Produzione di energia da biomasse

Produzione di energia da biomasse
Prof. Roberto Bettocchi
Ordinario di sistemi per l’energia e l’ambiente
Dipartimento di Ingegneria - Università degli Studi di Ferrara
Produzione di energia da biomasse
La ricerca presso l’Università di Ferrara
• Collaborazione in strutture di ricerca
- Centro per l’Agricoltura di Pianura dell’Università di
Ferrara
- Laboratorio regionale di rete ERG
•Ottimizzazione del sistema energetico
•Sperimentazione (impianto pilota)
• Analisi termofluidodinamiche numeriche sul combustore
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Introduzione alle biomasse
• Convertire colture dall’agroalimentare all’agroenergetico:
- 15% terreni agricolo da destinare al no food;
- riduzione supporto EU al settore bieticolo saccarifero.
• Aspetti correlati da affrontare:
- tipi di colture per produrre biomassa;
- processi di trasformazione delle biomassa in prodotti no food
e/o in combustibile;
- sistemi energetici;
- residui fertilizzanti (azoto, fosforo, potassio);
- interazione con l’ambiente (emissioni gassose, metalli pesanti);
- valore economico dei beni prodotti (energia elettrica, energia
termica, CV, CB).
Biomasse da bruciare ?
•Utilizzo energetico più semplice delle biomasse tramite la
combustione diretta: essiccazione , triturazione.
•Rilevanti emissione gassose e di polveri, specie ai carichi
parziali.
•Trasformare le biomasse in combustibili liquidi o gassosi per
sviluppare una migliore combustione ed effettuare un migliore
delle emissioni anche ai carichi parziali.
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Limiti dell’energia da biomasse
Le biomasse derivate da colture, possono rappresentare un valido
supporto all’agricoltura e fornire un significativo contributo
energetico.
I limiti alla produzione di energia da biomasse possono essere:
- disponibilità non elevata delle materie prime, se non in zone
particolari (utilità nel consorziare gli agricoltori > produttori);
- convenienza alla conversione di terreni solo in aree circostanti
quelle in cui si trova il sistema energetico;
- costi di produzione dell’energia ancora elevati. Impianti di
produzione di energia di taglia medio-piccola, inferiore ai 20 MW,
efficienze piuttosto basse (20 ÷ 25 %) (le varie tecnologie
necessitano ancora di una estesa sperimentazione sul campo).
Processi di trasformazione
della biomassa in combustibile
• Termochimici - basati sull’azione del calore (per biomasse con
rapporto carbonio/azoto C/N<30 e umidità<30%):combustione,
co-combustione, pirolisi, carbonizzazione, gassificazione.
• Biochimici - basati su reazione chimica dovuta al contributo di
enzimi, funghi, micro-organismi (per biomasse con rapporto
carbonio/azoto C/N>30 e umidità>30%):digestione anaerobica,
digestione anaerobica.
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Sistemi energetici
• Sistemi energetici rivolti alla mini/microgenerazione
ƒ Motori a combustione interna
ƒ Turbine a gas
ƒ Cicli a fluido organico ORC (anche combinati gas/vapore)
ƒ Sistemi innovativi (Stirling, ecc.)
• Orientamento verso le microturbine a gas, in cogenerazione
9 versatili e integrabili anche in trigenerazione con frigoriferi ad
assorbimento
9 emissioni ridotte rispetto ai MCI
9 manutenzione più “snella”
Flussi di energia e prodotti
b io m a s s a
p r o d o t ti n o f o o d :
p r o t e in e , a m i d i ,…
p ro c e sso d i
tra s fo rm a z io n e
c o m b u s t il e
s is t e m a e n e r g e t i c o
( m o t o re a c .i ., tu rb o g a s , … .)
g r u p p o f r ig o r i f e r o
a d a s s o r b i m e n to
e n e r g ia t e r m i c a
e n e r g ia e le tt r ic a
u ti li z z a to r i
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Necessità della realizzazione di un modello complessivo
della filiera della biomassa
Colture/prodotti no food/energia
Per gestire una scelta oggettiva di:
- tipi di colture;
- processi trasformazione di prodotti no food/combustibili;
- sistemi energetici;
occorre individuare le migliori configurazioni impiantistiche
rispetto allo specifico contesto,
effettuare l’ottimizzazione globale dell’insieme dei processi di
trasformazione dell’intera filiera energetica mediante l’uso di
modelli di calcolo.
Necessità di un modello complessivo di
simulazione della filiera
Conversione di colture
agroalimentari in agroenergetiche e per prodotti no food
Filiera
“COLTURE/PRODOTTI NO FOOD/ENERGIA”
Aspetti correlati da affrontare:
•tipi di colture per produrre biomassa;
•processi trasformazione biomassa in prodotti no-food e combustibile;
•sistemi energetici;
•consumo energetico di ogni fase;
•iterazione con l’ambiente;
•valore economico beni prodotti (elettricità, calore, no food, …)
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Modello di simulazione biomasse/energia
Possibili obiettivi da perseguire:
- Massimizzare la produzione di energia
- Minimizzare il consumo energetico
- Minimizzare l’impatto ambientale
- Minimizzare il tempo di ritorno
dell’investimento
Modello di simulazione biomasse/energia 1
1. PRODUZIONE (colture energetiche)
Tipologie
-Piante e residui oleaginosi (colza, girasole, soia)
-Piante e residui saccarini e aminoacidi
(canna da zucchero, barbabietole,
sorgo, substrati amidacei, substrati lignocellulosici)
-Piante e residui vegetali putrescibili (mais ceroso,
barbabietole, reflui e scarti vegetali)
-Piante e residui lignocellulosici
(legno, scarti agricoli, pellets)
Volumi e disponibilità
Caratterizzazione organica ed energetica
Metodologie produttive
Logistica e trasporto
Tecnologie
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Modello di simulazione biomasse/energia 2
2. TRASFORMAZIONE(processo di conversione)
Tipologie
-Estrazione: BIODIESEL
-Fermentazione alcoolica: BIOETANOLO
-Digestione anaerobica: BIOGAS
-Gassificazione: GAS
-Pirolisi: OLIO
-Carbonizzazione: CARBONE
-Combustione diretta e CoCombustione
Efficienza volumetrica e temporale
Valutazione proprietà chimico/fisiche
Depurazione e trattamento
Contenimento delle emissioni
Tecnologie e Manutenzione
Sfruttamento sottoprodotti
Modello di simulazione biomasse/energia 3
3. CONVERSIONE ENERGETICA (sistema energetico)
Impiego
- generazione di energia elettrica e termica
- cogenerazione
- trigenerazione
- autotrazione
Tipologie
- motore a combustione interna
- turbine a gas
- CHP
- fuell cell
- veicoli a combustibili alternativi
Individuazione della taglia
Manutenzione e diagnostica funzionale
Controllo
Contenimento delle emissioni
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Applicazione del modello alla digestione
anaerobica
ENERGIA ELETTRICA
- produzione continua / intermittente
- autoconsumo di energia
• energia elettrica
effettiva
• consumo elettrico
ausiliari
biomassa → biogas
CALORE
- autoconsumo
- utenza termica
UTENZA TERMICA
Autoconsumo
in digestione anaerobica
Il biogas consente di realizzare combustioni con ridotti
valori delle emissioni gassose: ceneri, NOx, CO
Applicazione modello alla digestione anaerobica:
il caso RECUPERA di Ostellato
Percolato di recupero
Sistema Energetico
Accumulo
Pressatura
Biogas
Digestione Anaerobica Batch
RSU
Miscelazione
Reflui
Fase secca
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Potere calorifico dei combustibili da biomasse
(combustione)
• GASOLIO
42120 kJ/kg
• Etanolo da mais
≈ 32000 kJ/kg
• Granella o pellet (da mais)
≈ 17000 kJ/kg
• Paglia grano 10 % umidità
≈ 15000 kJ/kg
• Sorgo (fibra)
≈ 10500 kJ/kg
• Cippato
• pioppo 25 % umidità
≈ 12000 kJ/kg
• pioppo 35 % umidità
≈ 10000 kJ/kg
• pioppo 50 % umidità
≈ 7000 kJ/kg
• faggio 25 % umidità
≈ 12500 kJ/kg
Impianti a biogas
OPPORTUNITA’
‰ Utilizzo di scarti agroindustriali come combustibile a costo ridotto
‰ Vendita diretta/auotconsumo dell’energia elettrica prodotta
‰ Il prezzo dell’energia elettrica dovrebbe aumentare
‰ I CV hanno durata di 8 anni (prolungabile a +4)
RISCHI
¾ Problemi tecnici possono ridurre la potenzialità
¾ La vendita del calore a bassa temperatura (80 °C) non è certa
¾ Il prezzo della materia prima riconosciuto agli agricoltori potrebbe non
essere remunerativo se la produttività è bassa
¾ Smaltimento del materiale non digesto (circa 20 %)
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Alcune valutazioni economiche sulla produzione
di energia da biomasse
Costo colturale:
confronto fra mais da granella e ceroso
SILOMAIS GRANELLA
Resa [t/ha]
70
10
Prezzo di vendita [€]
20
120
Ricavo [€/ha]
1400
1200
Costo operazioni colturali [€/ha]
460
500
Costo mezzi tecnici [€/ha]
440
540
Costo trasporti (= 5 €/t) [€/ha]
350
50
Costo essiccazione (= 12 €/t) [€/ha] -
120
Totale costi [€/ha]
1250
1210
Reddito lordo [€/ha]
150
40
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Conversione biologica: fermentazione
Fonte: Atti Convegno “Energia Rinnovabile da biomassa”, Ravenna, 1 febbraio 2006
Resa annua 1 ha di granella di mais
10 t/ha
Etanolo prodotto per t di mais
300 kg/t
Potere calorifico inferiore etanolo
32647 kJ/kg
Energia termica da combustione di etanolo
27 MWh/ha
Rendimento sistema energetico
0.3
Energia elettrica producibile
8162 kWh/ha
Energia termica producibile (IUC)
9530 kWh/ha
Costo impianto etanolo
> 40 M€ (alto!)
Remuneratività impianti: confronto fra impianti
a biogas (silomais) e a bioetanolo
Resa annua media di un ettaro a mais
biogas
bioetanolo
50 t/ha
10 t/ha
Nm3/t
Quantità di prodotto per tonnellata di mais
160
Quantità di prodotto per ettaro
8000 Nm3/ha
3000 kg/ha
300 kg/t
Potere calorifico inferiore
19700 kJ/ Nm3
26800 kJ/kg
Rendimento del sistema energetico
0,30
0,30
Energia elettrica producibile per ettaro
13133 kWh/ha
6700 kWh/ha
Energia termica utile producibile per ettaro
(IUC=0,65)
15122 kWh/ha
7816 kWh/ha
Ricavo (vendita energia elettrica + CV)
0,206 €/kWh
0,206 €/kWh
Ricavo da energia elettrica per ettaro
2705 €/ha
1380 €/ha
Ricavo dalla vendita del calore utile
0,02 €/kWh
0,02 €/kWh
Ricavo da calore utile per ettaro
302 €/ha
156 €/ha
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Ulteriori ricavi
biogas
bioetanolo
Quantità di proteine prodotte per tonnellata di mais
/
95 kg/t
Quantità di proteine prodotte per ettaro
/
950 kg/ha
Ricavo dalla vendita delle proteine come farine per mangimi
/
400 €/t
Ricavo dalle proteine per ettaro
/
380 €/ha
RICAVO TOTALE
3007 €/ha
1916 €/ha
Costi
biogas
etanolo
Impianto di stoccaggio, di fermentazione
2500 €/kW
Sistema energetico con global service turbina a gas di piccola taglia
1.100 €/kW
1.100 €/kW
?
Sistema energetico con global service motore a combustione interna
800 €/kW
800 €/kW
Potenza installabile per 100 ha (8000 h/anno)
Biogas:
164 kW
Etanolo:
102 kW
Produzione di energia da biomasse
Prof. Roberto Bettocchi
Ordinario di sistemi per l’energia e l’ambiente
Dipartimento di Ingegneria - Università degli Studi di Ferrara
Laboratorio Regionale di Rete per l’Energia ERG
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L’impianto pilota di Ostellato (FE) - previsione
Portata purea
30.000 t/anno
Capacità digestore 200 m3
Numero digestori
14 (12 necessari + 2 di riserva)
Produzione biogas 60÷70 m3/trifiuto
Durata carico
2 giorni
Tempo di stazionamento
24 giorni Durata ciclo
28 giorni
Durata scarico
2 giorni
“Sfasamento” digestori
2 giorni
Utilizzo portata
90 % trattamento
10 % ricircolo
Resa (cautelativa)
1 Nm3biogas / 15 kgpurea
Produzione biogas 2.000.000 Nm3biogas / anno
Potere calorifico
2.47 kWh/ Nm3biogas (60% CH4)
Potenza termica disponibile 564 kW
Il Certificato Verde CV
• Certificati verdi (Decreto Bersani, 16 marzo 1999)
- obbligo di immettere in rete energia (2%) da fonte rinnovabile
- possibilità di produrre energia o comprare CV (validi 1 anno)
- taglia minima impianto: 100 MWh (50 MWh dal 2004)
- Prezzo medio CV al 30/01/06:
0.09 €/kWh (IVA inclusa)
- Remunerazione media vendita energia (anno 2005)
0.08 €/kWh
Curiosità:
Prezzo di
vendita
dell’energia
0.17 €/kWh
il “costo” per le tonnellate di CO2 emesse oltre la
quota di emissioni assegnate all’Italia è di 26.7 €/ton.
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Produzione lorda degli impianti in Italia
Fonte GRTN – anno 2004 – dati in MW
La trasformazione della biomassa in biogas fornisce un combustibile
che può essere utilizzato con maggiore efficienza
600
P
[MW]
568
SOLIDI
BIOGAS
511
450
300
230
150
31
0
Rifiuti solidi urbani
Rifiuti solidi urbani
Colture e rifiuti agro-alimentari
Colture e rifiuti agro-industriali
Possibili configurazioni impiantistiche
Biogas
• Digestione anaerobica in mesofilia (32-34
°C) per circa 25 giorni
• Composizione: 50-60% CH4, 30-40% CO2
Gas da discarica
• Maturità
della discarica: 15-25 anni
• Composiz.: 45-65% CH4, 25-35% CO2, 10-20% N2
• 1 ton di materiale da discarica produce 150-200
Nm3 di gas (= 100 l di olio combustibile)
Gas di recupero
• Processi
industriali
• Pirolisi di materiale ligneo
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