Produzione di energia da biomasse
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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 1 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. 2 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. 3 Sistemi energetici • Sistemi energetici rivolti alla mini/microgenerazione Motori a combustione interna Turbine a gas Cicli a fluido organico ORC (anche combinati gas/vapore) 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 4 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, …) 5 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 6 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 7 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 8 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 %) 9 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 10 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 11 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 12 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. 13 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 14