ENERGIA DA BIOMASSE

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ENERGIA DA BIOMASSE

ENERGIA DA BIOMASSE
VANTAGGI
• non ha rischi di estrazione e trasporto
• piccoli impianti a carattere locale non hanno costi di
produzione e trasporto (fino a 1000 kW)
• emissioni di CO2 equivalenti o inferiori alla quantità
riassorbita dalle piante per l’accrescimento, con effetto
complessivo nullo o positivo (carbon-negativo)
• riutilizzo dei reflui nel settore agricolo
SVANTAGGI
• competizione con l’agricoltura per il terreno e l’acqua
• deforestazione
• inquinamento legato al trasporto
CHIMICA FISICA AMBIENTALE – II parte – 2011/2012
Dr.ssa Chiara Baldacchini
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CICLO DELLE BIOMASSE
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ENERGIA DA BIOMASSE
Il termine biomassa designa ogni sostanza organica di origine vegetale o animale, da
cui attraverso processi di tipo termochimico, biochimico o processi degenerativi sia
possibile ottenere energia.
COMBUSTIBILI A BIOMASSA
• Legnosi: acero gentile e pioppi a rapido accrescimento (short rotation
forestry), da coltivare in zona collinare o da cippatatura di sottobosco.
• Liquidi: olio grezzo da girasole ed altri prodotti.
• Alcoolici: barbabietola ecc.
• Biogas: culture vegetali come mais, silomais, colza, sorgo, girasole, erba
medica, barbabietola, miscelate a scarti di lavorazione come olio, grasso,
sangue, carniccio, liquami zootenici, scarti di prima lavorazione di prodotti
agricoli da olive, uva, barbabietole, pomodoro e frutta in genere.
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FILIERA
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EFFICIENZA degli IMPIANTI
Combustione impianti per biomasse legnose:
potere calorifico della biomassa vergine introdotta: 2,9 kW/kg
caldaie di recupero e turbine
rendimento elettrico 17-23%
Impianti per biomasse liquide:
potere calorifico del combustibile introdotto: 9,8 kW/kg
Motore diesel
rendimento elettrico 40%
Impianti per biomasse alcooliche:
potere calorifico del combustibile introdotto: 7,2 kW/kg
Motore ciclo Otto
Impianti fermentazione:
potere calorifico inferiore del biogas introdotto: 5,2 kW/mc
Motore a ciclo Otto
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Resa ed Energia prodotta per Ettaro
Biomasse solide
resa per ettaro: 15 t/ha di cippato pari 43500 kWh/anno
energia prodotta: 8.700 kWh/ha anno
Biomasse liquide
resa per ettaro: 0,81 t/ha di olio grezzo pari a 7398 kWh/anno
Biomasse alcoliche
resa per ettaro: 10 t/ha di alcool pari a 72000 kwh/anno
Biogas
resa per ettaro :12.600 mc/ha di biogas pari a 66400 kWh/anno
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BIOMASSE vs COMBUSTIBILI FOSSILI
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CENTRALE A BIOMASSE LEGNOSE
http://www.ingsavino.altervista.org/centrale_biomassa.html
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CENTRALE A BIOMASSE
Nel 2007 il comune di Barbarano Romano ha autorizzato la costruzione di una centrale per la
produzione di energia elettrica a calore, alimentata a biomasse vegetali e legnose, in combinazione
con il solare termodinamico o fotovoltaico per una potenza di dieci megawatt. Un impianto destinato
a bruciare circa 130mila tonnellate di biomasse l'anno, al ritmo di quindici tonnellate l’ora. Non
appena nel paese si è sparsa la notizia della delibera, è scoppiata la protesta dei residenti e il
progetto è stato bloccato.
Nel 2011 è stata proposta la costruzione di una centrale a biomassa nel Comune di Caprarola. Il
programma di funzionamento prevede due principali campagne: una utilizza gusci di nocciole da
marzo fino a settembre con un fabbisogno stimato di circa 3.500 t di gusci di nocciole (il 15% dei
gusci disponibili nella Provincia di Viterbo), e una di utilizzo del cippatino essiccato di sarmenti di
nocciolo (stima: 3.250 t), durante il periodo della potatura da ottobre a febbraio.
La costruzione dell’impianto presso un’azienda di nocciolicoltori, abbatte i costi e l’inquinamento
legati al trasporto dei noccioli.
L'impianto non effettuerà una combustione della biomassa solida ma la trasformerà in gas
attraverso un processo termochimico in depressione. il gas di sintesi alimenta un motore
endotermico ad alta efficienza che attraverso una combustione magra contiene le emissioni di
ossidi di azoto e attraverso l'utilizzo di un sistema catalizzatore riduce le emissioni di monossido di
carbonio. Un potente sistema di abbattimento delle polveri già nella fase di pulizia del gas di sintesi,
riduce a poche decine di mg/h le emissioni di polveri. In pratica, inquinano di più tre grosse caldaie
a gusci domestiche.
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CENTRALE A BIOGAS
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Resa ed Energia prodotta per Ettaro
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CENTRALI A BIOGAS AGRICOLE
▼ Potenza elettrica nominale: 500 kWe
▼ Potenza termica utilizzata: 250 kWt
▼ Ore di funzionamento annue: 8.000 h elettrica; 2.000 h termica
▼ Produttività elettrica media annua: 4.000 MWh
▼ Recupero termico medio annuo: 500 MWh (usi termici
dell’azienda e termoregolazione del digestore)
▼ Destinazione dell’energia elettrica: vendita al gestore della rete
nazionale
▼ Destinazione dell’energia termica: autoconsumo
▼ L’ impianto di digestione anaerobica presso l’Azienda Bruni è in funzione dall’agosto 2009.
▼ I digestori anaerobici sono alimentatati con un mix di matrici organiche di provenienza aziendale, per la
maggior parte, e da filiera corta per la restante.
▼ Il biogas è prodotto in regime mesofilo (circa 40°C), il riscaldamento dei digestori è ottenuto grazie al recupero
del calore di raffreddamento dei generatori di elettricità e mantenuto da un efficiente sistema di coibentazione dei
reattori.
▼ Il tempo di permanenza della biomassa nei reattori (ritenzione idraulica) è in media 50 giorni.
▼ Il biogas prodotto viene raccolto in due gasometri da 400 m3 ciascuno, quindi sottoposto ad un processo di
“pulizia” chimica (deumidificazione), fisica (raffreddamento e filtrazione) e biologica (desolforazione batterica).
▼ Il biogas, con un contenuto di metano del 55-60%, va ad alimentare due motori Scania a punto fisso da 250
kWe ciascuno per la produzione di energia elettrica e termica.
▼ L’energia elettrica viene ceduta alla rete di trasmissione nazionale tramite il collegamento alla centralina di
media tensione limitrofa all’azienda. Nel primo anno di vita l’impianto ha operato per 8.000 ore circa, con una
produzione di 4.000 MWh.
▼ L’energia termica, sotto forma di acqua calda a 85°C, è prodotta recuperando il calore di raffreddamento dei
generatori e dei fumi di scarico.
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CENTRALI A BIOGAS da RSU
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ENERGIA EOLICA
VANTAGGI
• non ha rischi e/o costi di estrazione e
trasporto
• non ha emissioni
SVANTAGGI
• fonte intermittente
• fonte non omogeneamente distribuita
• necessita di una linea di distribuzione
• alto impatto ambientale
• bassa produzione di energia per ettaro
•
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ENERGIA EOLICA
Si tratta di una fonte rinnovabile che trae origine dai movimenti delle masse
atmosferiche: è in effetti una forma di energia legata all’irraggiamento solare che
raggiunge il nostro pianeta. Circa il 2% dell’energia solare che raggiunge la terra è
convertita in vento.
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CARATTERISTICHE OPERATIVE
Velocità di inserzione Cut-in Speed
E’ la minima velocità del vento alla quale le pale si mettono in rotazione per generare
potenza utile. Generalmente si colloca tra i 10 e i 15 km/h (3-5 m/s).
Velocità di generazione nominale Rated Speed
E’ la minima velocità del vento alla quale la turbina è in grado di fornire la potenza
nominale. Ad esempio, una turbina da 10 kW non produce 10 kW fintantoché la velocità
del vento non è di 40 km/h. Normalmente è una velocità compresa tra 40 e 55 km/h.
A velocità di vento comprese tra la velocità di cut-in e la rated speed, la potenza erogata
aumenta con la velocità del vento. Oltre la rated speed l’erogazione di potenza si
appiattisce.
Velocità di disinserimento Cut-out Speed
A velocità comprese tra i 70 e i 120 km/h la maggior parte delle turbine deve essere
arrestata per prevenirne il danneggiamento. Questo può avvenire tramite un freno
automatico, oppure modificando l’angolo di incidenza delle pale (stallo o ammainaggio),
o attraverso flaps azionati automaticamente.
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POTENZA EOLICA
Per risultare economicamente vantaggiosa una
installazione eolica dovrebbe essere sottoposta
ad una velocità media di vento di circa 20 km/h.
La disponibilità di energia fornita dal vento
dipende dall’energia cinetica della massa d’aria:
Ec = 1/2 m × v2
da cui la potenza ottenibile (Q è la portata d’aria)
P = 1/2 Q× v2 = 1/2 ρ × A × v3
dove A è la sezione di deflusso (l’area
intercettata dal rotore dell’installazione eolica)
Nella pratica la dipendenza è anche legata
all’efficienza della turbina eolica che non è
costante con la velocità.
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DENSITA’ DI POTENZA EOLICA
Un parametro importante è la densità di potenza eolica (P/A):
D = 1/2 ρ × v3
che non dipende più dalle caratteristiche del rotore.
Ad esempio, con un vento da 15,0 km/h (4,17 m/s), ρ(15°C, 1 atm) = 1,292 kg/m3
D = 0,646 × (4,17)3 = 46,7 W/m2
Con un vento da 20 km/h (5,55 m/s):
D = 0,646 × (5,55)3 = 110,7 W/m2
Non è possibile calcolare D media annuale a partire da v media annuale. La
dipendenza non è lineare:
sito 1: v media = 20 km/h v = cost = v media => D media = 110,7 W/m2
sito 2: v media = 20 km/h, ma v=15 km/h per metà tempo e v=25 km/h per l’altra metà:
D = D (15)/2 + D (25)/2 = 46,7/2 + 216,3/2 = 131,5 W/m2
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RENDIMENTO
Il flusso d’aria che fa funzionare la turbina eolica cede la propria energia cinetica. Per
convertire tutta la potenza disponibile in energia meccanica il rotore dovrebbe ridurre a
zero la velocità dell’aria, cessando di lavorare. Si dimostra che il limite teorico massimo
è pari al 59% (16/27).
Nella pratica valori tipici di efficienza sono dell’ordine del 35% - 45%.
Il sistema eolico completo, incluso il sistema di trasmissione, il generatore, il sistema di
accumulo e gli ausiliari è in definitiva caratterizzato da un rendimento compreso tra il
10% e il 30% dell’originaria disponibilità di energia eolica.
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DISTURBI ACUSTICI
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FUNZIONAMENTO
IL VENTO PASSA SU ENTRAMBE LE FACCE DELLA
PALA, PIÙ VELOCEMENTE SUL LATO SUPERIORE,
CREANDO UN’AREA DI BASSA PRESSIONE.
QUESTA DIFFERENZA DI PRESSIONE TRA LE DUE
SUPERFICI HA COME RISULTATO UNA FORZA
CHIAMATA PORTANZA AERODINAMICA (LIFT).
LA PORTANZA SULL’ALA DI UN AEREO LO FA
ALZARE DA TERRA, IN UN AEROGENERATORE,
POICHÉ LE PALE SONO VINCOLATE A MUOVERSI
SU DI UN PIANO, CAUSA LA ROTAZIONE INTORNO
AL MOZZO. CONTEMPORANEAMENTE SI GENERA
UNA FORZA DI TRASCINAMENTO (DRAG),
PERPENDICOLARE ALLA PORTANZA CHE SI
OPPONE AL MOTO.
IL PRIMO OBIETTIVO NEL PROGETTO DI UNA
TURBINA EOLICA È QUELLO DI AVERE UN ALTO
RAPPORTO PORTANZA-TRASCINAMENTO.
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FUNZIONAMENTO
Se non si possono evitare gli ostacoli si
dovrebbe avere l’accortezza di collocare
il generatore eolico:
•sopra-vento almeno di due volte l’altezza
dell’ostruzione
•sottovento almeno 10, e preferibilmente
20 volte l’altezza dell’ostruzione.
•almeno due volte l’altezza dell’ostruzione
se si trova immediatamente sottovento
rispetto a questa.
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FUNZIONAMENTO
Rotore
•Normalmente è composto da due o più pale in
legno, metallo o fibra di vetro che ruotano attorno
ad un asse (verticale o orizzontale).
•L’efficienza aerodinamica aumenta con il numero
di pale ma anche i costi.
•La velocità di rotazione dipende in generale dalla
velocità del vento e dalla forma delle pale. La
velocità aumenta riducendo il numero di pale, ma
aumenta anche la rumorosità
Trasmissione
•La velocità di rotazione può variare tra
40 e 400 giri al minuto in dipendenza
dal modello e dalla velocità del vento,
mentre il generatore elettrico richiede
una velocità generalmente di 1500 giri
al minuto.
•E’ quindi utilizzato un sistema in
grado di modificare il rapporto di
trasmissione.
•Alcuni modelli lavorano senza sistema
di trasmissione, azionando un
generatore sincrono anulare.
•Tensione e frequenza variano con la
velocità, richiedendo la presenza di un
inverter.
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FUNZIONAMENTO
Generatore Anulare
Rated power: 2,000 kW
Rotor diameter: 82 m
Hub height: 78 - 138 m
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IMPIANTI
I PARCHI EOLICI (WIND FARMS) SONO GRUPPI DI PIÙ TURBINE INTERCONNESSE. L’USO DI QUESTO
TIPO DI DISPOSIZIONE È DETTATO DA ESIGENZE ECONOMICHE E FUNZIONALI: LA SOLUZIONE PIÙ
VANTAGGIOSA ECONOMICAMENTE, INFATTI, È QUELLA DI GENERARE POTENZA CON 10-30 MACCHINE.
LE MACCHINE EOLICHE, INOLTRE, DEVONO ESSERE POSIZIONATE SUL TERRITORIO A DEBITA
DISTANZA L’UNA DALL’ALTRA, PER EVITARE IL FENOMENO DELL’INTERFERENZA AREODINAMICA, CHE
HA DUE TIPI DI CONSEGUENZE. IL PRIMO È CORRELATO ALL’AUMENTO DELLA TURBOLENZA SULLE
MACCHINE POSIZIONATE ALL’INTERNO DI UN PARCO EOLICO, IL SECONDO ALLE PERDITE DI POTENZA.
LA DISTANZA FRA LE MACCHINE SI ESPRIME IN NUMERI DI DIAMETRI DELLA MACCHINA.
NEL CASO DI PARCHI EOLICI POSTI IN SITI CON VENTI MULTIDIREZIONALI, LA DISTANZA
RACCOMANDATA È PARI A 7 DIAMETRI (CIRCA 350-450 METRI), MENTRE QUELLA TRA LE FILE
PERPENDICOLARI ALLA DIREZIONE DEL VENTO PARI A 3-5 DIAMETRI (IN GENERALE 150-180 METRI).
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IMPIANTI
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IMPATTO VISIVO
L’IMPATTO VISIVO È LA BARRIERA PIÙ RILEVANTE DELL’EOLICO. MOLTO
SPESSO, INFATTI, I SITI DI INTERESSE RIGUARDANO AREE DI NOTEVOLE
VALORE AMBIENTALE E PAESAGGISTICO. QUINDI L’IMPIANTO PUÒ ENTRARE IN
CONTRADDIZIONE CON LE ESIGENZE DI SALVAGUARDIA DELLO SCENARIO
D’INSIEME E DELLA VISUALE DEI CRINALI.
È POSSIBILE RIDURRE AL MINIMO GLI EFFETTI VISIVI “SGRADEVOLI” LEGATI
ALLA PRESENZA DELLE TURBINE ATTRAVERSO SOLUZIONI COSTRUTTIVE
QUALI L’IMPIEGO DI TORRI TUBOLARI O A TRALICCIO A SECONDA DEL
CONTESTO E DI COLORI NEUTRI PER FAVORIRE L’INTEGRAZIONE NEL
PAESAGGIO, L’ADOZIONE DI CONFIGURAZIONI GEOMETRICHE REGOLARI.
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PARCO EOLICO DI PIANSANO
REALIZZATO NEL 2011 E ATTUALMENTE IN FUNZIONE
25 PALE
POTENZA DI UNA PALA: 1 MW
ENERGIA TEORICA PRODOTTA DALL’IMPIANTO IN UN ANNO:
25 X 1 X 9000 = 225 GWh
http://www.youtube.com/watch?v=BNjHmh9SoGg
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ENERGIA GEOTERMICA
VANTAGGI
• non ha costi e/o rischi di estrazione e trasporto
• fonte continua
SVANTAGGI
• CO2 può essere emessa dalle sorgenti geotermiche
• acque di trasporto del calore possono contenere
inquinanti (Zolfo)
• sfruttamento geotermico intensivo senza reintegro
può provocare instabilità geologica
• sfruttamento su larga scala è ancora limitato
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ENERGIA GEOTERMICA
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ENERGIA GEOTERMICA
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SISTEMI GEOTERMICI
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SISTEMI IDROTERMALI
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SISTEMI IDROTERMALI
SERBATOI AD ACQUA DOMINANTE
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SISTEMI IDROTERMALI
SERBATOI A VAPORE DOMINANTE
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SISTEMI GEOPRESSURIZZATI
97
SISTEMI GEOTERMICI A SECCO
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ENTALPIA
99
ENTALPIA
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CENTRALE GEOTERMICA
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CENTRALI GEOTERMICHE
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CENTRALI GEOTERMICHE
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PROBLEMI TECNOLOGICI
CORROSIONE
FOULING MICROBICO
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PROBLEMI AMBIENTALI
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PRINCIPALI RISORSE GEOTERMICHE
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LARDERELLO
Larderello è una frazione di 850 abitanti del
comune di Pomarance (PI), sulle Colline
Metallifere.
Il 4 luglio 1904, il principe Piero Ginori Conti,
che dirigeva a Larderello una ditta di estrazione
dell'acido borico, accese per la prima volta
cinque lampadine grazie ad una dinamo
azionata da un motore alternato utilizzando il
vapore endogeno. Questo sistema migliorerà
fino ad arrivare nel 1916 alla distribuzione in
tutta la zona circostante il paesino di una
produzione di elettricità di 2750 kW.
Le centrali ENEL di Larderello producono ora il
10% dell'energia geotermica mondiale, con un
ammontare di 4800 GWh annui, dando energia
ad un milione di case italiane.
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AREA GEOTERMICA AMIATA
Area
Prov
Comune
Centrale
Pot. MW
Stato
AMIATA
GR
SANTA FIORA
Bagnore 3
20
In Esercizio
AMIATA
GR
SANTA FIORA
Bagnore 4
40
In Costruzione
AMIATA
SI
PIANCASTAGNAIO
Bellavista
20
Fuori Servizio
AMIATA
SI
PIANCASTAGNAIO
Piancastagnaio 2
8
Fuori Servizio
AMIATA
SI
PIANCASTAGNAIO
Piancastagnaio 3
20
In Esercizio
AMIATA
SI
PIANCASTAGNAIO
Piancastagnaio 4
20
In Esercizio
AMIATA
SI
PIANCASTAGNAIO
Piancastagnaio 5
20
In Esercizio
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Serre FLORAMIATA
Piancastagnaio (Siena)
• E’ il più grande sistema di serre in Europa
(230.000 m2)
• Vapore condensato da vicina centrale
geotermica produce acqua calda a 90 °C.
• Risparmio energetico 12.500 TEP/a
1 TEP (tonnellata equivalente di
petrolio) =10 milioni di
Kilocalorie=10*10^6=42GJ
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Serre PANTANI
Civitavecchia (Roma)
180.000 m2, portata 2000 m3/h a 50 °C da diversi pozzi
E re-iniezione a 30 °C,
Risparmio energetico di 6.000 TEP/a
110

ENERGIA DA BIOMASSE

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