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Milano 20 Aprile 2016
Tecnologie per un utilizzo efficiente ed efficace
delle biomasse anche in funzione dell’utilizzo
energetico previsto.
Giacobbe Braccio
Divisione Bioenergia Bioraffineria e Chimica verde
ENEA
Convegno ATI- Ordine Ingegneri provincia Milano: Biomasse come vettore energetico: quali prospettive
1
GIS Energy crops Processi termochimici Biofuels di 2nd generazione Chimica Verde, biomateriali
Combustione Biomasse Mappatura Biomasse
Digestione Anaerobica Biodiesel Alghe
Processi biologici (glicerolo, bioidrogeno)
Dipartimento ENERGIA
Divisione Bioenergia Bioraffineria e chimica verde
LCA –Digestione anaerobica
Conversione Fisica
Olio Combustibile
Spremitura
Conversione Termochimica
BioOlio, BioChar, Gas
Calore
Gas Combustibile
Combu-stione
Gassifica-zione
Pirolisi
Conversione Biologica
Etanolo Biogas
Fermenta-zione
Digestione
Tipologia biomasse e utilizzi a scopo energetico
Energia termica Energia elettrica Biocarburanti Biochemicals
biomassa vegetale, scarti agricoli
U% > 50 C/N ~ 25-30
U% < 35 C/N > 30
U% < 50 C/N > 30
Piante e residui cellulosici, amidacei e zuccherini – residui fermentascibili,
reflui animali, FORSU
Piante e residui oleaginosi: colza, soia,
girasole, …
Lignocellulosiche Amidacee Organici
Oleaginose
Piante da fusto, residui della silvicoltura, scarti
lavorazione del legno, …
Contatore Bioenergie Elettriche
Totale contatore 5649 M€/y
- Bioenergie 2730 M€/Y = 48%-
- Biomasse solide 764,8 =13,5 % - Biomasse solide piccoli impianti
circa 110 M€ (2 % incentivi)
Modalità di accesso agli incentivi per impianti a biomassa
5
Accesso agli incentivi per impianti nuovi, riattivazioni, integrali ricostruzioni e potenziamenti (DM 12 Luglio 2012): 3 percorsi in funzione della potenza installata
Tipologia di incentivi per la produzione di energia da biomasse
6
Tariffa omnicomprensiva (potenza nominale fino a 1 MW)
DM 6 luglio 2012: All. 1 – Vita utile convenzionale, tariffe incentivanti e incentivi per i nuovi impianti
Bozza Nuovo Decreto ….
biomasse
a) Prodotti di origine biologica di cui alla tabella 1-B
Potenza (kW) anni €/MWh
1 < P ≤ 300 20 210
300 < P ≤ 1000 20 150
1000 < P ≤ 5000 20 115
P > 5000 - -
a) Sottoprodotti di origine biologica di cui alla tabella 1-A d) Rifiuti non provenienti da raccolta differenziata diversi da quelli di cui alla lettera c)
1 < P ≤ 300 20 246
300 < P ≤ 1000 20 185
1000 < P ≤ 5000 20 140
P > 5000 - -
c) Rifiuti per i quali la frazione biodegradabile è determinata forfettariamente con le modalità di cui all’Allegato 2 del DM 6 Luglio 2012
1 < P ≤ 5000 20 165
P > 5000
20 119
Vita utile convenzionale, tariffe incentivanti e incentivi per i nuovi impianti –
CONTINUA E SI RAFFORZA L’INTERESSE VERSO I PICCOLI IMPIANTI DISTRIBUTI DI PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA < 200 KWE
Biomasse e rifiuti
Processi Termochimici
Pirolisi Gassificazione Combustione
Flue gas (N2+ CO2 + H2O) Ceneri
Syngas (CO, H2, CH4, CO2, N2) Char
Syngas (CO, H2, CH4, CO2) Char Oli
Processi
Prodotti
ER ~ 0.25 ER = 0 ER > 1 Rapporto
d’equivalenza
O2 eff/O2 stech
T ~ 1200°C T ~ 800-900°C T ~ 500°C
Processi termochimici per la valorizzazione di biomasse e rifiuti
Bilanci di massa a + b + e + f – x = 0 %C
2*c + 2*d + 4*e – y - 2*v = 0 %H
a + 2*b + d – z - 2*0.21*j – v = 0 %O
2*g - 2*0.79*j = 0 %N
0*** 2
1 panbk
0*** 2
2 nepck
0****3 pcandk
0***4 dacbk
0***** 232
5 pcanedk
Gassificazione CxHyOz + l (0.21*O2 + 0.79*N2) + vH2O = aCO + bCO2 +cH2 +dH2O + eCH4 + fCs + gN2
Reaction ∆H [kJ/kmol] Reaction type
R1: C + CO2 = 2CO 172459 endothermic
R2: C + 2H2 = CH4 -74520 exothermic
R3: C + H2O= CO + H2 131293 endothermic
R4: CO2 +H2
=CO + H2O 41166 endothermic
R5: CH4
+ H2O= CO+ 3H
2 205813 endothermic
Reaction ∆H [kJ/kmol] Reaction type
R1: C + CO2 = 2CO 172459 endothermic
R2: C + 2H2 = CH4 -74520 exothermic
R3: C + H2O= CO + H2 131293 endothermic
R4: CO2 +H2
=CO + H2O 41166 endothermic
R5: CH4
+ H2O= CO+ 3H
2 205813 endothermic
ReactionReaction ∆H [kJ/kmol]∆H [kJ/kmol] Reaction typeReaction type
R1: C + CO2 = 2COR1: C + CO2 = 2CO 172459172459 endothermicendothermic
R2: C + 2H2 = CH4 R2: C + 2H2 = CH4 -74520-74520 exothermicexothermic
R3: C + H2O= CO + H2 R3: C + H2O= CO + H2 131293131293 endothermicendothermic
R4: CO2 +H2
=CO + H2OR4: CO2 +H
2=CO + H
2O 4116641166 endothermicendothermic
R5: CH4
+ H2O= CO+ 3H
2 R5: CH
4+ H
2O= CO+ 3H
2 205813205813 endothermicendothermic
0***** 232
5 pcanedk
pn
ep
n
d
pn
cp
n
a
k
***
***
3
5
IT
DT
CTBTA
RT
JK
2
2
262lnln
Relazioni di equilibrio
OHCH
HCOK
24
3
25
RT
H
o ekk
riir
jjp
Hhh 00 Bilanci di energia
Gassificazione
9
Processi termochimici e impianti di conversione delle biomasse
Variation of syngas composition with ER (p=1 bar T=1100K)
0
5
10
15
20
25
30
0.2 0.25 0.3 0.35 0.4 0.45 0.5 0.55
ER
%m
ole
s CO
CO2
H2
H2O
CH4
syngas composition
0
5
10
15
20
25
30
600 800 1000 1200 1400 1600
T[K]
%m
ole
s
CO
CO2
H2
H2O
CH4
l
T
Fattore di conversione X = (m0
s – m) / m0s
Efficienza energetica CGE = (mgas · PCIgas) / (m0
s · PCIs)
Gassificazione
10
Processi termochimici e impianti di conversione delle biomasse
Biomassa Syngas
Aria
Vapore
Le Tecnologie di gassificazione (Impianti C/O Enea)
Aria PCI: 4-5 MJ/Nm3
Aria/Vapore
ComponentE %Vol.
H2 20
CO 21
CH4 4
N2 40
CO2 6
H2O 9
COMPOSIZIONE SYNGAS Componente %Vol.
H2 10 - 15
CO 15 - 25
CH4 1 - 3
N2 40 - 54
CO2 15 - 20
Syngas
Aria
Zona Combustione
Letto Fisso controcorrente (updraft) Taglia: 150 kWt
Impiego: Prod. elettrica via motore Stirling
(MCI previo gas cleaning)
Letto Fisso equicorrente (downdraft) Taglia: 150-450 kWt
Impiego: Produzione elettrica via MCI
Biomassa
Vapore Aria
Syngas
Gas Combusto Componente %Vol.
H2 34 - 38
CO 22 - 25
CH4 9 - 10
CO2 21 - 26
N2 9 - 10
Impiego: Prod. elettrica via MCI e HTFC, Biofuels : SNG, FT, MeOH, DME
Letto fluido bollente con ricircolo interno Taglia: 1000 kWt
Aria arricchita/O2/Vapore
PCI: 9-11 MJ/Nm3
Impiego: Prod. elettrica via MCI e HTFC (es.
SOFC); Biofuels : SNG, FT, MeOH, DME
Componente %Vol.
H2 28 - 30
CO 24 -26
CH4 6 - 8
CO2 34 -36
C2+ 4
Biomassa
Ossigeno Vapore
Syngas
Aria/Vapore PCI: 10-12 MJ/Nm3
COMPOSIZIONE GAS SECCO
COMPOSIZIONE GAS SECCO
COMPOSIZIONE GAS SECCO
Letto fluidizzato ricircolante (FICFB) Taglia: 500 kWt
Analisi termica Pirolizzatore scala banco Pirolizzatore a tamburo rotante scala banco
Impianti Pilota
Impianto pilota in batch
Impianto a Tamburo rotante
Cleaning gas per il tamburo rotante
Competenze impiantistiche su pirolisi
21/04/2016
PRODUCT GAS
BIOMASS
PRODUCT GASPRODUCT GAS
AIR
THERMOCOUPLE
NOZZLE
REFRACTORY
WALL
COMBUSTION
REDUCTION
ZONE
CYLINDRICAL
CHAMBER
Impianti a letto fisso down draft 30-80 KWe
21/04/2016
Abbinato ad un motore endotermico IVECO-AIFO
Defanghizzatore
Torre di
lavaggio
Bio-filtro ad
espansione
Cicloni
Gassificatore
studio del processo
sviluppo ed ottimizzazione dei componenti impiantistici
campionamento ed analisi del gas, dei tar e delle emissioni
analisi delle prestazioni con aria arricchita
messa a punto di motori a combustione interna
IMPIANTO letto fisso updraft 150 kWth
Trisaia
Scrubber Sistema di caricamento
Reattore separazione CO2
Torcia
Gassificatore
Surriscaldatore
Generatore di vapore
Filtri a coalescenza
Reattore WGS
21/04/2016
Process Characteristics
Reattore Updraft
Alimentazione Gusci mandorla,
nocciola,
Lignina,
scarti legnosi
Portata 30-50 Kg/h
Agente
gassificante
Aria vapore
Ossigeno vapore
Potenza
termica
200 kWth
Syngas LHV 5-6 MJ/Nm3
10-11 MJ/Nm3
Filtro 2
scrubber
Filtro 1
gassificatore
21/04/2016
IMPIANTO letto fisso updraft 150 kWth
Ø 0.5 m h 2.4 m Hgriglia 0.7m
Composizione gas, %Vol
H2 15-17
CO 30-33
CH4 1-3
N2 40-44
CO2 6-10
BIOMASSA
C
A
L
O
R
E
Gas pirolitici
Char
Impianti a tre stadi «Tecnologia Erba/Solenia potenza di circa 2,5 MWth corrispondenti a circa 600 kWel.
Essiccazione della biomassa al
fine di alimentare il processo di
pirogassificazione con biomassa
dal contenuto di umidità
costante (~ 15%)
Lo stadio di Gassificazione,
avviene in un reattore del tipo a
letto fisso equicorrente posto a
valle del pirolizzatore. Il calore
necessario al processo endotermico
di riduzione del char viene fornito
attraverso la parziale combustione
dei gas pirolitici nella zona
sovrastante il letto di char., con
raggiungimento di temperature
dell’ordine dei 1.100°C:
Essiccatore a tamburo rotante
Reattore di Pirolisi
elemento di pirolisi
Schema del Pirogassificatore
Reattore di Gassificazione
Lo stadio di Pirolisi in tamburo
rotante nella quale avviene la
combustione del char residuo. Gas
pirolitico circa il 70% e un 30% di
frazione solida composta da char
pirolitico e da ceneri.
marrone : tars
Clean-up
Quencher orizzontale;
Quencher verticale;
Venturi Scrubber.
WESP (precipitatore elettrostatico ad umido).
Sistema di clean-up standard a 3 stadi
WESP
Schema a blocchi dell’impianto di pirogassificazione
marrone : tars
Pulizia gas
Composizione gas V/V%
CO2 14,03
propano 0,53
Etano 1,43
Idrogeno 21,23
Ossigeno 0,70
Azoto 35,34
Metano 6,91
CO 20,64
LHV KJ/Nmc 8770
HHV KJ/Nmc 9585
Contenuto di acqua
gr/Mmc
103
Tar gravimetrici totali
gr/Nmc
11
Impianto di gassificazione Multi Stage – ANSALDO- VARAT –ENEA per la cogenerazione di energia elettrica e calore – installato in Enea
pretrattamento e
alimentazioneessiccazione pirolisi
ossidazione parziale dei
gas di pirolisi
gassificazione del
residuo solido
carbonioso
pulizia gas a caldorecupero termico, raffreddamento e deumidificazione
conversione energetica
(motore endotermico)
generazione di energia
elettrica
stoccaggio biomassa
riscaldamento indiretto
(combustione)
accumulo
calore
aria di combustione
aria primaria
vapore
fumi
fumi
syngas
syngas
gplva
po
re
gas
gassolido di
pirolisi
aria secondaria
vapore
riscaldatore ad olio
diatermicoolio
diatermico
olio
diatermico
torcia
vapore
• Separazione fisica delle fasi di pirolisi, ossidazione e gassificazione della biomassa
• Percorsi differenziati per i gas e i solidi da pirolisi
Schema a blocchi
Impianto di gassificazione Staged – ANSALDO- ENEA-VARAT per la cogenerazione di energia elettrica e calore
Pirolisi a riscaldamento indiretto, con controllo dello scambio termico, temperatura di processo e tempi di residenza
Ossidazione parziale dei soli gas di pirolisi, con conseguente eliminazione
dei tars primari
(vortex partial combustion)
Gassificazione del residuo solido di pirolisi in reattore a letto fisso downdraft, con filtrazione interna del gas su char
Sistema di essiccazione della biomassa a vapore ed olio diatermico
Parti d’impianto
Impianto di gassificazione Multi stage – ANSALDO- ENEA-VARAT per la cogenerazione di energia elettrica e calore
Tipologia alimentazione: biomasse lignocellulosiche
Portata biomassa: 150 kg/h
Umidità biomassa in ingresso: 10 %
Produzione syngas: 300 - 350 kg/h
Potere calorifico syngas: 6 – 7 MJ/Nm3
Potenza elettrica prodotta: 120 -150 kWe
Potenza termica disponibile: 200 – 250 kWt
Caratteristiche tecniche Risultati attesi
• Utilizzo di un’ampia varietà di biomasse per la produzione di energia
• Maggiore flessibilità nella regolazione delle portate di combustibile
• Minore immissione di aria per lo sviluppo del processo, con conseguente incremento del contenuto energetico del gas prodotto
• Contenuto di tars in uscita dal gassificatore pressoché nullo, grazie all’ossidazione parziale selettiva e alla filtrazione a caldo su letto di char
Impianto di gassificazione Multi stage – ANSALDO- VARAT-ENEA per la cogenerazione di energia elettrica e calore
GASSIFICATORE IFBG
Camera Lenta (DFB)
Camera Veloce (UFB)
Gassificatore ICBFB con circolazione interna (1MWth ICBFB, Brevettato)
Reattore
Ricircolato con separazione della zona di combustione da quella di gassificazione
gassificazione a vapore, potenza 500 kWt.
gassificatore a letto bollente con circolazione interna
gas prodotto “nitrogen free”
letto catalitico
Confronto con Impianto Steam gasification
Tar raw gas ~ 9 g/Nm3 secco
Composizione gas, %Vol
H2 34 - 32
CO 21 - 25
CH4 9 - 10
CO2 19 - 22
C2-C3 2-3
N2 9 - 13
Resa raw gas 1-1.4 Nm3/kg ssc
PCI raw gas 11-13 MJ/Nm3dry
Integrazione spinta del gas cleaning & conditioning direttamente nel reattore di gassificazione. La riduzione dei costi per la purificazione è del 20 -30 % del costo di investimento. Impianto compatto e ridotte perdite termiche.
Internally Circulating Bubbling Fludized Bed 1 MWth
3000 or
2500 PPS
6100 mm
Supplies for PPS proper operation Syngas Power supply Deionized and Tap Water N2 for maintenance H2 and Off-Gas disposal
Exchange of information about:
Gas analysis along the PPS lines H2 purity characterization
Length x Width x Height (mm) 6100 x 3500 x 4300
HyGear PPS Unit
This side: Clean air free of salt,
chemicals and foreign gases entry
for ventilation This side: Gasifier gas entry
Integrazione gassificatore con PPS per produzione H2
gas composition (%v, dry)
CO CO2 CH4 CnHm H2 O2 N2
26.7 - 21.7 31.8-32.1 10.4-9.5 0.4-0.3 28.9-32.3 not det. 1.9-4,0
Operating conditions ( Aprile 2016)
Biomass feeding rate a)
(kgdry/h; kgwet/h) 150; 170
O2 (kg/h) 58 - 61
Steam (kg/h) 70 - 80
Equivalence Ratio (ER) 0.28
Steam/Biomass b) (S/B) 0.5
Funzionamento impianto integrato
H2 (%v)
Ora Sampling time CO CO2 CH4 CnHm H2 O2 N2
22:59:00 03:39:00 0,93 0,33 0,62 0,00 94,83 1,07 2,22
23:00:30 03:40:30 0,97 0,26 0,64 0,00 98,11 0,00 0,02
23:02:00 03:42:00 0,86 0,28 0,60 0,00 98,24 0,00 0,02
23:03:30 03:43:30 0,78 0,19 0,63 0,00 98,38 0,00 0,02
23:05:00 03:45:00 0,76 0,24 0,60 0,00 98,38 0,00 0,02
23:06:30 03:46:30 0,63 0,18 0,57 0,00 98,61 0,00 0,01
23:08:00 03:48:00 0,61 0,18 0,60 0,00 98,59 0,00 0,02
23:09:30 03:49:30 0,56 0,13 0,54 0,00 98,74 0,00 0,03
23:11:00 03:51:00 0,46 0,00 0,51 0,00 99,01 0,00 0,02
23:12:30 03:52:30 0,46 0,06 0,52 0,00 98,93 0,00 0,03
23:14:00 03:54:00 0,38 0,00 0,51 0,00 99,10 0,00 0,01
23:15:30 03:55:30 0,35 0,10 0,49 0,00 99,04 0,00 0,02
23:17:00 03:57:00 0,34 0,00 0,50 0,00 99,14 0,00 0,02
23:18:30 03:58:30 0,29 0,10 0,47 0,00 99,20 0,00 -0,06
0:44:00 05:24:00 0,07 0,00 0,45 0,00 99,46 0,00 0,02
Contaminats/Point of sampling
Particles (mg/Nm3) 26
Gravimetric Tar (g/Nm3dry) 3.2
Tot Chromatographic tar (g/Nm3dry) 12.9
Tot Chromatographic tar (g/Nm3dry, no Benzene) 6.9
Sintesi di biocombustibili liquidi e gassosi
Gassificante Agente
Composizione Gas Secco (% v) PCI (MJ/Nm3) H2 CO CO2 CH4 N2 C2H4
Aria 9-10 12-15 14-17 2-4 56-59 < 1 3.8-4.6
Ossigeno 30-34 30-37 25-29 4-6 2-5 < 1 9-10
Vapore 32-41 24-26 20-22 10-12 2-5 2-3 12-13
Vapore/O2 30-33 28-32 22-27 9-11 2-5 1-2 11-12
H2/CO
0.70
0.96
1.46
1.10
http://www.enea.it/it/Ricerca_sviluppo/ricerca-sistema-elettrico
Bioraffineria e chimica verde
Zuccheri C5
Zuccheri C6
C6 Aromatici
microrganismi
BIOREATTORE Idrolisi &
Fermentazione
COLONNA DISTILLATIONE
BioEtOH
Enzimi
http://polymerinnovationblog.com/second-generation-biomass-feedstock-6-payoff-renewable-chemicals-polymers/
CELLULOSA
EMICELLULOSA
LIGNINA
33
Cluster Chimica verde
Project 1 Leader Versalis: Tecnologie per la produzione di elastomenri da biomasse
Project 2 Leader Novamont: Bioraffineria di terza generazione
Project 3 Leader Mater-Biotech: Chemicals da biomasse
Project 4 Leader Chemtex-Italy: Acidi carbossilici da biomasse