4. Energia dalle biomasse - Centro di Ricerca sulle Biomasse

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4. Energia dalle biomasse

Aspetti generali

Dati sull’impiego delle biomasse in Italia e nel mondo

Caratteristiche chimico – fisiche ed energetiche delle biomasse

Processi di conversione energetica delle biomasse

Analisi economica e forme di incentivazione

Analisi di alcuni casi di studio

Cenni sull’energia dai rifiuti
a.a. 2010/11 - Fonti energetiche rinnovabili – E. Moretti
1
Aspetti generali
per millenni la biomassa ha rappresentato
l’unica fonte di energia primaria per l’uomo
Fonti di Energia
Rinnovabile (FER)
Biomassa
legna da ardere
si rigenerano a velocità paragonabile a quella
con cui sono utilizzate (sono virtualmente inesauribili)
deriva dall’energia solare;
costituita da ogni sostanza organica derivante direttamente
o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
nCO2 + mH2O + energia solare
organismi vegetali
Cn(H2O)m + nO2
2
Aspetti generali
caso specifico (produzione di glucosio)
6CO2 + 6H20 + energia solare → C6H1206 + 6O2
quantità di carbonio che un ecosistema sottrae
annualmente all'ambiente e fissa sotto forma
di biomassa [ton/ha di sostanza secca]
Produzione Primaria Netta
(PPN)
Saldo netto bilancio carbonio
= fotosintesi lorda
(assunzione totale di CO2)
Le piante assorbono CO2
dall’atmosfera
caso particolare: gli alberi
1 kg di sostanza secca
contiene circa 0,5 kg di C
(1,83 kg di CO2 fissata)
sintetizzano zuccheri ed altri composti organici
utili per la crescita ed il metabolismo
immagazzinano il carbonio nel legno ed in altri tessuti,
fino a quando non muoiono e si decompongono ed il
carbonio è rilasciato di nuovo in atmosfera sottoforma di
CO2 ed idrocarburi, oppure è incorporato nel suolo
sottoforma di sostanza organica e carboidrati.
3
Aspetti generali
forma di accumulo dell’energia solare
ogni anno ~ 2 · 1011 t di C
(contenuto energetico 70 · 103 Mtep)
Biomassa
fonte energetica primaria di tipo rinnovabile
va considerata anche una risorsa locale
(essendo disponibile ovunque)
il suo impiego, a fini energetici, non aumenta
la concentrazione di gas climalteranti
la quantità di CO2 rilasciata durante la
decomposizione è paragonabile a quella
assorbita durante la crescita
della biomassa stessa
esempio:
la combustione di una tonnellata di biomassa generica produce
un quantitativo di CO2 (1,3 t) riassorbibile in un appezzamento
di terreno a biomassa dedicata della superficie di 0,2 ha.
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Aspetti generali
ciclo della CO2
nelle biomasse
occorre considerare anche le
emissioni da fonti fossili
correlate alle operazioni di
produzione,
taglio,
trattamento e trasporto ed allo
smaltimento dei residui del
processo di conversione.
definizione
di biomassa
ne esistono
numerose
(sono riportate le
più significative)
Direttiva EU 2001/77/EC: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti
e residui provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle
industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti
industriali ed urbani;
D. Lgs. 387/03 (articolo 2): 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 ed urbani.
5
Classificazione delle biomasse
DEDICATA
costituita da tutte le colture coltivate a fini energetici
BIOMASSA
RESIDUALE
vincolata ai cicli produttivi di origine quali attività agricole, catene
alimentari primarie e secondarie, utilizzazioni forestali,
lavorazioni agroindustriali, ecosistema urbano
coltivazioni tipiche:
es.:pioppi, salici, robinia, eucalipto.
- Short Rotation Forestry (SRF)
specie forestali a rapido accrescimento.
materia ottenuta utilizzabile tal quale oppure
trasformata in biocombustibile solido (cippato,
pellet, bricchette) o gassoso (syngas)
- colture oleaginose
es.: girasole o colza, convertibili in
biocombustibili liquidi (biodiesel)
- colture alcoligene, amidacee
e zuccherine
es.: cereali, barbabietole, sorgo, convertibili in
biocombustibili liquidi (bioetanolo)
es.: sorgo da fibra, Miscanto, Arando donax,
canne, kenaf, il cui prodotto, è in grado di
fornire energia attraverso processi di
combustione
- colture erbacee ad alta
efficienza fotosintetica
6
PRINCIPALI COLTIVAZIONI ENERGETICHE
COLTIVAZIONI ANNUALI
COLTIVAZIONI PLURIENNALI
SORGO
LEGNOSE
ERBACEE
Possono essere coltivate su
terreni messi a riposo per un solo
anno
SALICE
MISCANTO
PIOPPO
CARDO
EUCALIPTO
CANNA COMUNE
Richiedono l’utilizzo per più anni (8-12)
7
PRINCIPALI COLTIVAZIONI ENERGETICHE
8
PRINCIPALI BIOCOMBUSTIBILI
9
Impiego di biomasse: alcuni vantaggi
Vantaggi dell’impiego delle biomasse:
 sostituzione di combustibili fossili con biocombustibili;
 nuove opportunità di sviluppo per zone marginali e/o riduzione di surplus
agricoli, con sostituzione di colture tradizionali con colture energetiche;
 contributo nullo all’incremento del tasso di CO2 in atmosfera;
 valorizzazione di residui agro-industriali;
 impiego di biomasse derivanti dalla selezione dei rifiuti solidi urbani e
conseguente riduzione dei quantitativi inviati allo smaltimento;
 riduzione delle emissioni di SO2, HCl, HF, ecc. derivante dall’impiego di
biocombustibili anche nel settore dei trasporti.
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Impiego di biomasse nel mondo
Minore competitività economica rispetto ai combustibili fossili;
SITUAZIONE
MONDIALE
Biomasse: 15% dei fabbisogni energetici primari nel mondo
(55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno)).
Percentuale impiego biomasse per usi energetici
Austria
Svezia
Finlandia
Italia
Europa
USA
Paesi
Industrializzati
Paesi in via di
Sviluppo
Mondo
disomogeneità
fra i vari Paesi
38,0%
40,0%
35,0%
30,0%
25,0%
18,0% 17,0%
20,0% 15,0%
13,0%
15,0%
10,0%
3,0% 3,2% 3,5% 2,0%
5,0%
0,0%
Stime ottimistiche: nel 2050 le biomasse copriranno il 35% della domanda totale
di energia nel nostro pianeta (4700 Mtep/anno)
11
Impiego di biomasse in Europa
SITUAZIONE
EUROPEA
prodotti: 120 Mtep/anno da fonti rinnovabili
(di cui 40-50 Mtep/anno dalle biomasse)
FONTE
Produzione di energia
da fonti rinnovabili nell’UE
(Mtep/anno)
Impiego delle biomasse
piuttosto marginale
potenziale energetico
non ancora pienamente sfruttato
1995
2000
2002
2012
Biomasse
44,8
48,7
39,5
135,0
Idroelettrico
24,8
27,0
68,8
28,8
Geotermia
2,5
3,4
1,1
5,2
Eolico
0,4
1,8
8,1
6,9
Solare Termico
0,3
0,4
1,0
4,0
Solare Fotovoltaico
0,0
0,0
0,1
0,3
Totale
72,2
81,3
117,8
180,2
esempi di sviluppo in Europa:
centro-nord Europa → impianti di cogenerazione e teleriscaldamento a biomasse;
Francia → produzione di biodiesel ed etanolo (la più vasta superficie agricola in Europa);
Gran Bretagna → sistema di recupero del biogas dalle discariche (per usi termici ed elettrici);
Svezia ed Austria → impiego della legna da ardere per riscaldamento e per teleriscaldamento.
12
Panorama sulla situazione italiana al 2008
relativa allo sfruttamento delle biomasse
(GSE,2009)
13
Potenza installata – evoluzione negli ultimi
10 anni
14
Distribuzione della potenza installata
15
Distribuzione su scala regionale della
produzione
16
Distribuzione su scala regionale della
produzione
17
Confronto con la situazione nell’EU 15
Rapporto tra la produzione B.Rb.B.B.* e la produzione FER
18
Parametri chimico- fisici
acqua
Biomassa
sostanze
costituenti
ceneri
sostanza secca priva di ceneri
(interesse a fini energetici)
parametri
caratterizzanti
Valutati su base umida (wet basis, wb)
o sul tal quale (t.q.): considerando la
biomassa in tutte le sue parti;
Valutati su base secca (dry basis, db) o
sostanza secca (s.s.): considerando la
biomassa privata del suo contenuto in
acqua;
Valutati su base secca e priva di ceneri
(dry and ash-free basis, dafb):
considerando la biomassa privata del
suo contenuto in acqua e di ceneri.
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Parametri di interesse
Parametro
Unità
di misura
Tipologia
di analisi
Umidità
%
Analisi prossima
Sostanze volatili
%
Analisi prossima
Ceneri
%
Analisi prossima
Potere calorifico
kJ/kg,
MJ/kg
Metodo isoperibolico
Strumentazione
Analizzatore
termogravimetrico
Analizzatore
termogravimetrico
Analizzatore
termogravimetrico
Calorimetro
Analizzatore
elementare
Analizzatore
elementare
Analizzatore
elementare
Normativa
di riferimento
CENT/TS 14774-1, 2, 3
CENT/TS 14775
UNI 9903-8
CEN/TS 14918
Carbonio
%
Analisi ultima
ASTM D5373
Idrogeno
%
Analisi ultima
Azoto
%
Analisi ultima
Zolfo
%
Titolazione
Titolatore
UNI 7584
Cloro
%
Titolazione
Titolatore
UNI 9903-10
ASTM D5373
ASTM D5373
principali parametri per la caratterizzazione chimico – fisica ed energetica
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quantità di acqua presente all’interno
del campione, espressa come una
percentuale in peso del materiale
CONTENUTO DI UMIDITÀ
umidità su base
umida
U wb  100
umidità su base secca
umidità su base secca
priva di ceneri
U db  100
mH 2 O
mb
 100
mH 2 O
mb  mH 2O
U daf  100
mH 2 O
mdaf  mH 2O  mash
 100
mH 2O
mdaf  mash
mH 2 O
mb  mH 2O  mash
 100
mH 2 O
mdaf
dove:
mH2O = massa dell’acqua contenuta nella biomassa
mb
< 50% → processi termochimici
di conversione della biomassa
= massa complessiva della biomassa
mash = massa delle ceneri
mdaf = massa della sostanza secca priva delle ceneri
Uwb
> 50% → processi biochimici
21
massa di residuo dopo la combustione
del campione in aria, sotto controllate
condizioni di tempo e temperatura
CONTENUTO IN CENERI
mash
mash
 100
mb
mdaf  mH 2O  mash
contenuto in ceneri
su base umida
ACwb  100
contenuto in ceneri
su base secca
mash
mash
ACdb  100
 100
mb  mH 2O
mdaf  mash
contenuto in ceneri
su base secca
priva di ceneri
ACdaf
mash
mash
 100
 100
mb  mH 2O  mash
mdaf
dove:
mH2O = massa dell’acqua contenuta nella biomassa
mb
= massa complessiva della biomassa
mash = massa delle ceneri
mdaf = massa della sostanza secca priva delle ceneri
↓ contenuto in ceneri
=
↑ energia disponibile nel
combustibile
22
parte di biomassa che viene rilasciata
in fase di riscaldamento (tra 400 e 500
°C) in assenza di ossigeno (pirolisi)
SOSTANZE VOLATILI
SV = % delle sostanze volatili
nel campione essiccato all’aria
m1 = massa del campione
prima del riscaldamento;
m2 = massa del campione
dopo il riscaldamento.
 m1 m2 
SV  
 100
 m1 
CONTENUTO DI CARBONIO,
IDROGENO E AZOTO
↑ % sostanze volatili
e
↓ contenuto in ceneri
=
biocombustibile
idoneo per pirolisi
concentrazione dei tre elementi
presenti nel campione di biomassa
su base secca e priva delle ceneri
(concentrazioni espresse in % daf)
rapporto Carbonio/Azoto
(C/N)
utilizzabile come indicatore
del miglior impiego
energetico della biomassa
< 30% → processi biochimici
C/N
> 30% → processi termochimici
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calore rilasciato nel processo di combustione
completa di un campione determinato
POTERE CALORIFICO
bruciando lo stesso in un ambiente
controllato
- contenuto di energia per unità di massa (kJ/kg, MJ/kg)
- può essere riferito alla base umida, secca e secca priva di ceneri
Potere Calorifico Superiore
PCS
(Higher Heating Value HHV)
l’acqua ottenuta come prodotto della
combustione si trova allo stato liquido
Potere Calorifico Inferiore PCI
(Lower Heating Value LHV)
l’acqua ottenuta come prodotto della
combustione si trova allo stato di vapore
U wb 

100 

PCS wb  PCS daf 1 


PCS db  PCS daf 1 

AC wb
100
AC db
100

PCI wb  PCI daf 1 


PCI db  PCI daf 1 

AC wb U wb 


100 100 
AC db 

100 




potere calorifico su base secca:
PCS si misura in laboratorio (normativa tecnica)
preferibile, a livello operativo,
mediante bomba calorimetrica
perché rappresenta l’effettiva
PCI db  PCS db  206,0 H db
PCI si ricava
resa energetica del combustibile
(Hdb = contenuto di idrogeno in % in massa su base secca)
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peso di biomassa per unità di volume
DENSITÀ
(espressa su base secca o sul tal quale)
indicazione del valore del contenuto di umidità, o in
mucchio, per evidenziare i volumi necessari allo
stoccaggio
densità energetica della biomassa:
valori tipici
(riferiti al mucchio)
paglia e trucioli di legno:
150 – 200 kg/m3
legna:
600 – 900 kg/m3
l’energia disponibile per unità di
volume
(determinabile conoscendo
il potere calorifico e la densità)
esempio: biomassa ≈ 1/10 combustibili fossili
CONTENUTO DI ZOLFO
quantitativo di zolfo organico ed
inorganico presente nel combustibile
misurazione:
calcinazione alla temperatura di 800 °C
in ambiente ossidante e alcalino
responsabile della presenza e della
quantità
di ossidi di zolfo
(effettuata eliminando tutte le sostanze organiche
presenti nel combustibile e operando la completa
trasformazione dei composti dello zolfo presenti in
solfati solubili)
emissioni di gas acidi
(derivanti dai processi di conversione energetica)
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CONTENUTO DI CLORO E FLUORO
Cloro/fluoro totale
Campione bruciato in atmosfera di ossigeno con trasformazione del cloro in
cloruro e del fluoro in fluoruro, successivamente assorbito in soluzione
alcalina. Cloruri e fluoruri nella soluzione determinati mediante titolazione
potenziometrica.
Cloruri/fluoruri solubili
Misura effettuata estraendo porzioni del campione con acqua esente dal
campione e calcolati con titolazione potenziometrica.
Cloruri/fluoruri
insolubili
Calcolati per differenza dei primi due.
Il contenuto di cloro nel combustibile è responsabile delle emissioni di diossine
esempio:
ANALISI CHIMICHE:
consentono di verificare la
presenza di precisi
elementi chimici nel
biocombustibile
(As, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn,
Ni, Pb, Sb, Se, Sn, V, Zn, Al, Si,
K, Na, Ca, Mg, Fe, P e Ti)
↑ quantità di metalli alcalini
+ eventuali silicati
influenzano la
scelta
(presenti nelle ceneri)
del processo
di conversione problemi tecnici
da utilizzare al sistema di conversione
e causa di fenomeni come
fouling e produzione di scorie
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parametri essenziali
per una buona conversione
energetica
PEZZATURA E FORMA
tipologie di pezzatura della biomassa in commercio
Nome
del combustibile
Dimensione tipica
Metodo
di preparazione
Pellet
L> 25 mm
Estrusione
Segatura
1 – 5 mm
Taglio con lame
Cippato
Ciocchi e tronchetti
5 – 100 mm
Taglio con strumenti affilati
100 – 1000 mm
Taglio con strumenti affilati
Combustibile in polvere
< 1 mm
Macinatura
Balle
0,1 m3
Compressione in parallelepipedi
Rotoballe
2,1 m3
Compressione in cilindri
Fascine
Variabile
Gusci
5 – 15 mm
Semi
Paglia
Variabile
10 – 100 mm
Taglio e legatura
Non richiesta preparazione
Essiccazione
Taglio
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Caratteristiche chimico – fisiche ed energetiche
Biomasse
Quercia
Pino
Pino (Corteccia)
Pellet
Pellet di corteccia
Sorgo
Salice
Pioppo
Abete
Betulla
Potatura di vite
Potatura di olivo
Segatura
Bambù
Cippato di legno
Canna
Robinia
Paglia di cereali
Grano
Lolla di riso
Bricchette di lolla
Canna da zucchero
Colza
Paglia
Residui canna
Noccioli di drupacee
Gusci di mandorla
Gusci di nocciola
Gusci di noce
Pomodoro
Residui di olive
Bagassa
U (%)
6.2
9.5
10.0
10.7
7.9
8.6
7.7
7.4
45.0
40.0
11.6
8.5
9.3
40.0
30.0
8.7
6.4
5.9
6.1
7.3
9.2
6.9
8.7
9.3
6.7
7.0
8.3
-
SV (%)db Ceneri (%)db
86.0
89.3
85.6
85.7
80.3
77.0
80.9
86.0
86.0
81.5
76.5
88.0
85.7
72.3
75.0
69.3
64.8
85.2
77.6
84.6
85.6
81.7
71.0
76.1
86.1
78.4
77.7
0.9
0.7
1,8
0.8
6.8
2.1
1.9
1.3
5.8
2.6
2.3
3.9
0.8
0.8
1.0
8.5
3.6
14.9
8.0
19.0
17.5
2.2
3.8
5.7
14.9
0.5
2.8
7.9
3.6
3.8
6.4
2.1
C (%)db
H (%)db
N (%)db
PCS (MJ/kg)db
PCI (MJ/kg)db
Densità (kg/m3)
49.7
51.3
46.9
49.8
52.5
43.9
49.1
49.7
48.6
48.3
46.5
49.3
49.5
50.6
50.0
45.5
50.7
43.0
43.0
36.7
52.5
42.4
47.0
46.2
51.6
52.4
42.8
51.5
52.3
49.6
51.5
6.5
6.1
5.3
6.4
5.7
6.2
6.2
6.5
6.5
8.3
6.4
5.5
6.8
5.3
5.8
5.7
5.7
6.3
10.85
5.0
6.8
7.1
5.3
6.0
6.0
6.7
5.15
7.3
7.6
5.5
6.0
0.2
0.2
0.3
0.4
0.2
0.3
0.2
0.2
0.1
0.4
0.6
0.4
0.2
0.3
0.2
0.5
0.8
0.3
0.9
0.5
0.2
0.5
0.5
0.5
0.5
0.6
0.7
3.4
1.4
1.0
20.4
19.2
18.5
18.3
16.8
18.8
19.6
18.9
19.3
18.6
18.5
19.7
19.3
19.3
18.0
19.7
16.0
16.0
14.5
18.9
16.6
19.0
18.4
21.6
19.0
15.7
20.9
18.2
18.9
17.4
19.3
17.1
17.4
18.5
17.5
18.5
14.9
13.9
17.1
17.7
19.1
-
750
440-560
650
220-260
300-400
420
700-800
600
790-900
800-900
100
200-250
150
180-200
625
100-180
75
1000
130-150
100-180
-
28
Il laboratorio di analisi del CRB
(Centro di ricerca sulle biomasse)
Il Laboratorio del Centro Ricerca sulle Biomasse è dotato di strumentazioni che
consentono di effettuare:
 preparazione del campione
 proximate analysis (umidità, ceneri, sostanze volatili)
 ultimate analysis (C, H, N)
 misura del potere calorifico
 misura del contenuto di cloro e zolfo
PROXIMATE ANALYSIS
 valutazione della durabilità del pellet
(umidità, ceneri, sostanze volatili) CEN/TS 14774, CEN/TS 14775, ASTM D 5142
PREPARAZIONE CAMPIONE
UNI 9903/3
Mulino RESTCH SM 2000
Analizzatore termogravimetrico TGA 701 LECO
DURABILITA’ DEL PELLET ONORM M 7135
TRUSPEC CHN LECO
Lignotester New Holmen Tester TEKPRO
Calorimetro AC-350 LECO
CONTENUTO DI CLORO E ZOLFO CEN/TS 15289
Cromatografo ionico ICS-90 DIONEX
29
Il laboratorio di analisi del CRB
30
Potere calorifico
Rappresenta la quantità di energia termica sviluppata dalla combustione di un kg di
sostanza secca (potere calorifico superiore: PCS).
Di maggiore interesse, per la valutazione energetica delle biomasse è il potere
calorifico inferiore (PCI). Il potere calorifico inferiore, infatti, tiene conto dell’energia
termica sviluppatasi durante la combustione, senza considerare l’energia di
condensazione del vapore acqueo.
PCI su base secca in MJ/Kg 1 MJ = 238,8 kcal =
0,278 kWh
31
Concentrazione di C, H, O
 C, H e O sono i costituenti principali delle biomasse:
 C e H sono ossidati durante la combustione mediante reazioni esotermiche,
formando CO2 e H2O;
 La quantità di ossigeno rilasciata durante la combustione costituisce una parte
dell’ossigeno necessario per la combustione stessa, la restante parte è introdotta
mediante l’iniezione di aria dall’esterno;
 C è presente in varie forme ossidate il che spiega il minor potere calorifico delle
biomasse rispetto ad esempio al carbone;
 La concentrazione di C è superiore nelle biomasse legnose rispetto a quelle
erbacee, quindi le prime hanno un maggior potere calorifico.
32
Concentrazione di N, CL E S
 Per T = 800 – 1100 °C la formazione di NOx è dovuta quasi esclusivamente al
contenuto di N del combustibile, mentre nei combustibili fossili è dovuta a N
presente nell’aria.
 Il Cl vaporizza quasi completamente durante la gassificazione come HCl. L’acido
cloridrico ha un effetto altamente corrosivo sui componenti dell’impianto. Come
effetto collaterale, non meno importante, forma sali volatili con i metalli alcalini,
difficilmente rimovibili dal gas e che condensano sulle pareti fredde degli impianti
provocando incrostazioni e corrosioni.
 S forma composti gassosi come SO2, SO3 e solfati di alcali. Il 40-90% dello zolfo
presente nella biomassa si attacca alla cenere volatile, mentre la restante parte è
emessa attraverso i gas al camino.
33
Contenuto in cenere
Il contenuto di cenere nella biomassa varia in un range molto ampio; si va dallo
0.5% (w/w d.b.) del legno tenero (segatura) al 5-8% (w/w d.b.) della corteccia fino a
raggiungere valori del 20.6% (w/w d.b.) per la lolla di riso
34
Comportamento delle ceneri alla fusione
 Altro parametro utile per studiare le prestazioni in impianto è il comportamento delle ceneri alla
fusione. Si tratta di una prova di laboratorio, mediante la quale si misurano, in condizioni
normalizzate, 3 temperature caratteristiche di deformazione di un campione di cenere
sottoposto a riscaldamento in un fornetto di prova.
 Il comportamento alla fusione è strettamente correlato alla composizione chimica delle ceneri:
tendenzialmente quanto più abbondanti sono gli elementi alcalini (quindi quanto più
“basiche” sono le ceneri), tanto più basso è il punto di fusione.
35
Incollaggio delle ceneri
L’incollaggio avviene tra le ceneri solidificate e gli elementi di griglia che supportano il
combustibile. La sua pericolosità consiste nel provocare l’ostruzione dei getti di
alimentazione dell’aria nel reattore o di quelli in cui viene estratto il gas prodotto, che
comporta il conseguente bloccaggio dell’impianto.
Le ceneri possono incollarsi anche al rivestimento refrattario interno del reattore con
il rischio che le modificazioni della sua struttura comportino un abbassamento del loro
punto di fusione.
La fusione delle ceneri può verificarsi sostanzialmente per due motivi:
1- riduzione della temperatura di fusione delle ceneri;
2- anomalo aumento della temperatura nel reattore (l’aria introdotta è portata a
concentrarsi in zone localizzate del reattore).
36
Prezzi dei combustibili legnosi agro-forestali
LEGNA DA ARDERE:
PCI = 4 kWh/kg (umidità = 20%)
Prezzi (da produttore o importatore a franco destino - per autotreno
completo – Camera di Commercio di Milano 2009):
•
•
forte sfusa (leccio, rovere, cerro, faggio, carpino, frassino e robinia) U.R.30% 90,00 - 120,00 €/ton + IVA
dolce (pino, pioppo, ontano, castagno, salice, tiglio, olmo, etc) -U.R. 30%
70,00 - 100,00 €/ton + IVA
37
CIPPATO DI LEGNO:
PCI = 3,4 kWh/kg (umidità = 30%)
PCI = 2,8 kWh/kg (umidità = 40%)
Prezzi (franco partenza – Camera di Commercio di Milano 2009):
• da 38 a 50 €/ton + IVA per il cippato da segheria (UR 30%)
• da 40 a 45 €/ton + IVA per il cippato da bosco (UR 50%)
38
PELLET DI LEGNO:
PCI = 4,7 kWh/kg (umidità = 8-10%)
Prezzi (da produttore o importatore a
franco destino - per autotreno completo –
Camera di Commercio di Milano 2009):
• da 140 a 160 €/ton + IVA all’ingrosso
• da 175 a 220 €/ton + IVA al dettaglio
(classe A)
Classi di qualità del pellet
39
Confronto prezzi combustibili (Dic. 2008)
40
Processi di conversione energetica delle
biomasse
41
Processi di conversione della biomassa
42
Processi di conversione energetica
bioenergia
energia elettrica, termica o frigorifera ottenuta dalla conversione
dei biocombustibili e dei prodotti trasformati in genere mediante
opportuni processi che rendono la biomassa iniziale più idonea
all’impiego in macchine termiche e generatori di calore
combustibili
derivati dalla biomassa
(attraverso opportuni processi di
trasformazione della materia prima)
solidi
(legna da ardere, cippato, pellet, bricchette,
carbone da pirolisi, mais, frumento)
liquidi
(biodiesel, il bioetanolo, il bio-olio da pirolisi e
olii grezzi vegetali (girasole, colza, soia, ecc.)
gassosi
(biogas e syngas da gassificazione e pirolisi)
meccanici →
quali la cippatura, ossia la riduzione di materia prima legnosa in
elementi di dimensioni più piccole mediante taglio con opportune macchine
cippatrici;
processi
di trasformazione
chimici →
quali la fermentazione alcolica per la produzione di bioetanolo o la
trasesterificazione per la produzione di biodiesel;
biochimici → quali la digestione anaerobica per la produzione di biogas;
termochimici → quali la gassificazione, per la produzione di syngas o la pirolisi
per la produzione di char, tar e syngas in proporzioni variabili a seconda
delle modalità con cui avviene il processo, oppure la semplice
essiccazione.
43
Caratteristiche dei principali biocombustibili solidi
Pre-trattamenti
Processo
Impiego
PCS
(kJ/kg)
PCI
(kJ/kg)
Peso specifico
(kg/m3)
Legna
Taglio tecnico e
taglio
programmato
dei boschi
Selezione per
eliminare parti non
desiderate
Essiccazione
(stagionatura,
centrifugazone, azione
termica)
Caldaie a legna
(10 – 100 kW);
camini e
termocamini
12.500
(quercia, faggio)
13.100
(abete, pino
silvestre, larice)
(U = 30%)
11.600 (quercia,
faggio)
12.400 (abete, pino
silvestre, larice)
(U = 30%)
300-400
Cippato
Legno di
diversa
provenienza
Selezione per
eliminare parti non
desiderate
Cippatura (azione di
taglio mediante coltelli
e microcoltelli per
calibrare le dimensioni)
Caldaie a
cippato
(pochi kWalcuni MW)
10.900
(faggio, quercia,
pioppo) (U=35%)
10.000 (faggio,
quercia, pioppo)
(U=35%)
150-250
-
Essiccazione fino a U =
10-14%.
Compressione della
segatura e formazione
di cilindretti (diametro
6-8mm, lunghezza 1520 mm)
Caldaie a pellet
(10 – 200 kW)
18.700
(U = 10%)
17.500 (U = 10%)
600 - 700
Essiccazione
Compressione della
segatura e formazione
di cilindri (diametro 7-8
cm, lunghezza 30 cm)
In quanto
assimilabili a
ciocchi di legna,
sono impiegate
in caldaie a
legna
(10 – 100 kW) ;
camini e
termocamini
18.700
(U = 10%)
17.500
(U = 10%)
500
Essiccazione
Caldaie a mais
(20 – 100 kW)
Biocombustibile
Materia prima
Pellet
Bricchette
Mais
Segatura o
scaglie di legno
Residui e
segatura
grossolane
-
Pianta del mais:
- solo granella Triturazione in caso
- granella e
di impiego di
granella e stocco
stocco
triturati
18.000
1250
44
Caratteristiche dei principali biocombustibili liquidi
Biocombustibile
Bio-olio
Bioetanolo
Biodiesel
Olii vegetali grezzi
Materia prima
Pre-trattamenti
Processo
Impiego
PCS
(kJ/kg)
PCI
(kJ/kg)
Frazione liquida
dei prodotti della
Depurazione
pirolisi (miscela di
dalla parte
idrocarburi pesanti
acquosa
di natura
catramosa)
Rimozione
dell’ossigeno (i
composti organici
ossigenati lo
rendono molto
viscoso e acido)
mediante
idrogenazione
catalitica
(upgrading)
Caldaie a
combustibile
liquido
Sostanze
amidacee (mais,
patate),
zuccherine
(barbabietola,
canna, sorgo),
ligno-cellulosiche
(piante erbacee e
legnose, scrti
legnosi)
Trasformazione
della materia
prima in una
sostanza
utilizzabile nella
fermentazione
Fermentazione
alcolica mediante
biocatalizzatori
(microrganismi quali
lieviti o batteri)
Motori a
26.700
combustione
29.700 (etanolo) (etanolo)
interna (puro o
come additivo
39.000 (ETBE)
36.200
delle benzine)
(ETBE)
-
Motori a
combustione
Reazione chimica di interna (puro o
transesterificazione come additivo
39.770 (colza)
(con alcol e un
del gasolio)
Caldaie a
acido) a formare
40.540 (soia)
biodiesel e glicerina combustibile
liquido (100 –
1000 kW)
Olii vegetali
(colza, girasole,
soia).
Olii esausti di
frittura, grassi da
cucina riciclati,
grassi animali
Girasole, soia,
colza
-
Estrazione
meccanica o
chimica
Caldaie e
motori
16.900
39.500
(girasole)
39.300 (colza)
40.170 (soia)
39.000
(palma)
N ottani
N cetano  R  M 


 2 
5,7
(a 50°C)
15.200
37.000
38.000
36.840
(colza)
Viscosità
(mm2/s)
100
(etanolo)
110
(ETBE)
55 (soia)
62 (colza)
38
(soia)
32
(colza)
42
(girasole)
42
(palma)
3.89
(soia)
1,5
(etanolo)
(a 20 °C)
0,41
(ETBE)
(a 40 °C)
3,5-5,5 (a
40 °C)
5.65
(colza)
-
a 40 °C:
33
(soia)
51
(colza)
34
(girasole)
Peso
specifico
(kg/m3)
Rapporto
aria/comb.
stechiometrico
1152
-
789 (etanolo)
9 (etanolo)
741 (ETBE)
12 (ETBE)
886 (soia)
12,3-12,6
880 (colza)
(a 15 °C)
920 (girasole)
918 (soia)
910 (colza)
910 (palma)
45
Caratteristiche dei principali biocombustibili gassosi
Biocombustibi
le
Biogas
Syngas
Pyrogas
PCS
(kJ/kg)
Rapporto
aria/comb.
stechiometrico
Peso
specifico
(kg/m3)
PCI
(kJ/kg)
Note
Materia prima
Processo
Impiego
Prodotto gassoso
della digestione
anaerobica di
diversi substrati
(residui ad alto
contenuto di
umidità quali reflui
civili, deiezioni
animali, residui
alimentari e
frazione organica
degli RSU)
Deumidificazione,
per evitare la
condensa del vapor
acqueo contenuto
nel biogas
Desolforazione, per
eliminare il solfuro di
idrogeno H2S, ad
elevato potere
corrosivo
Compressione
Immagazzinamento
Veicoli a gas,
Caldaie a gas
Motori termici in
cogenerazione
23.000
kJ/Nm3
1,04-1,12
4,5-6,8 (dipende
dalla percentuale
di metano e
vapore acqueo
presente)
Gas derivante dal
processo di
gassificazione della
biomassa
Lavaggio per
eliminare le sostanze
condensabili (tar)
Deumidificazione
Turbogas
Motori a
combustione
interna
Caldaie a gas
2.000 10.000
kJ/Nm3
-
-
Criticità nel
lavaggio del
gas
Frazione gassosa
non condensabile
del processo di
pirolisi
Lavaggio per
eliminare le sostanze
condensabili (tar)
Deumidificazione
Turbogas
Motori a
combustione
interna
Caldaie a gas
-
-
Criticità nel
lavaggio del
gas
4.000 18.000
kJ/Nm3
Piuttosto
onerosa
l’eliminazione
di H2S
46
processi termochimici
basati sull'azione del calore
(C/N > 30 e umidità < 50%)
Biomasse adatte: legna e tutti i suoi derivati, sottoprodotti colturali di tipo lignocellulosico, alcuni scarti di lavorazione
processi
di trasformazione
processi biochimici
basati su reazioni chimiche facilitate o condotte da enzimi, catalizzatori, funghi,
batteri e micro-organismi in genere, che sono presenti nella biomassa
in particolari condizioni
(C/N < 30 e umidità > 50%)
Biomasse adatte: deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari e la frazione
organica dei rifiuti solidi urbani
Tipo di biomassa
tipici processi
di conversione
delle biomasse
Materiali legnosi
Uwb ≤ 50%
C/N > 30
Liquami zootecnici
Uwb 50%
20≤ C/N ≤ 30
Piante zuccherine
15%< Uwb < 90%
C/N qualunque
Piante oleaginose
Uwb > 35%
Processo
di conversione
Combustione
Gassificazione
Pirolisi
Digestione anaerobica
Prodotto
Calore
Syngas
Pyrogas, char, tar
Biogas
(60% metano)
Impiego
Fermentazione zuccheri in Etanolo
alcool etilico
Riscaldamento
Energia Elettrica
Cogenerazione
Riscaldamento
Energia Elettrica
Cogenerazione
Cogenerazione
Motori a benzina
Estrazione olii
Esterificazione olii
Cogenerazione
Motori diesel
Olio vegetale
Biodiesel
47
combustione
a griglia (fissa o mobile)
a tamburo rotante
a letto fluido
carbonizzazione
a lotti
continua
gassificazione
a tiraggio superiore
a tiraggio inferiore
a reattore aperto
pirolisi
convenzionale
veloce
flash
processi termochimici
processi
di trasformazione
digestione anaerobica
fermentazione alcolica
processi biochimici
transesterificazione
compostaggio
48
combustione
reazione chimica in cui una sostanza (combustibile)
si combina con l'ossigeno dell'aria (comburente)
sviluppando calore
(conversione di energia chimica in calore)
attuata in apposite
apparecchiature
combustori
ottimizzazione della miscelazione tra combustibile e
comburente
biomassa
dalla sezione di carico al combustore
movimentazione
ceneri
dal combustore alla sezione di scarico
gas di combustione
successivamente avviati ad una sezione dove avviene
lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo
combustione a griglia (fissa o mobile)
principali tecnologie
di combustione
per la biomassa
combustione a tamburo rotante
combustione a letto fluido
49
combustione
a griglia
combustione
a tamburo rotante
biomassa collocata sopra a griglie (fisse o mobili)
aria comburente fornita dal basso (aria primaria)
ossidazione del carbonio fisso
aria iniettata al di sopra della griglia (aria secondaria)
combustione
a letto fluido
combustore a griglia fissa
ossidazione delle sostanze volatili
combustore a griglia mobile
50
combustione
a griglia
combustione
a tamburo
rotante
combustione
a letto fluido
cilindro di acciaio rivestito di materiale refrattario
ruota attorno al proprio asse (leggermente inclinato sull’orizzontale
per facilitare l’avanzamento del materiale)
alimentazione all’estremità superiore del cilindro
equicorrente o in controcorrente rispetto ai fumi
calore sviluppato dal processo
recuperabile direttamente (tramite le pareti)
 recuperabile indirettamente (tramite fluido termovettore)
COMBUSTORE A TAMBURO ROTANTE
1) Camera di combustione
rotante
2) Bruciatore d’avviamento
3) Ventilatore aria primaria
4) Bruciatore supplementare
5) Scarico ceneri
6) Coclea di alimentazione
7) Tramoggia di carico
8) Uscita gas combusti
51
combustione
a griglia
camere di forme diverse con pareti refrattarie o membrane
combustione
a tamburo
rotante
letto inerte:
 permette un elevato scambio termico con la biomassa
combustione
a letto fluido
all’interno è presente un letto granulare di materiale inerte, mantenuto
in sospensione da un flusso d’aria proveniente dalla base del cilindro
ridotta di pezzatura (≈ dimensioni del letto sabbioso)

garantisce capacità termica al sistema
gestisce la variabilità delle caratteristiche energetiche della biomassa
possono essere trattati
vari tipi di biomassa
Combustore a letto
fluido
inclusi i materiali più difficili
quali ligniti, torbe, RSU e fanghi,
anche in presenza
di un forte gradiente di umidità
52
carbonizzazione
consente la trasformazione delle molecole strutturate
dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone
ottenuta mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze
volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle
carbonaie all’aperto o in forni chiusi (resa maggiore)
viene fornito calore per l’eliminazione dell’umidità e delle
sostanze volatili fino ad una temperatura di circa 275 °C
processo
di carbonizzazione
le reazioni diventano esotermiche e non è più necessario
fornire calore
a 350 °C circa la pirolisi esotermica ha termine ed occorre
fornire ancora calore per eliminare i composti catramosi (tars)
formatisi nel char
m3 legna/ton char
Tipo di forno
resa in carbone
per m3 di legna utilizzata
~ 165 kgCHAR/m3LEGNA principali parametri
di un processo
di carbonizzazione
15
20
umidità (%)
40
60
Reattore in terra
10
13
16
Reattore in acciaio
6
7
Reattore in mattoni
6
Distillatore (storta)
4,5
80
100
21
4
27
9
3
5
16
6
7
10
11
12
4,5
5
7
8
9
53
carbonaie all’aperto
legname disposto ordinatamente in cataste
ricoperte di terra, al cui interno sono ricavati
passaggi per l’aria, dosata per minimizzare l’O2
a lotti
sistemi
per la
produzione
di carbone
carbonaia a cumulo
forni in terracotta, mattoni e acciaio
(evoluzione dei sistemi a lotto)
esempio: tipo MISSOURI
il materiale (ridotto in opportuna pezzatura),
viene fatto passare in camere successive
in cui avvengono le fasi di essiccazione e pirolisi
continui
forno tipo MISSOURI
forno continuo a focolari multipli
54
gassificazione
processo
di gassificazione
processo che converte la biomassa in un gas combustibile
a basso potere calorifico, attraverso una parziale
combustione in presenza di una modesta quantità di
ossigeno
 parziale combustione della biomassa (rilascia
calore)
 calore utilizzato per essiccazione e distillazione
(pirolisi) della biomassa in alimentazione
 aria comunque iniettata nel reattore la quale ossida
parzialmente anche i prodotti volatili (tars e gas) e
solidi (char) di pirolisi
gas derivato
principali criticità
dei sistemi
di gassificazione
(e di pirolisi)
miscela di CO, H2, CH4, CO2, N2
+ sostanze volatili condensabili (tars)
e particolato (ceneri e catrame)
difficoltà di depurazione del gas di sintesi dal particolato
e dai catrami presenti in sospensione
potere calorifico del gas risultante troppo basso
55
a tiraggio superiore (o in controcorrente)
gassificatori
tipologie
a tiraggio inferiore (o in equicorrente)
a reattore aperto
gassificazione in equicorrente
gassificazione in controcorrente
note
per arricchire in H2
il gas di sintesi ottenuto
iniettare vapore
all’interno del reattore
per incrementare il potere calorifico
del gas di sintesi ottenuto
gassificare direttamente
con O2 (anziché aria)
(↑ costi)
56
principali caratteristiche
dei gassificatori
Flusso
discendente
Flusso
ascendente
Nucleo
aperto
Letto
fluido
Udb (%)
12 (max 25)
43 (max 60)
7 (max 15)
-
ACdb (%)
0.5 (max 6)
1.4 (max 20)
1 - 2 (max 20)
-
ACwb (%)
-
-
-
<6
Dim. (mm)
20 - 100
5 - 100
1-5
10 - 100
Temperatura uscita gas
(°C)
700
200 - 400
250 - 500
-
Temperatura di funzionamento
(°C)
-
-
-
800 - 1400
(g/Nm3)
0.015 - 0.500
30 - 150
2 - 10
<3
(-)
3-4
5 - 10
5 - 10
4
(kJ/Nm3)
4.500 - 5.000
5.000 - 6.000
5.500 - 6.000
4.500
Caratteristica
Combustibile
Tar
Turndown ratio
Potere calorifico inferiore gas
57
processo che consente di trasformare la sostanza
organica in prodotti finali combustibili solidi, liquidi e
gassosi)
pirolisi
(degradazione termica in assenza di agenti ossidanti)
viene fornito calore (400 °C < T < 800 °C)
indirettamente (attraverso le pareti del reattore (convezione e irraggiamento))
o
direttamente (ricircolando un mezzo riscaldante nel letto (conduzione))
gassosi non condensabili
(syngas o pyrogas (CO, H2O, H2, CH4 + altri idrocarburi leggeri)
prodotti
della pirolisi
volatili condensabili
(tar, di composizione complessa ed estremamente variabile)
miscela di idrocarburi pesanti di natura catramosa che costituisce il bio-olio)
solidi
(char) costituiti da un residuo carbonioso analogo al carbone di legna
e da ceneri
58
prodotti
della pirolisi
dipendono dalla
materia prima
utilizzata nel
processo
Materia prima
PVC
Pneumatici
PE
Gomma
Carta
Cartone
Cippato di legno
Cotone
Sansa
Materiale vegetale
Panello di girasole
Materiale di risulta della
lavorazione delle arance
composizione tipica
del syngas di pirolisi
Gas
(Nm3/kg)
Tar e acqua
(% in peso)
Carbone vegetale
(% in peso)
0,191
0,140
0,720
0,126
0,374
0,282
0,376
0,480
0,360
0,051
0,268
0,436
0,085
0,457
0,130
0,466
0,440
0,379
0,303
0,290
0,888
0,302
0,359
0,754
0,141
0,769
0,098
0,248
0,186
0,159
0,323
0,045
0,410
0,176
0,749
0,031
Componente
Percentuale
in volume (%)
H2
O2
N2
CH4
CO
CO2
C2
C3
C4
33,1
0
0,7
13,6
36,9
13,8
1,5
0,5
0
59
- temperatura e pressione di processo
parametri che
influenzano
il processo di pirolisi
- velocità dì riscaldamento (heat rate)
- tempo di residenza della fase solida e della fase volatile nel reattore
- dimensioni e forma delle particelle solide
- eventuale presenza di catalizzatori
pirolisi convenzionale
T<600 °C, tempi di reazione ≈ 5 ÷ 30 minuti; si ottengono le tre frazioni in uguali
proporzioni (gassosi non condensabili, volatili condensabili, solidi)
modalità
pirolisi veloce
500 °C<T<650 °C, tempi di permanenza ≈ 0,5 ÷ 5 secondi, flussi termici elevati;
elevata produzione di frazione liquida (fino al 70-80%)
flash pirolisi
T>700°C, tempi di contatto < 1 secondo;
produzione di frazione liquida intorno all'80% in peso dell'alimentazione
rese dei diversi
prodotti
per i diversi processi
di pirolisi
Processo
t
T
Prodotti
Carbonizzazione
Pirolisi
convenzionale
giorni
300÷500°C
100% char
5÷30 min
< 600°C
uguali proporzioni di tar, char, syngas
Pirolisi veloce
0,5÷5 sec
500÷650°C
70-80% tar, 20-30% char+ syngas
Flash pirolisi
< 1 sec
>700°C
80% tar, 20% char + syngas
60
demolizione delle sostanze organiche complesse
(lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali
e nei sottoprodotti di origine animale
digestione
anaerobica
(avviene ad opera di microrganismi, in assenza di ossigeno)
produce biogas (CH4 ≈ 50÷70%, resto quasi interamente CO2)
effettuato in un digestore anaerobico
processo
di digestione
la biomassa umida diventa terreno di coltura per una flora batterica eterogenea
composto da 4 fasi
idrolisi, acetogenesi, acidogenesi, metanogenesi
realizzato rispettivamente da quattro colonie batteriche
efficienza:
funzione dell’habitat ottimale
per la flora batterica
resa in biogas:
dipende dalla T
di processo
10 °C ÷ 20 °C → psicrofilia
20 °C ÷ 40 °C → mesofilia
40 °C ÷ 60 °C → termofilia
61
- reattore
volume mantenuto in temperatura (~ 60°C)
- sistema di miscelazione
- serbatoio di accumulo del biogas
componenti
(gasometro)
- sistema di depurazione del gas
(deumidificazione ed eliminazione di H2S)
impianto
di digestione
anaerobica
- utilizzatore
(caldaia o motore)
- sistema di riscaldamento del reattore
spesso realizzato con i fumi di scarico del motore
alimentazione residui ad alto contenuto di umidità
quali deiezioni animali, reflui civili,rifiuti
alimentari e frazione organica dei rifiuti
solidi urbani
62
digestione
anaerobica
rese
caratteristiche
in metano
Biomassa
m3 CH4/ton biomassa
Borlande di birreria(trebbie) fresche
Caseina
Deiezioni di pollame
Granella di mais asciutta
Insilato di mais
Lattosio
Letame bovino fresco
Letame equino
Letame ovino
Letame suino
Liquame di bestiame da latte
Liquame di bovini da ingrasso
Liquame suino
Mais insilato in grano
Panello di semi di colza spremuti a freddo grasso 15%
Panello di semi di girasole ad alto tenore di acido oleico
Residui alimentari ad alto tenore di grassi
Scarti della lavorazione casearia
Scarti della lavorazione delle verdure
Siero di latte condensato
Siero di latte fresco
Topinambur tubero fresco
Vinacce di frutta, mela
72,46
392,07
32,19
311,68
96,73
378,00
49,50
34,65
59,40
44,58
11,11
18,70
12,24
237,38
362,00
318,14
55,38
454,82
31,92
43,81
18,27
64,22
57,70
63
fermentazione
alcolica
consente di ottenere alcol a partire da biomasse
avviene ad opera di lieviti che metabolizzano i glucidi semplici (zuccheri)
e composti (amido e cellulosa)
la miscela di acqua ed alcool ottenuta viene
distillata: si ottiene alcool etilico (bioetanolo)
bioetanolo
se trasformato in
PCS ≈ 30.000 kJ/kg
ρ = 0.8 kg/l
N.O. = 100
ETBE (Etil-T-Butil
Etere)
PCS ≈ 39.000 kJ/kg
ρ = 0.75 kg/l
N.O. = 109-113
coltivazioni agricole
più sperimentate e
diffuse:
materia zuccherina:
canna da zucchero, grano,
barbabietola, mais, sorgo
zuccherino e topinambur
sostanze ricche di amido come il grano, il mais, l’orzo,
il sorgo da granella, la patata;
materie prime
sostanze ricche di saccarosio come la canna da zucchero,
la barbabietola, il sorgo zuccherino, alcuni frutti, ecc;
materia amidacea:
materia lignocellulosica:
sostanze ricche di cellulosa come la paglia, lo stocco del mais,
gli scarti legnosi, ecc.
64
fermentazione
alcolica
rese in ETBE di alcune colture oleaginose
Specie
Produttività
(t ETBE/t biomassa)
Mais granella
0,13-0,50
Barbabietola
0,05-0,11
Sorgo zuccherino
0,01-0,05
Frumento
0,07-0,36
Orzo
0,10-0,50
Topinambur
0,05-0,07
Pioppo
0,13-0,24
Scarti boschi
0,13-0,24
Panicum Virgatum
0,20-0,25
65
processo a bassa temperatura e pressione
che rompe il trigliceride con un alcol (metanolo o
etanolo) ottenendo estere metilico (o etilico)
transesterificazione
(cioè biodiesel e glicerina)
biodiesel
caratteristiche
analoghe al gasolio
PCI ≈ 38.000 kJ/kg
ρ = 0.89 kg/l
numero di cetano = 55 (se derivato da soia)
numero di cetano = 62 (se derivato da colza)
rese in Biodiesel
di alcune colture
oleaginose
può adesso essere
miscelato per impiego
in motori diesel
Specie
Produttività
(t biodiesel/t di semi)
Girasoli
Soia
Colza (Brassica Napus)
Colza (Brassica Carinata)
0,30-0,65
0,15-0,30
0,25-0,60
0,35-0,60
66
metabolizzazione delle sostanze organiche
per opera di microrganismi
compostaggio
(o digestione aerobica)
(il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno)
i batteri
convertono sostanze complesse in altre più semplici
liberano CO2 e H2O
producono un riscaldamento del substrato
differenza con digestione anaerobica:
la presenza di O2 genera prodotti
caratteristici dell’ossidazione del CH4 (CO2 e H2O)
67
Incentivazione delle biomasse
68
Incentivi per le bioenergie
Gli incentivi finanziari in Italia sono evoluti dai contributi in conto capitale ai contributi in
conto esercizio.
Gli incentivi attualmente in vigore sono:
Incentivi fiscali sugli usi per il riscaldamento.
Detrazioni fiscali per acquisto o allaccio di impianti domestici.
Incentivi per la produzione di elettricità.
Incentivi per la produzione di energia termica.
Contributi per colture dedicate.
Esenzioni fiscali per biodiesel e bioetanolo.
Contributi regionali per impianti.
INCENTIVAZIONE
DELL’ENERGIA
ELETTRICA
Legge n.244 del 24/12/07 (Legge Finanziaria 2008),
DM 18/12/08
L. 99 del 23/07/09
istituzione di un nuovo meccanismo di incentivazione
dell’energia elettrica prodotta da impianti alimentati da fonti
rinnovabili, entrati in esercizio dopo il 31/12/07, che prevede la
possibilità di scegliere tra l’ottenimento di Certificati Verdi e di
tariffe incentivanti.
69
Incentivazione energia elettrica
certificati verdi
•
I produttori e gli importatori di energia elettrica (che immettono in rete più di
100 GWhe/anno) hanno l’obbligo di immettere in rete ogni anno una certa
quota di energia prodotta con impianti alimentati da FR
•
L’obbligo 2010 è pari al 5,30% dell’energia prodotta/importata da fonti non
rinnovabili (tolta la cogenerazione e i servizi ausiliari) che è stata prodotta o
importata nel 2009; l’obbligo cresce dello 0,75%/anno.
•
La produzione da FR è attestata dai Certificati Verdi, titoli emessi
annualmente dal GSE. Ogni CV ha una taglia di 1 MWhel ed è valido per 3
anni.
Il diritto ai CV si ha nei primi 15 anni dall’entrata in esercizio.
•
•
I produttori e gli importatori possono adempiere all’obbligo per mezzo di CV
emessi a fronte della produzione da FR propria, o di altri operatori
(→mercato dei CV: contratti bilaterali o piattaforma GME).
70
Energia elettrica incentivata
Energia annua prodotta:
 al netto dei servizi ausiliari;
 a prescindere dall’utilizzo (autoconsumo, cessione, vendita);
 È moltiplicata per i seguenti coefficienti:
FONTE
Eolica per impianti di taglia superiore a 200 kW
Eolica offshore
Geotermica
Moto ondoso e maremotrice
Idraulica diversa da quella del punto precedente
Rifiuti biodegradabili, biomasse diverse da quelle di cui al punto
successivo
Biomasse e biogas prodotti da attività agricola, allevamento e
forestale da filiera corta
Gas di discarica e gas residuati dai processi di depurazione e
biogas diversi da quelli del punto precedente
COEFFICIENTE
1,00
1,50
0,90
1,80
1,00
1,30
1,80
0,80
71
Valore certificati verdi
Legge Finanziaria 2008
Prezzo di riferimento CV:
differenza tra un valore fisso (stabilito in sede di prima applicazione in 180 euro per MWh) ed il
valore medio annuo del prezzo di cessione dell'energia elettrica, definito dall’AEEG ogni anno a
decorrere dal 2008.
Per il 2010, ad esempio, ai fini della definizione del valore CV, AEEG ha stabilito che il valore
medio annuo del prezzo di cessione dell’energia elettrica è pari 67,18 €/MWh. Il prezzo CV 2010
è pertanto pari a: 180 – 67,18= 112,82 €/MWh.
Fino al 2011, il GSE ritira i CV scaduti, al prezzo medio di mercato dei 3 anni precedenti (DM
18/12/2008). Nel 2009 è pari a 98 €/MWh
72
DECRETO ATTUATIVO MIPAAF-MSE
BIOMASSA DA INTESE DI FILIERA:
biomassa e biogas prodotti nell’ambito di intese di filiera o contratti quadro di cui agli articoli 9
e 10 del decreto legislativo n. 102 del 2005;
BIOMASSA DA FILIERA CORTA:
biomassa e biogas entro il raggio di 70 km dall’impianto di produzione dell’energia
elettrica. La lunghezza del raggio è misurata come la distanza in linea d’aria che intercorre
tra l’impianto di produzione dell’energia elettrica e i confini amministrativi del Comune in cui
ricade il luogo di produzione della biomassa.
73
Vendita energia elettrica
 Programmabili: biomasse
 Non Programmabili: biogas
74
Tariffa omnicomprensiva
In alternativa al meccanismo di valorizzazione dell’energia prodotta
(Certificati Verdi), per gli impianti da FR con 1 kWe ≤ Pn ≤ 1 Mwe la
Finanziaria 2008 ha previsto una tariffa omnicomprensiva di CESSIONE
alla rete:
Fonte
Biogas e biomasse (esclusi i biocombustibili liquidi ad eccezione degli oli
vegetali puri tracciabili attraverso il sistema integrato di gestione e di
controllo previsto dal Regolamento (CE) n. 73/2009 del Consiglio, del 19
gennaio 2009)
Gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biocombustibili
liquidi (ad eccezione degli oli vegetali puri tracciabili attraverso il sistema
integrato di gestione e di controllo previsto dal Regolamento (CE) n.
73/2009 del Consiglio, del 19 gennaio 2009)
Tariffa
c€/kWh
28
18
75
Cumulabilità incentivi
Art. 2 comma 152 Legge Finanziaria 2008 dopo le modifiche apportate dalla
L.99/09:
La produzione di energia elettrica da impianti alimentati da fonti rinnovabili, entrati in
esercizio in data successiva al 30 giugno 2009, ha diritto di accesso agli incentivi
(CV e TO) a condizione che i medesimi impianti non beneficino di altri incentivi pubblici
di natura nazionale, regionale, locale o comunitaria in conto energia, in conto capitale o
in conto interessi con capitalizzazione anticipata assegnati dopo il 31 dicembre 2007.
Novità (art.42 comma 8 – L.99/09)
Per gli impianti di proprietà di aziende agricole o gestiti in connessione con aziende
agricole, agroalimentari, di allevamento e forestali l’accesso, a decorrere
dall’entrata in esercizio commerciale, la tariffa fissa onnicomprensiva è cumulabile
con altri incentivi pubblici di natura nazionale, regionale, locale o comunitaria in
conto capitale o in conto interessi con capitalizzazione anticipata, non eccedenti il
40% del costo dell’investimento.
Nota: Ai sensi dell’art. 1 comma 382-quinquies della Legge Finanziaria 2007
modificato dalla Legge 222/07, per gli impianti alimentati da biomasse di filiera, i CV
sono cumulabili con altri incentivi pubblici di natura nazionale, regionale, locale o
comunitaria in conto capitale o conto interessi con capitalizzazione anticipata, non
eccedenti il 40% del costo dell'investimento. A tali impianti è consentito l’uso di
biomasse non da filiera in percentuale ≤ 20%.
76
Incentivazione energia termica
 DM 20 Luglio 2004 “Elettrico”( “Efficienza energetica – Usi
finali dell’energia”) e “Gas” (“Risparmio energetico e sviluppo
delle fonti rinnovabili – Obiettivi nazionali”), come modificati dal
DM 21 Dicembre 2007
 DLgs.115/08
I “certificati bianchi”, o “Titoli di Efficienza Energetica” (TEE), attestano
il conseguimento di risparmi energetici attraverso l’applicazione di
tecnologie e sistemi efficienti.
 Emessi dal GME (Gestore dei Mercati Energetici).
 Un certificato equivale al risparmio di 1 tonnellata equivalente di petrolio
(tep)
77
Autorizzazioni
1.
Autorizzazione Unica (Emilia Romagna: sotto la soglia dei 50 MWt la competenza spetta alle
Province).
2.
Normativa
Procedura
DL 1 Ottobre 2007, n.159
Gli impianti a biomasse di potenza elettrica inferiore a 200 kW e quelli a
biogas di potenza elettrica inferiore a 250 kW sono soggetti soltanto alla
Denuncia di Inizio Attività (DIA).
L. 23 Luglio 2009, n. 99
Gli impianti di cogenerazione di potenza elettrica inferiore a 50 kW sono
assoggettati alla sola comunicazione da presentare alla Autorità Competente.
Gli impianti di cogenerazione di potenza elettrica inferiore a 1 MW sono
soggetti soltanto alla Denuncia di Inizio Attività.
Autorizzazione per le emissioni in atmosfera
Potenza termica nominale installata (MW)
>0,15 - ≤3
>3 - ≤6
>6 - ≤20
>20
Polveri totali (mg/Nm3)
100
30
30
30
Carbonio Organico Totale (mg/Nm3)
-
-
30
20
(valore medio giornaliero: 10)
Monossido di carbonio (mg/Nm3)
350
300
250
200
Ossidi di azoto (mg/Nm3)
500
500
400
400
Ossidi di zolfo (mg/Nm3)
200
200
200
200
Gli impianti a biomasse di potenza termica nominale inferiore a 1 MW sono esclusi
dall’autorizzazione per le emissioni
78
Casi di studio
79
1. PROGETTO ERAASPV:
ENERGIA RINNOVABILE PER LE AZIENDE
AGRICOLE DERIVANTE DA SCARTI DI
POTATURA DEI VIGNETI
80
Introduzione
Studio della filiera del recupero energetico delle potature presso un’azienda
vitivinivicola umbra
Obiettivi del progetto:
1. Autonomia energetica dell’azienda
2. Risparmio di energia da fonte primaria fossile
3. Sviluppo di sistemi di conversione dell’energia da biomassa
4. Sviluppo dell’indotto legato alla filiera.
La filiera si articola nelle seguenti fasi:
• raccolta della potatura
• stoccaggio
• cippatura
• conversione energetica
81
1- ROTOIMBALLATURA DEI SARMENTI DI
VITE
CARATTERISTICHE
ROTOBALLE
ROTOPRESSA LERDA T110
Diametro
1,0 m
Lunghezza
1,1 m
Peso (s.s.)
130 Kg
1m
320 cm
Larghezza massima
209 cm
Peso
1360 Kg
Potenza richiesta
35/45 hp
Lunghezza balle
110 cm
Diametro balle
100 cm
1,1 m
Lunghezza massima
82
Ubicazione vigneti, stoccaggi rotoballe e centrale a biomasse
83
CANTIERE DI RACCOLTA 2007
Miglioramenti
- Potatura eseguita su filari alternati
- Unico operaio alla guida del trattore
- Modifiche alla rotoimballatrice
Rulli di ferro al posto delle ruote per il passaggio
nei filari più stretti (larghezza da 2,09 a 1,54 m) e
applicazione carter in lamiera per evitare incastro
dei sarmenti in fase di legatura
84
RACCOLTA delle POTATURE: MODIFICHE alla
rotoimballatrice
Sostituzione delle ruote
gommate con dei rulli in ferro
riduzione dell’ingombro in
larghezza della macchina (da
2,09 m a 1,54 m)
passaggio nei filari più stretti
(2 m)
85
2- TRASPORTO,STOCCAGGIO ED
ESSICCAZIONE DELLE ROTOBALLE
TRASPORTO IN STOCCAGGIO ALL’APERTO
(6 Km DALLA CENTRALE TERMICA NEL 2006)
(1 Km DALLA CENTRALE TERMICA NEL 2007 E 2008)
TRASPORTO E STOCCAGGIO 2006 (CIRCA 6 Km)
86
TRASPORTO e STOCCAGGIO 2007-2008 (CIRCA 1 Km)
87
UMIDITA' RELATIVA (%)
40.00%
37.76%
Umidita' media (%)
35.00%
30.00%
26.09%
25.00%
20.00%
16.01%
15.74%
15.00%
12.14%
11.29%
10.00%
10.65%
11.91%
8.47%
5.00%
0.00%
Gen
Mar
Apr
Mag
Giu
Lug
Set
Ott
Nov
Mese
VARIAZIONE UMIDITA’:
38-40% alla raccolta
6% nei mesi estivi
12% nei mesi di Novembre-Dicembre (poco piovosi)
Potere calorifico inferiore
17.300 kJ/kg (4,8 kWh/kg)
88
3- CIPPATURA E
IMMAGAZZINAMENTO
E’ stato utilizzato un carro
miscelatore per
l’alimentazione zootecnica
STORTI BULLDOG 15 MC
80 hp
Sistema a coltelli rotanti
Cippato 5-7 cm
Caricamento silo con
nastro trasportatore
89
4- CONVERSIONE ENERGETICA DEL
CIPPATO
FABBISOGNI ENERGETICI DELL’AZIENDA VITIVINICOLA
• 30.000 l/anno di gasolio per riscaldamento uffici, condizionamento
botti e produzione di vapore per sterilizzazione bottiglie (297 MWh);
• 11.000 l/anno di gpl per condizionamento barriques vini rossi, per
riscaldamento laboratorio e sala degustazioni (79 MWh);
• 709.000 kWh/anno di energia elettrica, dei quali circa 336 MWh/anno
per alimentare le macchine frigorifere a compressione.
90
Caratteristiche caldaia a biomasse
Combustibile
Cippato di legno
Potenza al bruciatore
600 kW
Potenza utile
400kW(compromesso consumo/disponibilità)
Rendimento termico
66%
Tipo di focolare
Griglia mobile
Unità recupero termico
Scambiatore fumi/olio diatermico
Fluido termovettore
Olio diatermico fino a 300°C
CONVERSIONE ENERGETICA DELLA BIOMASSA
150 ton s.s./anno – 720 MWh/anno
ACQUA CALDA 85°C
(riscaldamento locali e
produzione acqua
calda sanitaria)
ACQUA REFRIGERATA
-10°C
(Processo di
vinificazione)
ACQUA FREDDA
7°C
(condizionamento
estivo dei locali)
VAPORE
ACQUA SURR.
(sterilizzazione
delle bottiglie)
91
Copertura dei fabbisogni energetici
dell’azienda
2008 (avviamento
impianto biomasse)
2008
Fabbisogni
(el. + term.)
380
MWht
1.100
MWh
Caldaie
Fabbisogni
(el. + term.)
1.100
MWh
380
MWht
Caldaia
biomassa
80
kWhe
Gruppo frigo
biomasse
Gruppi frigo
340
compressione
MWhe
260
(elettrici)
MWhe
Gruppi frigo
compressione
380
altro
MWhe
380
MWhe
0% rinnovabile
42% rinnovabile
altro
2009 upgrade
(produzione en. el.)
Fabbisogni
1.100 MWh
(el. + term.)
380
MWht
Caldaia
biomassa
340
Gruppo frigo
MWhe biomasse
Stirling biomasse
380
(70 kW x 6.000
MWhe
ore)
100% rinnovabile
92
STOCCAGGIO CIPPATO
Volume silo stoccaggio cippato: >60 mc
Autonomia stoccaggio: min 7-8 giorni
93
CENTRALE TERMICA A CIPPATO
1. sistema caricamento cippato
1
4
2
5
2. combustore griglia mobile raffreddata ad
acqua;
3. scarico ceneri automatico a doppia coclea
su carrello trasportabile;
4. scambiatore fumi-olio diatermico a 300°C, di
potenza termica resa pari a 400 kW;
5. sezione trattamento ed espulsione fumi
(ciclone depolveratore, aspiratore fumi
centrifugo e camino );
5
3
1
2
6. sistema di tubazioni ad olio diatermico per la
distribuzione del fluido alle utenze
4
94
Impianto
Caldaia a cippato ad olio diatermico
Sistema trattamento fumi
95
Impianti di digestione anaerobica
96
Esempi di impianti di digestione anaerobica
97
Esempi di impianti di digestione anaerobica
98
La situazione in Italia
BIOMASSE INTERESSATE:
• Deiezioni animali :
187.000.000 t/a.
• Scarti agroindustriali: 12.000.000 t/a.
• Scarti di macellazione:
2.000.000 t/a.
• Fanghi di depurazione: 2-3.000.000 t/a.
• Fraz.org. dei R.U.:
• Residui colturali:
9.000.000 t/a.
10.000.000 t SS/a
• Colture energetiche: 230.000 ha set aside
99
La situazione in Italia
12
39
3
7
2
Digestori anaerobici
operanti su liquami
zootecnici
in Italia :72 impianti
censiti.
1
2
1
1
1
3
100
Studio preliminare impianto digestione
anaerobica da reflui zootecnici
Allevamenti suini considerati nel territorio: 5 situati a distanze ridotte
Negli ultimi anni è nato un forte interesse verso la codigestione dei liquami zootecnici
con culture energetiche come mais, sorgo zuccherino, oli e grassi vegetali
esausti, scarti della lavorazione della frutta e residui organici dei rifiuti. L’impiego
di biomasse vegetali nel processo di digestione anaerobica, oltre a migliorare le
caratteristiche e la stabilità dello stesso, può aumentare notevolmente la producibilità di
biogas e quindi influire positivamente sul bilancio economico dell’impianto.
Per tale ragione, si prende in considerazione la possibilità di impiegare una seconda
tipologia di matrice, costituita da insilato di mais.
101
• Il mais idoneo all’insilamento è sostanzialmente un silomais coltivato in modo
ordinario, raccolto, trinciato ed insilato alla maturazione cerosa, 45-50 giorni
dopo la fioritura;
• Il materiale che viene immesso nei reattori per la fermentazione è una
miscela di spighe, foglie e stocchi in cui il 40-45% della sostanza secca e
circa i 2/3 del potere nutritivo sono riferibili alla granella.
• OBIETTIVO: determinare il quantitativo sufficiente di trinciato di mais per un
impianto di potenza massima di 250 kWe
• I cinque allevamenti presi in considerazione presentano una capacità
complessiva pari a 10.500 capi (N), che si considerano da ingrasso dal peso
medio di 95 kg l’uno (P). La produzione giornaliera di liquame viene stimata
intorno al 9% (Lg) del peso del suino
L = Lg· P · N = 89.775 kg/gg
• La produzione di biogas (G), in m3, può essere stimata pari a circa il 45%
della sostanza secca organica:
G = 1.818 m3/gg
102
• L’energia ottenibile dalla combustione del biogas prodotto dipende da
molteplici fattori tra cui, il principale, è la tipologia di sistema che si impiega
per la cogenerazione, ossia se la produzione avviene tramite motori a
combustione interna o motori a combustione esterna.
• Considerando un motore a combustione a ciclo Otto, la potenza elettrica
installabile che si ottiene da questa prima matrice può essere stimato pari a
circa 142 kWe , a cui corrispondono circa 216 kWt di potenza termica (avendo
assunto un rapporto tra potenza termica ed elettrica pari a 1,52)
• Per raggiungere la potenza di 250 kWe, sono necessari 6.750 kg al giorno di
insilato di mais, dato che con questo quantitativo si riescono a produrre altri
1.238 m3 di biogas al giorno
• Hp: resa del silomais pari a 600 q/ha e funzionamento annuo dell’impianto
pari a 333 gg/anno, si ricava che gli ettari necessari da coltivare a mais
sono circa 37.
• L’impiego in codigestione del silomais consente pertanto di incrementare la
potenza elettrica dell’impianto di circa 108 kW e quella termica di circa 164
kW.
103
• Ipotesi di funzionamento: 7.500 ore all’anno
• l’energia elettrica complessivamente producibile è pari a 1.875
MWh/anno, mentre quella termica risulta essere 2.850 MWh/anno.
• Si ipotizza inoltre che l’impianto consumi per il proprio funzionamento circa
il 42% dell’energia termica prodotta (1.197 MWh/anno) e l’8% di quella
elettrica (150 MWh/anno).
104
Schema di impianto
 I liquami provenienti dai cinque allevamenti
(freccia verde) passano per un separatore
solido-liquido, prima di essere immessi nei
digestori;
 il substrato raggiunge i digestori primari,
mentre la frazione grossolana (freccia
marrone) può essere subito usata come
ammendante o trasportata ad un eventuale
impianto di compostaggio.
 Nei reattori è immesso anche l’insilato di mais
(freccia arancione).
 Il biogas (freccia rossa) prodotto sia dai
digestori primari che secondari, viene
trasportato tramite tubazioni al cogeneratore.
 Il circuito dell’acqua (freccia gialla) che parte
dal cogeneratore a circa 120°C, per poi
raggiungere i digestori primari e cedere calore
tramite o scambiatori di calore (acqua-fango)
o immessa direttamente in serpentine
all’interno dei digestori
105
Analisi economica
• Voci passive
realizzazione dell’impianto di digestione anaerobica:
produzione/conferimento di matrici organiche: vengono considerati tutti i costi
relativi alla produzione delle biomasse vegetali (silomais) o di conferimento da
aziende esterne.
manodopera relativa alla gestione delle biomasse vegetali: a differenza degli
effluenti zootecnici che normalmente sono pompabili e già gestiti all’interno
dell’azienda, le biomasse vegetali richiedono un impegno di manodopera aggiuntivo;
manodopera relativa alla gestione ordinaria dell’impianto: con questa voce si
intende il tempo impegnato dal conduttore o dal tecnico specializzato per eseguire
tutte le operazioni (escluso il caricamento delle biomasse) di controllo e gestione
dell’impianto nel suo complesso;
manutenzione ordinaria delle attrezzature connesse al digestore anaerobico;
manutenzione straordinaria: viene ipotizzata una spesa straordinaria al termine
della vita utile del cogeneratore (generalmente 8 anni) e delle opere
elettromeccaniche (generalmente 10 anni), calcolata come percentuale
dell’investimento iniziale;
imprevisti e spese generali: vengono calcolati come percentuale dei costi totali.
106
Analisi economica
• Voci attive
vendita energia elettrica al gestore della rete;
 incentivi per la produzione di energia elettrica da fonte rinnovabile;
Valorizzazione dell’energia termica autoconsumata.
Costi fissi= circa 1.165.000 €
Costi variabili:
– Ipotesi 1(acquisto silomais) 215.000€/anno
– Ipotesi 2 (autoproduzione silomais) 183.000€/anno
• Ricavi annui
– Tariffa onnicomprensiva 517.500 €
– Vendita energia termica 63.640 €
– TOTALE 581.140 €
• Tempo di ritorno dell’investimento: 6/7 anni nell’ipotesi di acquisto di silomais
che si riducono a 5/6 nel caso di autoproduzione
• Benefici ambientali CO2(evitata) = 1.200 tCO2eq/anno
107
Cenni sull’energia dai rifiuti
108
Numerosità e potenza di impianti alimentati
con RSU in Italia
109
Confronto con la situazione europea
110
Confronto con la situazione europea:
Rapporto tra la produzione da impianti da Rb e la
produzione FER
111
Distribuzione regionale
112
Rifiuti
Rifiuto: qualsiasi materiale od oggetto derivante da attività umane o da cicli naturali
che viene abbandonato o destinato all’abbandono.
Rifiuti Solidi:
•Urbani:
provenienti da insediamenti civili;
•Speciali:
cantieri edili, lavorazioni industriali, ospedali;
•Tossico nocivi:
contenenti sostanze pericolose per la salute e/o l’ambiente.
RSU:
La produzione pro-capite è in continuo aumento nei paesi industrializzati
•USA
> 2 kg/giorno persona
•ITALIA > 1 kg/giorno persona
Con il benessere tende ad arricchirsi anche la composizione dei rifiuti, poiché
diminuisce la frazione organica umida putrescibile ed aumenta la frazione non
biodegradabile.
113
Caratteristiche medie dei Rifiuti Solidi
Urbani prodotti in Italia
114
Composizione merceologica media dei rifiuti
solidi urbani e rinnovabilità
115
Contenuto energetico dei RSU in italia
116
Sistemi di smaltimento
• Raccolta differenziata;
• Discarica;
• Compostaggio;
• Incenerimento / Termovalorizzazione.
117
Discarica controllata
È il metodo più diffuso per i bassi costi di impianto e di esercizio.
Comporta la perdita indiscriminata della frazione merceologica
riciclabile.
Il BIOGAS va recuperato
(cattivi odori ed effetto serra)
I processi possono durare anche 10 – 20 anni
Produzione
3,5 x 10 -4 m3/h per m3 di RSU
Potere Calorifico 15 MJ/m3
Percolato
- Scelta di terreni con buone caratteristiche di impermeabilità;
- Distanza da corsi d’acqua e falde;
- Impermeabilizzazione fondo e pareti;
- Sistemi di raccolta del percolato.
118
Impianti di compostaggio
 Riguardano la frazione organica putrescibile;
 Fermentazione aerobica indotta da micro organismi già presenti o inoculati nei rifiuti
stessi;
 Processi che avvengono in aria (BIO-OSSIDAZIONE)
o Umidità
≈
50 %
oT
>
55 °C
o Aerazione :
5 m3/h per tonnellata di materia organica
 Fermentazione naturale
Alcuni mesi
 Fermentazione artificiale
Qualche settimana
COMPOST
→
Terriccio fertile per l’agricoltura
119
Incenerimento e termovalorizzazione
• Notevole riduzione in Volume;
• Possibilità di produrre energia termica e/o elettrica.
Tecnologie:
Forno a griglia
Forno rotante
Combustione a letto fluido
Post Combustione:
Garantisce la termodistruzione dei microinquinanti
T
950 – 1200 °C
v
10 m/s
O2
> 6%
0,004 mg/m3 per diossine e furani
Limiti stringenti di emissioni
RSU tal quale
Combustibile:
CDR (RDF) (fiocchi, pastiglie, mattonelle)
120
FLOW-CHART PER ANALISI L.C.A DI UN IMPIANTO
DI TERMOVALORIZZAZIONE RSU:
121
TECNOLOGIA DI TERMODISTRUZIONE:
1. COMBUSTIONE TOTALE:
RIFLETTE L’IDEA DI BRUCIARE SEMPLICEMENTE IL RIFIUTO, GRAZIE AL SUO ELEVATO CONTENUTO
DI MATERIALI COMBUSTIBILI.
SEDE NATURALE E’ IL FORNO, CAPACE DI PORTARE IL COMBUSTIBILE IN TEMPERATURA,
FAVORENDONE L’ACCENSIONE, E DI CONVOGLIARE I FUMI PRODOTTI ATTRAVERSO IDONEE
SEZIONI DI RECUPERO TERMICO, TRATTAMENTO DEPURATIVO E SCARICO IN ATMOSFERA.
FORNO A GRIGLIA: attualmente considerato il tipo di forno più adatto allo smaltimento di rsu
(griglia mobile in 6 versioni differenti), ha raggiunto elevatissimi livelli di efficienza (>99%) e
affidabilità, con capacità nominali di oltre 600 t/g, consentono un esercizio di 7000-8000 t/anno e
periodi di funzionamento ininterrotto.
 sono in grado di bruciare oltre RSU tal quale.
 i minori eccessi d’aria richiesti e le minori dispersioni termiche consentono di condurre il
processo senza apporto di combustibile ausiliario.
FORNO A TAMBURO ROTANTE: utilizzato principalmente per smaltimento di rifiuti o residui di
origine industriale. Può smaltire materiali di diversa consistenza, solidi (compressi in fusti interi),
fanghi e correnti liquide. Può trattare materiali ad elevato p.c.i., non smaltibili in un forno a
griglia. adatto alla combustione di rifiuti tossici e nocivi.
NON SI PRESTA ALLA COMBUSTIONE DI RIFIUTI URBANI, dato il loro basso p.c.i. che rende la
combustione non autosostentante, richiede elevati eccessi d’aria, producendo un quantitativo
maggiore di fumi da trattare, a parità di rifiuto combusto. È limitato a piccole potenzialità.
122
COMBUSTIONE PARZIALE:
vi rientrano diverse configurazioni impiantistiche, la cui caratteristica peculiare è data dal
minoritario ruolo del contatto con l’ossidante. si realizza una decomposizione termica delle
componenti organiche in molecole semplici e, come ali più volatili, parzialmente ossidate. il
processo è endotermico e quindi richiede un apporto di calore dall’esterno o dall’interno per
combustione di una parte di solido.
FORNO A LETTO FLUIDO: tecnologicamente vantaggioso per la capacità di ottenere una buona
combustione con residui minimi, non ancora diffuso quanto la griglia mobile. applicabile alla
combustione di fanghi, sfridi della lavorazione del legno, rdf e rifiuti con spettro granulometrico non
eccessivamente disperso
VANTAGGI: OMOGENEITA’ DELLA COMBUSTIONE, ASSENZA DI ZONE IN CUI IL RIFIUTO SI TROVA AD
ELEVATE TEMPERATURE E DIFETTO DI OSSIGENO (POTENZIALE PERICOLO DI PIROLISI E
FORMAZIONE DI COMPOSTI ORGANICI VOLATILI). NEUTRALIZZAZIONE NELLA CAMERA DI
COMBUSTIONE DEI GAS ACIDI (TRAMITE SOSTANZE BASICHE IMMESSE), RIDOTTA CORROSIVITA’ DEI
FUMI, MINIME SEZIONI DI TRATTAMENTO DEGLI EFFLUENTI. MINORE ECCESSO D’ARIA NECESSARIO.
TEMPERATURE RAGGIUNGIBILI PIU’ ELEVATE, ELEVATI RENDIMENTI TERMICI DALLA COMBUSTIONE
CON RECUPERO DI CALORE.
SVANTAGGI: NECESSITA’ DI PRETRATTARE IL COMBUSTIBILE PER RIDURLO A PEZZATURA OMOGENEA
E RELATIVAMENTE FINE. DIFFUSIONE PENALIZZATA ANCHE DA PRESUNTA DIFFICOLTA’ DI ESERCIZIO

COMBUSTORE A LETTO FLUIDO BOLLENTE (CFB)
 COMBUSTORE A LETTO FLUIDO RICIRCOLANTE (CFB)
123
TECNOLOGIE ALTERNATIVE:
 TECNOLOGIA AL PLASMA: PLASMI GENERATI MEDIANTE
SCARICHE ELETTRICHE AD ALTO
VOLTAGGIO, RADIAZIONE CON MICROONDE O ONDE RADIO CHE PRODUCONO DEGRADAZIONE
ELEMENTARE DI MOLECOLE COMPLESSE IN TEMPI BREVISSIMI (millisecondi).TECNOLOGIA ADATTA
ALLA COMBUSTIONE DI RIFIUTI TOSSICI.
•
Vantaggi: completa distruzione dei componenti pericolosi dei rifiuti, altissime temperature generate (>10.000°c),
compattezza impiantistica
 GASSIFICAZIONE:
OSSIDAZIONE PARZIALE DI SOLIDI, LIQUIDI E AERIFORMI, CON OBIETTIVO
FINALE PRODUZIONE DI COMBUSTIBILE GASSOSO (CO, H, idrocarburi leggeri, CH4)
•
APPLICATA PREVALENTEMENTE PER GASSIFICARE CARBONE E IDROCARBURI, ESTESA AI RSU CON
PROCESSI A LETTO FLUIDO, LETTO FISSO E LETTO SOSPESO.
•
vantaggi: avviene con limitata quantita’ di ossigeno o di altro agente, realizza una comb. parziale tale da fornire
energia necessaria all’avanzamento di reazioni endotermiche
•
svantaggi: la variabilità del p.c.i dei rsu porta alla formazione di blocchi solidi (cakes) capaci di bloccare il processo
 Pirolisi:
decomposizione termica per effetto della sola temperatura (450-1000°c). Processo non ancora
consolidato a livello tecnologico, applicabile al trattamento di rifiuti tipo pneumatici, biomasse, cdr.
•
Vantaggi: avviene con assenza di agenti ossidanti
•
Svantaggi: elevato dispendio energetico per la fornitura di energia termica
•
DEL VETRO (1260°C)
Vantaggi: combustione completa, scorie e cenere immerse in massa vetrosa inerte dopo raffreddamento,
elevata stabilità chimica, modesta produzione di fumi
•
SVANTAGGI: ELEVATO CONSUMO DI ENERGIA ELETTRICA (8000 kWh/tonn.)
 FORNI A FUSIONE ELETTRICA: RIFIUTI ALIMENTATI IN FORNO ELETTRICO PER LA FUSIONE
124
Schemi impiantistici
Schema tipo per combustore RSU a griglia mobile
Schema tipo per combustore RSU con tecnologia a griglia fissa
Schema tipico di combustore per rifiuti solidi urbani a forno rotante Schema tipo per combustore di rifiuti solidi urbani a letto fluido
125

4. Energia dalle biomasse - Centro di Ricerca sulle Biomasse

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