La produzione di energia da biomasse Bilancio energetico di un

La produzione di energia da biomasse Bilancio energetico di un

La produzione di energia da biomasse
Bilancio energetico di un impianto a combustione
Costante M. Invernizzi
[email protected]
San Paolo (BS), 29 maggio 2010
Outline
1 La biomassa
2 La utilizzazione energetica della biomassa
3 Gli apparati degli impianti a combustione
4 Alcuni esempi
La biomassa
Definizione
E’ considerata biomassa:
tutta la materia organica risultante da organismi viventi.
Escludendo però
• i combustibili fossili.
• le sostanze volatili accumulate
in atmosfera (metano,
idrocarburi vari) in seguito alla
degradazione di sostanze
organiche.
La biomassa
Caratteristiche
Un primo fondamentale parametro è
⇒ l’umidità
Di solito un contenuto d’acqua del
≈ 50% corrisponde al limite di utilizzabilità per combustione. Però è
possibile oltrepassare il limite mediante particolari accorgimenti. Per
esempio:
• biomassa: PCIssv ≈20
MJ/kg
• carbone: PCI ≈30
MJ/kg
———
ssv = sostanza secca volatile
• essicazione
Il contenuto energetico della biomassa dipende anche
⇒ dalla specie del legno utilizzato
La biomassa
Caratteristiche
CONTENUTO ENERGETICO DEL LEGNO (DI BETULLA) A
DIVERSI VALORI DI UMIDITA’
Umidità (%)
Potere Calorifico (MJ/kg)
10
30
50
70
80
18.46
16.13
9.14
4.48
2.15
1.00
0.87
0.50
0.24
0.12
La biomassa
Utilizzazione energetica, I
UTILIZZAZIONE ENERGETICA:
trasformazione del contenuto energetico (di natura chimica: il potere
calorifico) della biomassa in una
forma di energia utilizzabile.
biomassa+carbone: Studstrup
Power Station (DK)
• energia termica (riscaldamento)
• energia elettrica (vettore
energetico molto efficiente)
• in un combustibile: solido
(carbone vegetale), gassoso
(syngas), liquido
Motrice con gassogeno (anni
1930-1945)
La biomassa
Utilizzazione energetica, II
I PROCESSI DI CONVERSIONE
Termochimici
• combustione
• gassificazione
• pirolisi
Biologici
• digestione anaerobica
• fermentazione
Chimici: trasformazione in combustibili
La combustione delle biomasse
Gli apparati
IL SISTEMA DI COMBUSTIONE 3 sistemi con trasporto
pneumatico con
combustione rapida in
sospensione aerea di un
combustibile pulverulento
(p.e. segatura di legno)
4 sistemi a letto fluido
(bollente o trascinato)
1 sistemi con alimentazione
dal basso
2 sistemi con griglia, fissa o,
preferibilmente, mobile
La combustione delle biomasse
Il combustibile
Le caldaie a biomassa di dimensioni medie e grandi (≥ 1 MW) utilizzano combustibile legnoso a ridotta granulometria:
• si evita l’utilizzo di idrocarburi in
supporto
• miglior combustione (minori
emissioni nocive)
• si possono utilizzare sistemi di
caricamento automatici
Il cippato è un prodotto legnoso formato da
scaglie (dimensione 5-50
mm) prodotte per taglio
La combustione delle biomasse
Gli apparati, I
DAI PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE ALLA ENERGIA
ELETTRICA
L’energia termica prodotta dalla combustione si ritrova nel gas ad
alta temperatura risultante dalla combustione stessa (salvo per la
frazione scambiata direttamente per irraggiamento). La produzione
di energia elettrica richiede che l’energia termica sia ceduta ad un
opportuno fluido che percorra un ciclo termodinamico in grado di
produrre potenza
La combustione delle biomasse
Gli apparati, II
IL CICLO TERMODINAMICO
Il motore che effettua la trasformazione termodinamica della
energia termica proveniente dalla combustione della biomassa in
energia utile (elettrica) tipicamente è un motore che utilizza un
vapore ed è costituito da alcuni componenti (indispensabili)
• espansore
• alternatore
• condensatore
• pompe (estrazione del condensato e alimento della caldaia)
La combustione delle biomasse
Gli apparati, III
IL SISTEMA DI CONVERSIONE
Del calore deve essere scaricato in ambiente (non si può convertire
interamente il potenziale energetico del combustibile in lavoro
utile). Il calore di “scarto“ può in parte essere utilizzato, per
esempio, per teleriscaldamento.
La combustione delle biomasse
Gli apparati, IV
LA PRODUZIONE DI POTENZA
La soluzione tradizionale è la cessione
diretta ad un flusso di acqua evaporante in una caldaia a vapore. Il
vapore realizza il ciclo Rankine.
• evaporazione a 30-80 bar (per
potenze fra 5 e 50 MW)
in alternativa,
con
• riscaldamento diretto del fluido
di lavoro da parte dei gas caldo
oppure
• adozione di un circuito
intermedio
percorso da un fluido opportuno per il trasporto del
calore.
La combustione delle biomasse
Gli apparati, V
LA PRODUZIONE DI POTENZA
(a) schema semplficato di un
impianto a ciclo Rankine a
vapore d’acqua
(b) schema di un impianto a ciclo
Rankine con fluido di scambio
termico intermedio
Per le potenze modeste (inferiori a 12 MW si preferisce utilizzare quale
fluido di lavoro, in luogo del vapor
d’acqua, un fluido organico (ORC Organic Rankine Cycle).
La combustione delle biomasse
Gli apparati, VI
L’ESPANSIONE DEL VAPORE (ad alta
pressione e temperatura) avviene
• in turbine
• in macchine volumetriche
Durante l’espansione l’energia termica (di pressione
e temperatura) si trasforma in energia meccanica e poi, per mezzo di
un alternatore, in energia
elettrica.
La combustione della biomassa
I consumi
Con riferimento al caso (*)
Per ogni kWh elettrico
generato
• 4.67 (= 0.7/0.15)
kWh termici
recuperati
• 6.67 (= 1/0.15) kWh
termici forniti dal
combustibile
⇒ 1.33 kg di biomassa
(= 6.67/5)
(potere calorifico:
MJ/kg = 5 kWh/kg)
18
Alcuni impianti realizzati
Impianto CHP a Lienz (A), I
• una caldaia a biomassa da
7000 kW (acqua calda)
• una caldaia a biomassa da
6000 kW (olio diatermico)
per
• ciclo termodinamico ORC da
1000 kW elettrici
L’impianto è operativo dal 2001
• 60000 MWh/a di energia
termica dalla combustione di
biomassa
• 250 MWh/a di energia
termica dalla energia solare
• 7200 MWh/a di energia
elettrica dalla biomassa
Alcuni impianti realizzati
Impianto CHP a Lienz (A), II
Alcuni impianti realizzati
Impianto CHP a Tirano (I), I
• una caldaia a biomassa da 8
MW (olio)
• potenza termica nominale
olio per ORC: 6.2 MW
• potenza elettrica nominale
ORC: 1.1 MW (η = 18%)
Schema semplificato della caldaia a
biomassa e del motore ORC
L’impianto CHP è operativo dal
2003
• 2 x 6 MW caldaie a
biomassa (acqua calda)
Alcuni impianti realizzati
Impianto CHP a Tirano (I), I
B perdita dovuta alla bassa
temperatura dell’olio
(250-300 ◦ C) (≈24%)
C, D lavoro (exergia) perso sulle
macchine (turbina e pompa:
≈4%) (scambiatori di
calore: ≈9%)
Analisi di Secondo Principio per
il motore ORC a Tirano
A perdita ineludibile per
combustione (≈50%)
(1000-60 ◦ C)
E exergia (lavoro) utile. Con
riferimento alla capacità
iniziale del combustibile di
produrre lavoro in modo
ideale: 15%
L’uso della biomassa per la produzione di energia
Osservazioni conclusive, I
L’uso della biomassa per la produzione di energia ben si presta alla
realizzazione di piccole centrali CHP distribuite. Quanto meno:
• si riducono i costi di trasporto del combustibile
• si fornisce energia elettrica e calore dove servono
• si valorizza il ruolo delle aziende agricole locali
Le tecnologie disponibili:
• combustione motore o turbina a vapore, turbina con fluido
organico, motore Stirling
• produzione di combustibili liquidi o gassosi motori a
combustione interna, anche le celle combustibili
(potenzialmente, in futuro)
L’uso della biomassa per la produzione di energia
Osservazioni conclusive, II
Esiste una notevole attenzione degli organi europei alla diffusione
dell’uso delle energie rinnovabili nella produzione di energia.
Sull’uso della biomassa, in particolare.
1
REPORT FROM THE COMMISSION TO THE COUNCIL
AND THE EUROPEAN PARLIAMENT on sustainability
requirements for the use of solid and gaseous biomass sources
in electricity, heating and cooling, 2010
2
DIRETTIVA 2009/28/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO E
DEL CONSIGLIO del 23 aprile 2009 sulla promozione dell’uso
dell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva
abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE
L’uso della biomassa per la produzione di energia
Osservazioni conclusive, III
Il governo italiano favorisce la realizzazione di impianti per la
produzione della energia da fonti rinnovabili.
• Bando per l’erogazione del contributo finalizzato alla
realizzazione di impianti connessi alla produzione di energia da
biomasse pubblicato in data 16 febbraio 2010,
L’energia elettrica prodotta viene incentivata
1
con il rilascio dei certificati verdi, oppure
2
con una tariffa agevolata onnicomprensiva
http://www.gse.it/attivita/IncentivazioniFontiRinnovabili/Pagine/default.aspx
M. Gaia
Processi e tecnologie per la produzione di energia da biomasse.
Tecnologie e prospettive della produzione di energia da biomasse. Corso di
Aggiornamento, Politecnico di Milano, 20-22 novembre 2006.
L. Panozzo
Le moderne tecnologie di produzione e distribuzione di energia termica ed
elettrica negli impianti alimentati a biomassa.
Presentazione ad un convegno, Marcena di Rumo, Venerdı̀ 11 marzo 2005.
G. Cornetti
Macchine termiche
Edizioni il Capitello, Torino, 1991.
I. Obernberger, P. Thonhofer, E. Reisenhofer
Description and evaluation of the new 1000 kWel Organic Rankine Cycle
process integrated in the biomass CHP plant in Lienz, Austria
Euroheat and Power, Volume 10, 2002.
R. Bini, A. Duvia, A. Schwarz, M. Gaia, P. Bertuzzi, W. Righini
Operational results of the first biomass CHP plant in Italy based on an
Organic Rankine Cycle turbogenerator and overview of a number of plants
in operation in Europe since 1998
from: http://www.turboden.com