biomassaObiettivo:

scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi

CARATTERIZZAZIONE = Perché adottare prove normalizzate?

Il comportamento di un combustibile è fortemente influenzato dalle condizioni sperimentali

Per confrontare le proprietà di combustibili diversi su base omogenea

devono essere adottatele stesse condizioni sperimentali

Prove di laboratorio Prove normalizzateprocedure e condizioni

note e ben definite



Caratterizzazione biomassa

caratterizzazione di laboratorio caratterizzazione di laboratorio

si basa di un numero relativamente limitato di misure che mirano a definire proprietà macroscopiche del materiale in condizioni sperimentali ben definite.

Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto Le prove di laboratorio non rispecchiano in toto le condizioni di impianto

Punto di forza: Confronto su base omogenea Punto di forza: Confronto su base omogenea

La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi

insieme ai parametri dell’impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto.

La conoscenza dei dati ottenuti dalle analisi normalizzate fornisce: una guida alla scelta del combustibile in funzione dei diversi impieghi

insieme ai parametri dell’impianto e alle condizioni di esercizio, di utilizzare al meglio un determinato prodotto.


Il combustibile biomassaIl combustibile biomassa

IL COMBUSTIBILE BIOMASSAPrincipali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio

Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse:Le proprietà determinate in laboratorio possono essere espresse:

H2O (umidità)ceneri

Frazione combustibile(C,H,O, N,S,Cl,...)

Sul cam“come ricevuto”

Sul secco

Sul secco eprivo di ceneri

pione


Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorio

Potere calorifico Kcal/kg; MJ/kgPotere calorifico Kcal/kg; MJ/kg

È una misura quantitativa del valore energetico del combustibileÈ una misura quantitativa del valore energetico del combustibile


Frazione combustibile(C, H, O, N,S,Cl,...)



È la quantità di calore che si sviluppa dall’unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate

È la quantità di calore che si sviluppa dall’unità di massa (peso) di un materiale nella sua combustione completa con ossigeno in un calorimetro normalizzato e in condizioni rigorosamente specificate

Potere Calorifico Superiore

PCS

Potere Calorifico Superiore

PCS

Potere Calorifico Inferiore (netto)

PCI

Potere Calorifico Inferiore (netto)

PCI

energia/massa: [Kcal/kg; MJ/kg;..]

Il PCI viene calcolato al netto del contributo dell’umidità del combustibile e dell’acqua che si forma nella reazione di combustione

(si sottrae cioè dal PCS il calore di condensazione dell’H2O prodotta nella combustione)


Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioPotere calorifico

- È legato al contento di C, H - Rispecchia le caratteristiche chimiche dei componenti presenti(lignina cellulosa resine)Andamento del PCI col contenuto di C in campioni di biomasse legnose

dati riferiti al "secco e privo di ceneri"

18.0

18.5

19.0

19.5

scorte

cciato

tronco

verde

copert

o 4/5 m

esicip

pato r

nldseg

atura

tronco

secco

ramaglie

PCI

(MJ/

Kg)

50

51

52

53

54

55

Carbonio (%

)

PCI Carbonio (%)

C % Dati SSC (2003) : sperimentazione in collaborazione con FIPER -Campioni di biomasse vergini prelevati a TIRANO presso impianto di cogenerazione (Società TC VVV SPA)


Potere calorifico - Valutazioni EmpirichePotere calorifico - Valutazioni Empiriche

Può essere calcolato mediante equazioni empiriche, ad es.:

Fonte - Updated (March 2003) - from Graboski, M. S. and Bain R. L. (1979). “Chapter 3: Properties of Biomass Relevant to Gasification,” in A Survey of Biomass Gasification, Volume II - Principles of Gasification, Solar Energy Research Inst., Golden, CO, SERI/TR-33-239

HHV [Btu/lb] = 85.65 + 137.04 C + 217.55 H + 62.56 N + 107.73 S +8.04 O - 12.94 AshHHV [Btu/lb] = 85.65 + 137.04 C + 217.55 H + 62.56 N + 107.73 S +8.04 O - 12.94 Ash

22 MJ/Kg

15 MJ/Kg



Potere calorifico - OsservazioniPotere calorifico - Osservazioni

Ai fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCIAi fini pratici (rendimento combustione in impianto) si utilizza PCI

Il calore reale prodotto in impianto è legato al PCI ma dipende da numerosi fattori, tra altri :

•Mezzo di combustione (aria, altro)•Sistema di combustione e disegno costruttivo•Condizioni esercizio impianto•Altre caratteristiche chimiche e fisiche del combustibile

(Pezzatura, Umidità, Ceneri)

A parità di altre condizioni:

Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,..

A parità di altre condizioni:

Un minor poter calorifico costringe a maneggiare quantità maggiori di materiale : > costi di trasporto, > di esercizio,..

Il potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneriIl potere calorifico è influenzato negativamente da umidità e ceneri







Umidità Umidità

L’umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico)L’umidità fa parte della struttura della biomassa (materiale igroscopico)

E’ una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l’ambienteE’ una proprietà dinamica: tende a portarsi in equilibrio con l’ambiente

L’umidità varia in maniera consistente inf (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio)

L’umidità varia in maniera consistente inf (tipo biomassa, terreno di coltivazione, condizioni ambientali, tempi di trasporto/stoccaggio)

In laboratorio si determina l’umidità:

Sul tal quale (campione come ricevuto)

Sul campione essiccato all’aria (in condizioni normalizzate)



Umidità - OsservazioniUmidità - Osservazioni

L’umidità influenza negativamente:

•potere calorifico, •prestazioni in impianto •costi di trasporto, •costi di essiccamento

L’umidità influenza negativamente:

•potere calorifico, •prestazioni in impianto •costi di trasporto, •costi di essiccamento

L’umidità superficiale •dipende dalla pezzatura

Influisce negativamente•sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) •sui trasportatori meccanici

L’umidità superficiale •dipende dalla pezzatura

Influisce negativamente•sul funzionamento dei polverizzatori (diminuzione capacità effettiva) •sui trasportatori meccanici

È un parametro del valore energetico/commerciale della biomassa e può influire sul prezzo



Variazione del Potere Calorifico con l’umidità

0

5

10

15

20

campionecome

ricevuto

campioneessiccato

all'aria

campionesecco

PCI (

MJ/

Kg)

0

20

40

60

80um

idità (%)

PCI (MJ/kg) umidità (%)

Campione di segatura

Sperimentazione SSC (2003) – Collaborazione con TC VVV Tirano



Andamento generale del Potere Calorifico con l’umidità

0 10 20 30 40 500

5

10

15

20

25

PCI (

MJ/

Kg)

Umidità (%)



Umidità - OsservazioniUmidità - Osservazioni

Efficienza di combustione e umidità

Si osserva un calo dell’efficienza di combustione all‘aumentare dell’umidità. La concentrazione massima di acqua che consente l’utilizzo della biomassa come combustibile è di circa il 65-68%.Oltre questo limite, il calore richiesto per l’evaporazione dell’acqua è superiore all’energia intrinseca del combustibile: la combustione non si sostiene se non fornendo energia dall’esterno.

Dati sperimentali indicano una efficienza massima di combustione per un contenuto di umidità attorno al 5% ~: l’acqua eserciterebbe un’azione moderatrice nella combustione creando condizioni più favorevoli al trasferimento di calore rispetto al brusco passaggio in presenza di legno molto secco.







ceneri ceneri

Per “ceneri” si intende il materiale inorganicoche rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate

Per “ceneri” si intende il materiale inorganicoche rimane dopo la combustione del campione in condizioni normalizzate

< frazione combustibile, quindi

< potere calorifico

> quantità di materiale solido da smaltire(costi)

> formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni)

> fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl)

< frazione combustibile, quindi

< potere calorifico

> quantità di materiale solido da smaltire(costi)

> formazione di incombusti sia in bottom ash sia in fly ash (materiale particellare nel gas di combustione = emissioni)

> fenomeni di erosione, corrosione, incrostazioni in impianto (alcalini, Cl)

> quantità ceneri:> quantità ceneri:

Le ceneri influenzano negativamente:

•potere calorifico, •prestazioni in impianto

Le ceneri influenzano negativamente:

•potere calorifico, •prestazioni in impianto


Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioH2O (umidità)

ceneri

Frazione Combustibile

(C,H,N,S,Cl,..)



(C,H,N,S,Cl,..)

ceneri biomassa

CONTENUTO cenerimediamente più basso

(tenori molto elevati per alcune particolari specie, ad es. lolla di riso)

CARATTERISTICHEmaggiore alcalinità

metalli alcalini

> SLAGGING >FOULINGscorie su scambiatori,

refrattari,... < efficienza processo

> Quantità fly ashnel flue gas (depositi, emissioni)

Rispetto al carbone

La propensione delle ceneri di scorificare in impianto:

condizioni operative, fattori impiantistici,..; composizione delle ceneri; comportamento alla fusione.

Prove di laboratorioProve di laboratorio



Ceneri: Comportamento alla fusione

Fusione Ceneri da carbone sudafricano (1979, Archivio Storico SSC)

900 1200 1220 1280 1300 1360 900 1200 1220 1280 1300 1360 14001400T°CT°C

Fusione Ceneri da impianto - cippato di legno (2004, SSC)


T°CT°C 900 1200 1210 1235 1250 1260 1900 1200 1210 1235 1250 1260 1265 1270265 1270


T fusione ceneri e contenuto in metalli basici(biomasse legnose)

800

1800

2800

3800

4800

cippa

to scort.

cippa

to secc

ose

gatura

cippa

to verd

ecip

pato

cippa

toram

aglie

met

alli

basi

ci (m

g/K

g)

1000

1250

1500

1750

2000

T fusione ceneri (°C)

metalli basici T fusione ceneri (°C)

Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano



Metalli in biomasse legnose (dati espressi come ossidi)

0

2000

4000

6000

8000

cippato scort.

cippato secco

cippato verde

segatura

cippato

cippato

ramaglie

mg/

Kg

Na2O

K2O

CaO

MgO

P2O5

SiO2

Al2O3

Sperimentazione SSC (2003) - Collaborazione con TC VVV Tirano



ceneri e umidità:Importanza sulla redditività impianto

Dati specifici calcolati sulla filiera da 10 MWe

Indice di Redditività = profitto o perdita dell’operazione di investimento per unità di investimento


Elab.dati da: Impianti a biomassa per la produzione di energia elettrica – CTI – dicembre 2002


Confronto biomasse – carbone

ANALISI ELEMENTARE e PCI - Range di valori

(B) biomasse vegetali (C) Carbone


30

15

10

5

20

25

0

MJ/kg

idrogeno carbonio PCI

0

20

40

60

80

100

min max

ossigeno

B

B

B

BC C

CC

Dati medi di letteratura


Caratterizzazione per macrocostituenti

L’Ossigeno è presente nei macrocostituenti della biomassa

•olocellulosa

cellulosa

emicellulosa

•lignina Diagramma ternario C-H-O

Legno: Range: 22-29% ~



Analisi immediata (proximate analysis)



Sostanze Volatili (SV)

+Carbonio Fisso (CF) Contenuto informativo:

comportamento termico

Sostanze Volatili

Carbonio Fisso

Umidità

Principali Caratteristiche determinate con prove di laboratorioH2O (umidità)

ceneri



+Carbonio Fisso (CF)




+Carbonio Fisso (CF)

SV = frazione di combustibile che si sviluppa sotto forma gassosa

SOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSOSOSTANZE VOLATILI (SV) e CARBONIO FISSO

La prova normalizzata di laboratorio consente di differenziare la frazione del combustibile che brucia in forma gassosa (SV) da quella che brucia sotto forma solida (“carbonio fisso”)

Si liberano nelle prime fasi del riscaldamento (pirolisi/devolatilizzazione)

Le SV sono la parte più reattiva del combustibile

Influenzano accensione, stabilità e temperatura della fiamma

Confronto col carbone Confronto col carbone

SV (biomasse) > SV (carbone)~ 70% energia biomassa è contenuta nelle SV (contro il 30-40% carbone)

Nella pirolisi: > resa di conversione della biomassa in metano (migliori caratteristiche per la pirolisi)Carbonio Fisso (biomassa) = contiene più ossigeno; è più poroso e reattivo (diverse T letto e fiamma)



Monitoraggio Sostanze Volatili con tecniche avanzate: TG-FTIRCampione di biomassa legnosa

Sperimentazione SSC (2004)

Inte

nsità

Riscaldamento in aria

Inte

nsità

Riscaldamento in azoto

CH4



Potere calorifico ~ 17.3 MJ/kg

Potere calorifico ~ 26.6 MJ/kg Struttura lignina

Struttura cellulosa

(aromaticità)

Gruppi ossigenati chimicamente diversi


Confronto biomasse – carbone

C fisso

0

20

40

60

80

100

min max

umidità cenerivolatili

B

B

BB

C

C

C

C


(B) biomasse vegetali (C) Carbone ANALISI IMMEDIATA - Range di valori

Dati medi di letteratura


Riepilogo Proprietà medie biomasse vegetali/carbone

Riferimento: database analisi SSC 400 campioni di carboni fossili, 70 cippati , 40 sanse

0

20

40

60

80

100

carbone cippato sansa

C fisso Volatili Ceneri Umidità

0

20

40

60

80

100

carbone cippato sansa

C H N S O

Analisi elementareAnalisi immediata




Caratteristiche FISICHE

Caratteristiche FISICHE

Range Paglia ~ 20-50 (sfusa) Kg/m3

~ 70-200 (imballata) Kg/m3Biom. Legnose ~ 200-700 Kg/m3 (in funzione della pezzatura)Pellet ~ 550-720 Kg/m3

Densità Kg/m3 Densità Kg/m3

Massa/Volume apparente

massa volumica (bulk density)Per una data biomassa

la densità dipende da

forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi)

umidità

porosità

Per una data biomassala densità dipende da

forma e dimensioni del materiale (spazi vuoti tra i pezzi)

umidità

porosità

Densità energetica MJ/m3Densità energetica MJ/m3

Energia/volume apparente = PCI x densità



biomassa Dimensione tipica (mm)

brichette Diam > 25

pellet Diam < 25

polverino < 1

segatura 1-5

cippato 5-50

Legno in pezzi, legno intero > 50

Balle di paglia 0.1 – 3.7 m3

Fascine, corteccia, semi e granella, gusci, noccioli, fibre,

Varia

Caratteristiche FISICHEPrincipali Caratteristiche dimensionali dei prodotti commerciali



Evoluzione qualità dei prodotti commerciali: densificazione


Evoluzione qualità prodotti: densificazione

Densificazione (compattazione) della materia prima: aumento densità

Aumento densità energeticavantaggivantaggi Materia prima potenziale:

Residui agroforestali, Scarti di lavorazione legno (segatura,…), Altri residui non trattatati (gusci,...)Altro

Migliore trasportabilità (minori costi)

Prodotti commerciali

Mattoncini (bricchette)Mattoncini (bricchette)

PelletPellet


Evoluzione qualità prodotti: pellet

CTI – Energia Ambiente . Progetto Fuoco - Verona – 19 marzo 2004

PELLET PELLET

Mercato del pellet in forte crescita(piccola utenza e impianti di combustione)

Mercato del pellet in forte crescita(piccola utenza e impianti di combustione)

Materiale omogeneo

Alta densità energetica

migliore regolazione della combustione, migliore controllo delle emissioniimpianti più semplici e automatizzabili

Comodità di impiego

Leader (UE):SveziaAustriaGermania

vantaggivantaggi

Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatoriaspetti tecnici, economici, ambientali

Esigenze di garanzia qualità prodotto a favore di produttori e utilizzatoriaspetti tecnici, economici, ambientali

Evoluzione qualità prodotti: qualità pellet

Raccomandazione CTI R-04/5 – aprile 2004Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa

Raccomandazione CTI R-04/5 – aprile 2004Caratterizzazione del pellet a fini energetici - Classificazione qualitativa

Accordo tra produttori e utilizzatori

OrigineDiametro (D)Lunghezza (L)UmiditàCeneriDurabilità meccanicaPolveriAgenti legantiZolfoAzotoCloroMassa volumica apparenteP.C.I. t.q.

Caratteristiche pelletCaratteristiche pellet

per determinare i parametri indicati nelle caratteristiche metodi esistenti e Progetti di norma in fase di elaborazione a livello europeo (prEN)

Lista dei metodi normalizzatiLista dei metodi normalizzati

As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn V, Zn

Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P,Ti

Parametri aggiuntiviParametri aggiuntivi

Disponibile sul sito CTI www.cti2000.it




Tipologia biomasse analizzate

Tipologia biomasse analizzate (SSC) (denominazione da parte committenti)


BIOMASSACIPPATO DI LEGNOSANSASANSA ESAUSTASEGATURACENERI DI BIOMASSACENERI LEGGERE DI BIOMASSACENERI PESANTI DI BIOMASSAMISCELA BIOMASSESANSA DI OLIVAOSSO DI VINACCIOLOLOLLA DI RISOVINACCIAMAISVINACCIOLIBUCCE DI UVABUCCE DI ARANCIA

OLIVENOCCIOLO DI SANSABAGASSASCORZE DI AGRUMI ESAUSTESCARTI DI LEGNO E CORTECCERESIDUI LAVORAZ. GRANOPOLPE ESAUSTEPELLET DI LEGNAPELLET DI BUCCE DI GIRASOLEPASTICCIO DI AGRUMIGRASPIAMIDO DI MAISCARBONE DI GUSCI DI PALMACARBONE VEGETALE DA PIROLISIFANGHIFARINA DI GERME DI MAISFARINA DI SOIATUTOLI

HUMUSGUSCIO DI NOCE DI PALMASCARTI LAVORAZ. CAFFESCARTI LAVORAZ. BISCOTTI SCADUTIRISORESIDUI CANNA DA ZUCCHERORASPI DI UVARAMAGLIEPOTATURA DI ULIVOPOLVERE DI TABACCOOSSO DI SANSAOLIO DI VINACCIOLOMISCELA DI FANGHI E CORTECCEMISCELA DI FANGHI E CORTECCE

MISCELA DI FANGHI

LETTIERA DI FUNGAIATABACCOSEMI DI PALMALAVORAZIONE DI LIQUIRIZIAFARINA VEGETALEFARINA DI GIRASOLEFARINA DI CARNECORTECCECARBONELLA DI BIOMASSACELLULOSA



Metodi normalizzati


Metodi normalizzati (situazione in progress – aggiornamento al maggio 2004)

Parametro Principale metodo attualmente utilizzato

Metodo unificato in preparazione (CEN/TC 335 "Solid Biofuels")

CAMPIONAMENTO E RIDUZIONE CAMPIONE UNI 9903-3 Draft prCEN/TS 14778-1 - Draft prCEN/TS 14778-2

Draft prCEN/TS 14779 - Draft prCEN/TS 14780

UMIDITA' UNI 9017 - ASTM D 5142Final Draft prCEN/TS 14774-1 Final Draft prCEN/TS 14774-2 Final Draft prCEN/TS 14774-3

SOSTANZE VOLATILI ASTM D 5142 WI00335013

MASSA VOLUMICA ISO 567 - DIN 52182 WI0033509 - WI00335019

CENERI UNI 9017 - ASTM D 5142 Final draft prCEN/TS 14775

FUSIONE CENERI DIN 51730 WI00335015

CARBONIO, IDROGENO , AZOTO ASTM D 5373 WI00335023

OSSIGENO per calcolo WI00335024

CLORO, ZOLFO U53.00.025.0 WI00335025

POTERE CALORIFICO UNI 9017 - ASTM D 5865 WI00335008

MACRO ELEMENTI (Al, Ca, Fe, Mg, P, K, Si, Na, Ti) ASTM D 6349 WI00335027

MICRO ELEMENTI (As, Cd, Co, Cr, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V, Zn) ASTM D 6357 WI00335028


Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti

Panorama dei principali processi di conversione: Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia bioenergia e e bioprodottibioprodotti

Slides 52-105


Struttura degli argomenti allegati

1 Panorama dei principali processi di conversione: bioenergia e bioprodotti (3-55)

Processi meccanici/chimico-fisici e biochimici (alimentazioni – processi – prodotti)- meccanici/chimico-fisici: estrazione oli (filiera biodiesel)- biochimici:

fermentazione alcolica (filiera bioetanolo)digestione anaerobica (biogas)

- stato avanzamento tecnologie

Processi termochimici (alimentazioni – processi – prodotti)- pirolisi- gassificazione - combustione diretta - co-combustione

- stato avanzamento tecnologie

Principali Processi di trasformazione della biomassa

BiomassaParametri selettivi: Lignina/cellulosa; C/N; Umidità

Residui putrescibili, reflui animali

Piante e residui zuccherini e

amidacei

Biochimici

Fermentazione alcolica

Digestione anaerobica

Piante e residui oleaginosi

Estrazione oli

Piante e residui ligno-cellulosici

Termochimici

CombustionePirolisiGassificazione

Meccanici/Chimico-Fisici



Panorama dei principali processi di conversione e Panorama dei principali processi di conversione e bioprodottibioprodotti

Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI

Principali Processi Meccanici/Chimico-Fisici: ESTRAZIONE OLI

MATERIA PRIMA

Impieghi principaliUso autotrazione

Uso riscaldamento

Piante e residui

oleaginosi

PRODOTTO

estrazione BIODIESEL

Colture dedicateOleaginose:

ColzaGirasoleSoia

Scelta materia prima: •utilizzo•profilo di composizionedegli acidi grassi presenti


Estrazione oli: Filiera biodiesel

Trattamenti meccanici

RiscaldamentoSpremitura(pressione/

solventi)Raffinazione

Coltivazione

RaccoltaEstrazione oliosemi trasporto

Bio-olioproduzione produzione biodieselbiodiesel

transesterificazione

MetOH/EtOHMotori diesel/ riscaldamento


Ciclo colturale18-22 GJ

1 t metilestere colzaPCI=37.7 GJ/t

Raffinazione 8-11 GJ

Esterificazione 3-3.3 GJ

Fonte ENEA Rapporto Energia e Ambiente 2003 - Le fonti rinnovabili

ProdottiProdotti Olio esterificato glicerina Scarti di lavorazione (farina di spremitura~40%)

~30% p/p colza

Bilancio energetico


Principali Processi Meccanici-Chimico/Fisici: SPECIFICHE BIODIESEL

EN 14213 EN 14213 HeatingHeating fuelsfuels –– FattyFatty acid acid methylmethyl estersesters (FAME)(FAME)

RequirementsRequirements and test and test methodsmethods (2003(2003))

EN 14214 EN 14214 AutomotiveAutomotive fuelsfuels -- FattyFatty acid acid methylmethyl estersesters (FAME) (FAME) forfor diesel diesel enginesenginesRequirementsRequirements and test and test methodsmethods (2003)(2003)

Biodiesel - Produzione e capacità in Europa

2002

Fonte: eubionet.vtt.fi

Principali Processi Biochimici

Biochimici

Fermentazione alcolica: BIOETANOLODigestione anaerobica: BIOGAS

Residui fermentescibili,

reflui animali

Piante e residui zuccherini e

amidacei



Fermentazione alcolica: BIOETANOLO


Principali Processi biochimici: la filiera bioetanolo


fermentazione distillazione

Canna da zuccheroCanna da zuccheroBarbabietoleBarbabietoleSorgo zuccherinoSorgo zuccherino

Substrati amidaceiSubstrati amidaceiSubstrati Substrati lignocellulosicilignocellulosici

pretrattamento

Pretrattamentoidrolisi

Colture amidacee

Colture zuccherine REFORMINGREFORMING(H(H22 fuelfuel cellcell))

BIOETANOLO

ETBEETBE

CARBURANTICARBURANTI


Digestione anaerobica: BIOGAS


Principali Processi Biochimici: digestione anaerobica

trasformazione di materialeorganico ad opera dimicrorganismiin assenza di ossigeno


- Richiede ambiente povero di ossigeno - Avviene anche spontaneamente - É favorito in ambiente chiuso- C/N biomassa ~ 20 - 30- umidità > 50%

BIOGAS purificazione

discaricadiscarica

digestori anaerobici

Caloree/o elettricità

autotrazione

rete gas

CH4




Residui vegetali putrescibili, reflui animali


FertilizzanteFertilizzante

(fosforo, potassio, azoto (fosforo, potassio, azoto mineralizzato)mineralizzato)

residuo solido

PCI ~ 5300-5800 kcal/Nm3 (22-24 MJ/m3)

- combustibile(calore e/o elettricità)

- motori a combustione interna(energia elettrica)

CH4 ~50-70% , CO2 ~30-35%tracce di H2S, NH3(H2, CO, HC saturi)

Purificazione -riciclato

-- zone di lagunaggioper colture energetiche

- per la fertirrigazione.

liquido chiarificato

prodotti

BIOGAS


Concentrazione di metano in campioni dichiarati biogas

0

20

40

60

80

100

% m

etan

o

0

20

40

60

80

100

% m

etan

o

0

20

40

60

80

100

% m

etan

o

campione

Riferimento: 200 campioni di biogas (Database Analisi SSC)



Vantaggi AMBIENTALI

Recupero biogas = emissioni gas serra evitate

potere riscaldante CH4 ≈ 21 volte CO2 (orizzonte 100 anni)

Delibera CIPE - RIDUZIONE DELLE EMISSIONI NAZIONALI DEI GAS SERRA

OPZIONI PER ULTERIORI MISURE NAZIONALI DIRIDUZIONI

Produzione di energia daBiogas, da rifiuti solidi urbani, da scarti delle lavorazioni agricole ed agroalimentari

0,9-1,9 Mt CO2-eq/anno

Nota: per le discariche è obbligatorio sistema captazione gas (D.Lgs. n. 36 , 13 gennaio 2003)




Impianti GRTN a biogas EE con cogenerazione

0

50

100

150

200

19951996

19971998

19992000

20012002

GW

h

– colture e scarti agro-industriali

– da deiezioni animali

– da fanghi

– da discariche

Andamento della produzione di energia

elettrica da biogas(1995-2003)

Impianti GRTN a biogas - solo EE

0

400

80019

9519

9619

9719

9819

9920

0020

0120

02

GW

h – colture e scarti agro-industriali

– da deiezioni animali

– da fanghi

– da discariche


Principali Processi chimici e biochimici

stato avanzamento tecnologia

processo tecnologia R&SEstrazione oli(biodiesel)

Provata Riduzione costi Integrazione filiera Impiego sottoprodotti

Fermentazione(etanolo) Provata

Riduzione costi Integrazione filiera:successi in Brasile e USA


In Fase liquida(materiale secco nel

digestore 5-10%)

Provata (diverse soluz. tecniche)Matura anche tecnol. di depurazione biogas e gas da discarica (da CO2, H2S,..): consente utilizzo del gas separato (CH4) come sostituto del gas naturale

Ridurre costi Scale-up

In Fase solida(materiale secco: 30-35% )

Stadio pre-commercialeLeader: Francia e Belgio(Vantaggio rispetto a fase liquida:> velocità di produzione biogas e migliore qualità del compost)


Principali processi Termochimici


Principali Processi Termochimici

Sfruttano l’energia chimica del materiale per trasformarla in

Calore e/o energia elettrica, bioprodotti solidi-liquidi-gassosi

Sfruttano l’energia chimica del materiale per trasformarla in

Calore e/o energia elettrica, bioprodotti solidi-liquidi-gassosi

Principali Parametri caratterizzanti

Comportamento termico del materialeMezzo di reazione

Principali Parametri caratterizzanti

Comportamento termico del materialeMezzo di reazione




BIOMASSABIOMASSAPiante e residui Piante e residui lignoligno--cellulosicicellulosici

CombustioneCo-combustione

Gassificazione PirolisiCarbonizzazione

Termochimici

Aria in eccesso Aria in difetto Assenza di aria

calore Gas combustibili(H2+CO)

LiquidiSolidiGas


Fattori generali che influenzano le reazioni e i prodotti desideratiFattori generali che influenzano le reazioni e i prodotti desiderati

Proprietà chimico-fisiche del materiale

Comportamento del materiale Comportamento del materiale al riscaldamentoal riscaldamento Condizioni di riscaldamentoCondizioni di riscaldamento

TecnologiaCondizioni di reazionevelocità di riscaldamento, tempo di residenzamezzo di reazione variabili di processo (T,P)



Principali processi Principali processi termochimicitermochimici: : PIROLISIPIROLISI



Principali Processi Termochimici: PIROLISI

PIROLISI = processo di decomposizione termica in assenza di ossigeno

ProcessoProcesso Prodotti desideratiProdotti desiderati SottoprodottiSottoprodotti

OLIOPirolisi

Pirolisi-Carbonizzazione

Pirolisi-Gassificazione

Liquidi, Solidi, GasSOLIDI (carbone)

GAS



Confronto tra i diversi processi di pirolisiConfronto tra i diversi processi di pirolisi

condizioni distribuzione indicativa dei prodotti (%)

Carbonizzazione ~ 300-500 Molto lunghi 30 35 35

PirolisiFast Flash

~ 500 - 650 >700

~ sec< sec 75 12 13

Pirolisi –Gassificazione 600-1000 lunghi 5 10 85

Temperatura(°C)

Tempo di residenza Liquidi

Solidi(char)

Gas



BIO-OLIO(Pyrolysis Oil)

PIROLISI VELOCE Tecnica più promettente

per produzione LIQUIDI

PCS:16-19 MJ/kg

VANTAGGI:combustibile liquido più facilmente stoccabile e trasportabile (costi di trasporto inferiori) rispetto alla materia prima

PROBLEMI

Instabilità (prodotto pirolitico) e corrosività

S. Czernik - NREL –http://www.state.nh.us/governor/energycomm/images/biooil-nrel.pdf



(2) Database SSC – Range di valori su ≈ 1500 campioni analizzati (1996-2004)(1) Dati di letteratura

Olio da Pirolisi (1)

Olio Combustibile(2)

Acqua (%) 15-30 <0.05 – 1.5 Densità (kg/m 3) 1.20 950 - 980 Carbonio (%) 56.4 86 - 87 Idrogeno (%) 6.2 10.5 – 11.5 Ossigeno (%) 37.3 1 - 2 Azoto (%) 0.1 0.2 – 0.4 Zolfo (%) - 0.3 - 4 Ceneri (%) 0.1 <0.05 – 0.20 Potere Calorifico Superiore (MJ/kg)

16-19 42.5 – 43.5

0.950 – 0.980

Bio-olio da



Fast pirolisi per produzione liquidi: Stato avanzamento tecnologie Fast pirolisi per produzione liquidi: Stato avanzamento tecnologie

Stato avanzamento Problemi tecnici R&S

TECNOLOGIA- Trasferimento calore (Processo endotermico)-Quenching rapido per bloccare la reazione allostadio voluto

- Miglioramento affidabilità e prestazioni tecnologie - scale-up impianti pilota e dimostrativi - Riduzione costi (competizione olio combustibile tradizionale) - individuazione possibilità CHP

PRODOTTO - Instabilità, incompatibilità- Acidità- definizione proprietà e

specifiche commerciali

Miglioramento qualità prodotto

Sviluppo metodi di caratterizzazione

Definizione di specifiche tecniche in funzione utilizzo (motori e caldaie o per produzione di elettricità e calore).

Sviluppi paralleli: USA notevole interesse per produzione di chemicals(es. adesivi e resine per l’industria del legno)

Impianti pilota o dimostrativi

Previsioneprima dello stadio pre-commerciale: almeno 5-8 anni per superare barriere tecniche.


Information on Pyrolysis of Biomass

Pyrolysis Network PyNe 15 European Countries and USA http://www.pyne.co.uk



Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE



GASSIFICAZIONE = processo di ossidazione parziale (ossigeno substechiometrico)

ChemicalsChemicals

Calore e/oElettricità

COMBUSTIBILECOMBUSTIBILE

Combustibili solidi (Biomassa)

GASGAS

H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+

PRODOTTO

IMPIEGO


Principali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONEPrincipali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONEPrincipali Processi Termochimici: GASSIFICAZIONE

Caratteristiche del gas prodotto

Caratteristiche del gas prodotto

Combustibili fossiliVarie tipologie di biomassa, tipicamente:legno e scarti di legno;scarti agricoli;pelletPromettente:uso colture dedicate

Combustibili fossiliVarie tipologie di biomassa, tipicamente:legno e scarti di legno;scarti agricoli;pelletPromettente:uso colture dedicate

Alimentazioni Prodotti Gas:

H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2+, N2(TAR, gas acidi, NH3, H2O,particolato)

Gas:

H2, CO, CO2, H2O, CH4, C2+, N2(TAR, gas acidi, NH3, H2O,particolato)

Condizioni di processo

T ~ 1000 °C

P = f (tecnologia)


Aria Ossigeno Vapore o miscele dei 3Aria Ossigeno Vapore o miscele dei 3

~ 12-13~ 10~ 3.8-4.6PCI *

(MJ/Nm3)

vaporeO2Aria (O2/N2)

* Valori indicativi (materia prima legna)

Mezzo di gassificazioneMezzo di gassificazione

Variabile di processo più significativa:

Variabile di processo più significativa:


Composizione media del gas prodotto in funzione del mezzo di gassificazione Composizione media del gas prodotto in funzione del mezzo di gassificazione

Processo EXO EXO ENDO

Aria Ossigeno Vapore

CO 12 - 15 30 - 37 32 - 41

H2 9 - 10 30 - 34 24 - 26

CH4 2 - 4 4 - 6 12.4

CO2 14 -17 25 - 29 17 - 19

C2H4 0.2 - 1 0.7 2.5

N2 56 - 59 2 - 5 2.5

PCI (MJ/Nm3) 4 - 5 10 12 - 13

Resa gas (Nm3/kg legno secco)

2 - 3 1.3 -1.5 -

CALORE

Biomassa = C H 1.4 O 0.6

Valori indicativi: dipendono da alimentazione, tipo di gassificatore,…


Dati: www.de.unifi.it/Macchine/Martelli/CORSI-MARTELLI/ENERGIE-RINNOVABILI/


Tipi di gassificatori

1. A letto fisso1. Updraft2. Downdraft

2. A letto fluido1. Circolante (CFB) e bollente (BFB)2. Pressurizzato (PFB)

Tipicamente accoppiato a B-IGCC Gassificazione integrata a ciclo combinato



ASPETTI CRITICI : (1) requisiti alimentazioneASPETTI CRITICI : (1) requisiti alimentazione

forte influenza variabilità delle proprietà chimico-fisiche e morfologiche biomassa

GASSIFICATOREletto fisso

Alcuni parametri significativi (valori indicativi)letto fluido

morfologiche

Proprietà chim.-fis.

Temperatura T (°C) 800 -1400 800 -1400 750 - 950

downdraft updraftPezzatura biomassa (mm) 20-100 5-100 0-20

Umidita (%) <15-20 <50 <25Ceneri % (s.s.) <5 <15 <25T fusione ceneri (°C) v. T esercizio v. T esercizio v. T esercizio

Richiesto pretrattamento (essiccamento e macinazione)Richiesto pretrattamento (essiccamento e macinazione)


Prospettive interessanti: uso di pelletProspettive interessanti: uso di pellet


ASPETTI CRITICI: (2) impurezze gas prodottoASPETTI CRITICI: (2) impurezze gas prodotto

• Principali impurezze del gas prodotto– Tar (idrocarburi pesanti)– Particolato (ceneri, char)– Impurezze gassose ( H2S, HCl, NH3, HCN )

Richiede trattamenti



ASPETTI CRITICI: (3) Taglia impianti ASPETTI CRITICI: (3) Taglia impianti

Nel caso biomasse la taglia è vincolata dalla disponibilità materia prima

(≈ 10 MW = taglia grande)

Nel caso biomasse la taglia è vincolata dalla disponibilità materia prima

(≈ 10 MW = taglia grande)

Fonte: europa.eu.int/comm/energy/res/publications/doc1/report_p536_v2.pdf


gassificazione: stato avanzamento tecnologie

Tecnologie di gassificazioneTecnologie di gassificazione• Migliorare flessibilità del

sistema rispetto a caratteristiche alimentazione

• Affidabilità • Gas cleanup

Tar, NH3, H2OParticolato

• Costi• Opportunità CHP

R&S

• TecnologiaStadio dimostrativo o pre-commerciale Solo Updraft commerciale perproduzione calore

• Efficienza di Conversione EE (20-40 %)

• Aspetto critico: rimozione tar

Esperienza più significativa:Esperienza più significativa:A VARNAMO (SVEZIA): primo impianto dimostrativo della tecnologia B-IGCC (1993)Produce: 6 MWe + 9 MWth. Gassificatore: letto fluido pressurizzato turbina a gas e turbina a vapore. Efficienza elettrica ~ 33%; Efficienza globale (CHP) ~83% .


B-IGCC: tecnologia del futuro per EE


Esperienza ItalianaEsperienza Italiana

Progetti commerciali

THERMIE Energy Farm Project, Cascina (Pisa), 14 MWe - 43 MWth

Gassificatore CFBAlimentazione: Pellet (2.5 cm max) di pioppo, castagno, salice e residui vite, residui olive, segatura

SAFI, Greve in Chianti, 6.7 MWe – 15 MWth

Alimentazione: Pellet di RDF da 1.5 cmTurbina vapore (effic: ~ 20%)

Gassificatore CFB

AMGA Legnano (VA) 1 MWe

Fonte: IEA, 2001



IMPIEGO del gas da gassificazione

Prospettiva a lungo ...termine: economia all’idrogenoIEA/H2/TR-02/001

“...Biomass has the potential to accelerate the realization of hydrogen as a major fuel of the future.”

Prospettiva a lungo ...termine: economia all’idrogenoIEA/H2/TR-02/001

“...Biomass has the potential to accelerate the realization of hydrogen as a major fuel of the future.”

Calore e/o ElettricitàCalore e/o Elettricità

CombustibileCombustibileGAS

H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+GAS

H2, CO, CO2, CH4, N2, H2O, C2+Gassificazione Gassificazione

Biomassa

ChemicalsChemicals



Utilizzo gas prodotto per CHEMICALS e altri PERCORSI POTENZIALI


MeOH

Cat: Ni/Mg

Cat: Mixed BasesNa, Ca

CaCN

Cat: Cu-ZnO Cat: Zeolite

HYDROGENETHANOL,MIXED ALCOHOLSMETHANOL, DME

OLEFINS

FTL

LPGNAPHTHAKEROSINE/DIESELLUBESWAXES

GASOLINE

OXOCHEMICALSe.g., KETONESAMMONIA

SNG

CHP

CHP

SYNGAS

Cat = Catalytic Conversion Process

Cat: Ni, Fe, Cu-Zn

Cat: Cu-Zn,Cu-Co

Cat: Cu-ZnO

Cat: H3PO4, Cr2O3

Cat: Fe

Cat: Co/K

UPGRADING

BIOMASSBIOMASS

FEED PREP

GASIFICATIONGASIFICATION

CLEANUP

Cofiring/Reburn

Cat: Ni

CombinedCycle

FONTE DOE-NREL:www.nifc.gov/presentations/scahill.ppt


INFO

Gasifier Inventory

www.gasifiers.org/

The Gasifier Inventory gives an overview of existing biomass gasifierinstallations and accompanying manufacturers.

www.biomatnet.org/an independent information service funded by the European Commission

Biological Materials for Non-Food Products (Renewable Bioproducts).

It includes final results from the Fifth Framework Programme (FP5), FAIR Programme (FP4) and previous programmes, as well as ongoing research from the Fifth and Sixth Framework Programmes (FP5 and FP6



Principali Processi Termochimici: COMBUSTIONE DIRETTA



COMBUSTIONE = processo di ossidazione che trasforma

l’energia chimica di un combustibile in energia termica

COMBUSTIONE = processo di ossidazione che trasforma

l’energia chimica di un combustibile in energia termica

Gas caldi di combustioneGas caldi di combustione

Calore

Energia Elettrica

Energia Elettrica + Calore (CHP)

Recupero energiaRecupero energia



SCHEMA

EMISSIONI

CENERI

ENERGIA

calore

H2O

Aria primaria

essiccazione

< 150 °C ~

Vapori e Gas combustibili,

H2OPolveriCHAR

Aria primaria

Gassific. e pirolisi

< 600 °C ~

1 stadio 2 stadio 3 stadio

CO2, H20, N2,O2NOx, CO, HCl,

SOx; particolato

Aria secondaria

ossidazione

>800 °C ~

CALORE

LegnoseC, H, O, N, fraz inorg

ErbaceeC, H, O, N, S, Cl

fraz inorg

Reazioni



Percorso desiderato nella COMBUSTIONE: OSSIDAZIONE COMPLETAPercorso desiderato nella COMBUSTIONE: OSSIDAZIONE COMPLETA

Caso ideale Caso ideale COMBUSTIONE COMPLETA COMBUSTIONE COMPLETA

CO2 + H2OCO2 + H2OIdrocarburo (H,C)Idrocarburo (H,C) O2, calore

ENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA



Caso realeCaso realeEMISSIONI GASSOSE

CO2, H2O, CO, N2, O2, NOx, SOx, HC, particolato

COMBUSTIBILE SOLIDOBiomassa

erbacea/legnosa= C, H, O, N, S, Cl,...

+ fraz. inorganica

Aria eccesso(O2/N2) calore

Aria eccesso(O2/N2) calore

Energia termica

SOLIDICeneri, incombusti

Principali Processi in giocodisidratazione , devolatilizzazione/pirolisi, combustione (ossidaz.)

Principali Processi in giocodisidratazione , devolatilizzazione/pirolisi, combustione (ossidaz.)

Complessità reazioni in gioco (analogamente a pirolisi e gassificazione) trasferimento di massa e di calore reazioni eterogenee solido-gasreazioni omogenee tra gas diffusione dei gas verso l’interfaccia solido/gas diffusione di composti gassosi dall’interfaccia del solido verso la fase gas

Complessità reazioni in gioco (analogamente a pirolisi e gassificazione) trasferimento di massa e di calore reazioni eterogenee solido-gasreazioni omogenee tra gas diffusione dei gas verso l’interfaccia solido/gas diffusione di composti gassosi dall’interfaccia del solido verso la fase gas



Principali Tecnologie di combustione

tecnologie

COMBUSTIONECOMBUSTIONE

Bollente (BFB)Bollente (BFB)

Ricircolante (CFB)Ricircolante (CFB)

FissaFissa

MobileMobileLetto fissoLetto fisso Forni a grigliaForni a griglia

Letto fluidoLetto fluido

Principali Tecnologie di combustione

Letto fluidoBollente o ricircolante

Letto (combustibile + sabbia) in sospensione con aria primaria forzata dalbasso

Letto fisso con griglia mobile

> Diffusione

Caratteristiche Alimentazione:

Accettano biomassa conElevata umiditàDimensioni variabili Elevato contenuto di ceneri

Biom. legnosa e mix: legno+residui agro industriali (vinacce, graspi, potature,..)

Caratteristiche Alimentazione:

Ceneri (~ <5 %); T fusione ceneri (K,Na) : vedi T esercizio(problemi con biomassa erbacea)

Pezzatura: uniforme (la distribuzione omogenea del combustibile e braci regola la distribuzione di aria primaria)


T ~ 850-1400 °C

T ~ 850 °C < NOx

< fumi < dispersione termicaPiccoli eccessi aria

Efficace miscelazione aria/combustibile:> Efficienza< Incombusti

• Tecnologie mature

• Efficienza di ConversioneEE (~ 20 %)

• Gestione ceneri

• Gestione Emissioni

Tecnologie diCombustioneTecnologie diCombustione

Condizioni per lo sviluppocommerciale

• Garanzia approvvigionamentobiomassa (a lungo termine)

• Buona flessibilità impianti per biomassa diversificata

• Costo del combustibile • Costo Capitale • Ricavi da vendita elettricità• Individuazione possibilità CHP

Sito specificheSito specifiche

Principali Processi termochimici: sintesi stato avanzamento tecnologia



Principali processi termochimici : CO-COMBUSTIONE


Principali Processi Termochimici : CO-COMBUSTIONE


Fonte: BIOMASS CO-FIRING - European Bioenergy Networks (EUBIONET) - VTT Processes - http://eubionet.vtt.fi

MODIFICHErispetto allo

standard consistenti parziali nessuna standard

30

20

10

50.10 0.5 1

Fuel Rank

Pote

re c

alor

ifico

net

to, M

J/K

g

Influenza delle caratteristiche del combustibile sulla tipologia della caldaia Influenza delle caratteristiche del combustibile sulla tipologia della caldaia


Co-combustione = combustione simultanea di differenti combustibiliCo-combustione = combustione simultanea di differenti combustibiliTipicamente: biomasse (e RSU) con carbone

Opzione meno costosa e tecnicamente attuabile sfruttando impianti esistenti (grande taglia > efficienza)

Correntemente utilizzata in USA, Finlandia Danimarca Germania Austria Spagna Svezia

•biomassa legnosa: 5-10% ~•residui olive: 10-25%~La % di biomassa nel blend è limitata:

L’efficienza del processo peggiora leggermenteRichiede modifiche parziali di progetto (caratteristiche diverse deicombustibili)


dal punto di vista del carbonedal punto di vista del carbone

•riduce le emissioni globali (e locali) •abbassa i costi del combustibile(incentivi)

•può ridurre le penalizzazioni previstenella produzione di gas serra

dal punto di vista delle biomasse dal punto di vista delle biomasse

•risolve una delle maggiori barriere (problemi di approvvigionamento)•rappresenta la via più realistica perraddoppiare la produzione UE dienergia rinnovabile


Esempio di potenziale riduzione delle emissioni di CO2 mediante cofiring



INFO

EUROPEAN CO-COMBUSTION OF COAL, BIOMASS ANDWASTES - FINAL REPORT Project DIS-0506-95-UKEUROPEAN COMMISSION - DGXVII



SistemiSistemi per l’utilizzo della per l’utilizzo della bioenergia bioenergia

Slides 106-118

Utilizzo energetico delle biomasse

Dai processi di conversione della biomassa all’utilizzo Dai processi di conversione della biomassa all’utilizzo finale della finale della bioenergiabioenergia: : calore e/o elettricitàcalore e/o elettricità))


1

2

Combustione

CombustibiliCombustibililiquidi, solidi, gas

Fumi caldiFumi caldi

PirolisiCarbonizzazioneGassificazione


Estrazione/esterificazione

CALORECALOREELETTRICITA’ELETTRICITA’CHPCHP


Utilizzo energetico della bioenergia: stufe e caldaie

StufeStufe

riscaldamentoriscaldamento

Turbina a vaporeTurbina a vapore ~ elettricitàelettricità

Combustione Combustione

CaldaieCaldaie

Taglia Potenza Utilizzo tipico

Piccola 15-100 kWth Riscaldamento domestico

Media 0.2-30 MWth Civile di tipo collettivo /industriale

Media 0.2-10 MWth Teleriscaldamento uso civile

CALDAIE

Grande 10-50 MWth EE , calore, Cogenerazione

1


Utilizzo energetico dei bioprodotti

PirolisiCarbonizzazioneGassificazione

Digestione anaerobicaDigestione anaerobica

Estrazione/esterificazioneEstrazione/esterificazione

CALOREELETTRICITA’CHP

CALOREELETTRICITA’CHP

liquidi, solidi, gas

CombustibiliCombustibili

2

Dalla conversione della biomassa in Dalla conversione della biomassa in bioprodotti bioprodotti al loro utilizzo come combustibilial loro utilizzo come combustibili



SISTEMI per la produzione di ENERGIA ELETTRICA - CALORE - CHP

Tecnologia Potenza (MW)Micro-turbine

0.025 – 0.1

Fuel cell 0.2 - 2

Motori alternativi

0.05-10

Turbine a gas

0.08-180

Turbine a vapore

0.5 - 250

Cicli combinati

>5 Valori indicativi

EE CHP

0 25 50 75 100

rendim ento %

T urbine a gas

T G B -IG C C

T urbine a v apore

M otori alte rnativ i

Valori indicativi


COGENERAZIONE (CHP) = produzione combinata e simultanea dienergia elettrica e termica dalla stessa fonte energetica

COGENERAZIONE (CHP) = produzione combinata e simultanea dienergia elettrica e termica dalla stessa fonte energetica

Forte spinta a livello europeo e nazionale

- Risoluzione del Consiglio del 18 dicembre 1997 concernente una strategia comunitaria per promuovere la produzione combinata di calore e di elettricità- LIBRO BIANCO per la valorizzazione energetica delle Fonti Rinnovabili

VANTAGGI CHP

Incremento sensibile del rendimento globale del processo

A parità di energia prodotta, il sistema cogenerativo risparmia circa il 40% di biomassa primaria

= Risparmio energetico= Emissioni evitate per unità di energia prodotta

Impiego nel teleriscaldamento/teleraffrescamento

Nel caso di biomassa disponibile sul territorio: uso razionale dei bacini di raccolta (prevenzione incendi, diminuzione dei rischi idrogeologici).




Scenario energetico italiano 2002: generazione elettrica e cogenerazione

Fonte GRTN

-

200

400

600

800

1.000

1.200

RSUColtu

re/Sca

rti

Biogas disc

arich

eBiogas

- altr

o (1)

2000 2001 2002

Solo Generazione elettrica (GWh)

-

200

400

600

800

1.000

1.200

RSUColtu

re/Sca

rti

Biogas disc

arich

eBiogas

- altr

o (1)

2000 2001 2002

Cogenerazione (GWh)

Nota : (1) da fanghi, da deiezioni animali e da colture e scarti agro-alimentari


Utilizzo energetico delle biomasse Utilizzo energetico delle biomasse

Impatto Ambientale: aspetti essenziali

La filiera: utilizzo energetico e impatto ambientale

Approvvigionamento


Trasporto


Pretrattamento

Approvvigionamento


Approvvigionamento


Trasporto


Pretrattamento

CeneriCeneri

EmissioniEmissioni

Conversione

Bioenergia

Bioprodotti

Conversione

Bioenergia

Bioprodotti


DECOLLO FILIERA Ottimizzare bilancio energetico/ambientale

La filiera: segmento emissioni

Segmento emissioniSegmento emissioniEsperienza SSC

Controllo e verifica dei sistemi di monitoraggio

in continuo (DM 21.12.95)Parametri termotecnici

Portata fumiTemperatura fumiOssigeno nei fumi Parametri analitici

Anidride carbonica Monossido di carbonioOssidi di azoto (NO e NO2)

Anidride solforosaContenuto di umiditàNumero di Bacharach

Composti carbonilici specificiIdrocarburi Policiclici Aromatici (IPA)

Composti organici volatiliParticolato totale

PM 2.5 e PM10

Emissioni

Approvvigionamento


Conversione

Bioenergia

Bioprodotti

Trasporto


Pretrattamento

Approvvigionamento


Approvvigionamento


Conversione

Bioenergia

Bioprodotti

Trasporto


Pretrattamento

CeneriCeneri


La filiera: segmento ceneri

Segmento ceneriSegmento ceneriEmissioni Emissioni

Approvvigionamento


Conversione

Bioenergia

Bioprodotti

Trasporto


Pretrattamento

Approvvigionamento


Approvvigionamento


Conversione

Bioenergia

Bioprodotti

Trasporto


Pretrattamento

CeneriCeneri

Ceneri di biomasse da impianti di generazione elettrica

Ceneri di biomasse da impianti di generazione elettrica

Stima indicativa della QUANTITA’ di ceneri residue/potenza di generazioneStima indicativa della QUANTITA’ di

ceneri residue/potenza di generazionePotenza impianti

produz. EE biomasseTonnellate

Ceneri/anno

Italia 2002 200 MW 32000 - 56000Italia 2010 1500 MW 240000 - 420000

Base presunta= ~160-280 t ceneri/MW

DESTINAZIONEDESTINAZIONE


smaltimento/riutilizzosmaltimento/riutilizzo

La filiera: segmento ceneri

Ceneri da biomassaCeneri da biomassa

Smaltimento in discaricaSmaltimento in discarica

DESTINAZIONE


Riutilizzo/Riciclo (DM 05/02/98)

Riutilizzo/Riciclo (DM 05/02/98)

DESTINAZIONE

Costo ~4-5 cent €/kg

Recuperi ambientali

Cementifici/lateriziCompostFertilizzanti

Carattezzazione ceneri = f (utilizzo)


La filiera: segmento ceneri – uso agronomicoRiutilizzo sul suolo: FERTILIZZANTE

Ripristino parziale del materiale nutriente asportato con il prelievo biomassaRipristino parziale del materiale nutriente asportato con il prelievo biomassa

Caratteristiche rilevanti delle ceneri

Macro e micro nutrienti (Ca, K, P, Mg, Na,...) Composti / elementi di rilevanza ambientale

“Valutazione della fattibilita’ tecnico-economica dell’utilizzo delle ceneri da combustione di biomassa per la distribuzione agronomica su suoli agricoli o forestali” (Progetto BIOCEN, Regione Lombardia - DG Agricoltura)

“Valutazione della fattibilita’ tecnico-economica dell’utilizzo delle ceneri da combustione di biomassa per la distribuzione agronomica su suoli agricoli o forestali” (Progetto BIOCEN, Regione Lombardia - DG Agricoltura)

carenza di dati sistematici a livello nazionale

SSC collabora con CTI e altri soggetti coinvoltiINDAGINE SPERIMENTALE condotta su 5 impianti alimentati a biomassa legnosa:• Campionamenti a frequenza settimanale• Caratterizzazione biomassa e ceneri (SSC)• Determinazione di 21 elementi in biomassa, in ceneri da sottogriglia e in ceneri leggere (SSC)

SSC collabora con CTI e altri soggetti coinvoltiINDAGINE SPERIMENTALE condotta su 5 impianti alimentati a biomassa legnosa:• Campionamenti a frequenza settimanale• Caratterizzazione biomassa e ceneri (SSC)• Determinazione di 21 elementi in biomassa, in ceneri da sottogriglia e in ceneri leggere (SSC)


ImportanzaImportanza e sinergie nel rapporto biomassee sinergie nel rapporto biomasse--territorioterritorio

Slides 119-128


Condizioni per lo sviluppo filiera biomasse-energia

Ottimizzazione della filiera nel suo complesso Ridurre costi Massimizzare benefici

Localizzazione biomasse sul territorio

Condizioni al contorno

L’Ottimizzazione della filiera è legata a fattori sito-specificiL’Ottimizzazione della filiera è legata a fattori sito-specifici

Richiede specifica analisi territorialeRichiede specifica analisi territoriale



Ottimizzazione dei segmenti Ottimizzazione dei segmenti

approvvigionamentoapprovvigionamento

Raccolta/PretrattamentoRaccolta/Pretrattamento

TrasportoTrasporto

Stoccaggio/PretrattamentoStoccaggio/Pretrattamento

Utilizzo (conversione energetica)Utilizzo (conversione energetica)

EnergiaEnergiaEmissioni Emissioni Residui Residui



Prima barriera da superare: sicurezza approvvigionamentoPrima barriera da superare: sicurezza approvvigionamento

competizione con combustibili tradizionalicompetizione con combustibili tradizionali

Costi approvvigionamentoCosti approvvigionamento

competizione con usi diversi materia primacompetizione con usi diversi materia prima

Fattori di rischioFattori di rischio

approvvigionamentoapprovvigionamento

Disponibilità e regolarità materia prima

Disponibilità e regolarità materia prima

StagionalitàStagionalità

Diversificazione fontidisponibili sul territorio: bosco/ residui agroalimentari/residui industria legno/ pellet/colture dedicate (fattori climatici e pedologici locali)Ottimizzazione: MIX

Diversificazione fontidisponibili sul territorio: bosco/ residui agroalimentari/residui industria legno/ pellet/colture dedicate (fattori climatici e pedologici locali)Ottimizzazione: MIX

SicurezzaSicurezza

Ottimizzazione dei segmenti filiera: riduzione costi

Raccolta/PretrattamentoRaccolta/Pretrattamento

Stoccaggio/pre – post trattamentiStoccaggio/pre – post trattamenti

TrasportoTrasporto

Utilizzo (conversione energetica)Utilizzo (conversione energetica)

Meccanizzazione operazioni di raccoltaPretrattamento: es. sminuzzamento prima del trasporto(aumento densità)

Creazione di infrastrutture di accesso (strade, piste, ecc.) permigliorare accessibilità agli addetti, alle macchine e alle attrezzature = aumento produttività = riduzione costi trasporto

Ottimizzazione in funzione capacità impianto, caratteristiche e tempi di rifornimento materia prima (stagionalità), degrado biomassa (fermentazione). Costo terreno, opere consolidamento, copertura,.. Dispositivi per pre- o post-trattamenti (essicazione, densificazione materia prima)

Aumento efficienza energetica = Riduzione costi e emissioni evitate Cogenerazione (EE+calore);Opportunità locali di teleriscaldamento/teleraffrescamento

Interventi sito specificiInterventi sito specificiSegmenti filieraSegmenti filiera



Ottimizzazione dei segmenti filiera: massimizzare benefici

Sviluppo armonico della filiera: positive ricadute sul territorioSviluppo armonico della filiera: positive ricadute sul territorio

Riconversione, diversificazione e integrazione fonti di reddito nel settore agricolo (terreni set-side per coltivazioni non-food)

Creazione opportunità occupazionali Riforestazione di terreni marginali (controllo erosione e dissesto idrogeologico)e contrasto dei fenomeni di spopolamento e di degradoRazionalizzazione cure colturali boschive (prevenzione incendi) Valorizzazione economica dei sottoprodotti e residui organiciRisparmio costi depurazione e smaltimento dei residui agroindustrialie industriali

Ruolo essenziale di regioni e enti locali per conseguire obiettivi significativi di diffusione

Ruolo essenziale di regioni e enti locali per conseguire obiettivi significativi di diffusione

Sviluppo del potenziale locale e di innovazione mediante la promozione/incentivazione/divulgazione di progetti specifici in materia di ricerca-innovazione rispondenti alle esigenze locali coinvolgendo imprenditori agricoli, industriali e popolazione locale.


Le regioni: attività dimostrative/divulgative a forte caratterizzazione territoriale

Alcuni progetti del programma PROBIO (MIPAF, D.M. 20 dicembre 2000)

Basilicata Piano d’azione per il decollo delle filiere bioenergetiche

Emilia Romagna La filiera del biodiesel

Lombardia Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell’uso dei biocombustibili

Lombardia Impianti colturali a rotazione breve per la fitodepurazione dei reflui civili ed agricoli

Lombardia Forestazione a rotazione breve; energia dalla agricoltura-pellets

Piemonte Sviluppo distretti energetici con impiego di biomasse

Toscana Bioenergy farm project

Umbria Programma di sviluppo, dimostrazione, formazione e diffusione della filiera combustibili solidi

Valle d’Aosta Biogas in montagna

Veneto Programma BIOTER (biocombustibili a scala territoriale)

Veneto Sviluppo della filiera dei biocombustibili

Fonte: Seminario “Le filiere bioenergetiche”- MIPAF , aprile 2001


Le regioni: Produzione elettrica

Produzione energia elettrica lorda da impianti a biomasse e rifiuti SardegnaSiciliaCalabriaBasilicataPugliaCam

paniaMoliseAbruzziLazio

MarcheUm

briaToscanaEm

ilia Romagna

LiguriaFriuli-Ven.GiliaVenetoTrentino-AALom

bardiaValle d’AostaPiem

onte

0

2 0 0

4 0 0

6 0 0

8 0 0

1 0 0 0

1 2 0 0

1 4 0 0

GW

h

Italia 2002

per regioneper regione

Fonte GRTN

Biomasse e Territorio

Previsioni al 2005-2015: incremento significativo produzione elettricità e calore da Biomassa

Previsioni al 2005-2015: incremento significativo produzione elettricità e calore da Biomassa

Biomasse per Settori di Utilizzo Finale

0

1000

2000

3000

2000

2001

2002

2003

2005

2010

2015

ktep

Elettrico Civile Industriale/agricolo Trasporti

Fonti: GRTN e UP


BIOMASSE: sinergia totale bioenergia-territorio-ambiente


Fonte: http://cr.middlebury.edu/es/altenergylife/sbiomass.htm

Documents

Biomass Panoramic A