1° Convegno Tematico Le Filiere dellenergia LE BIOMASSE Denis Picco Trieste, 26 novembre 2010.

1° Convegno Tematico

Le Filiere dell’energia

LE BIOMASSE

Denis PiccoTrieste, 26 novembre 2010

Trieste, 26 novembre 2010

Il C.E.T.A. è una associazione senza scopo di lucro fondata nel 1987 e con personalità giuridica riconosciuta dalla Regione Friuli Venezia Giulia nel 1995

Il Centro, con sede a Gorizia, svolge attività di ricerca, sperimentazione applicata e progettazione di sistemi tecnologici innovativi in differenti comparti ambientali

C.E.T.A. – CENTRO DI ECOLOGIA TEORICA ED APPLICATA

I settori su cui si focalizza l'attività del Centro sono i seguenti:

Promozione e diffusione delle tecnologie che impiegano le fonti rinnovabili d'energia (biomasse combustibili, biogas, biocarburanti, fotovoltaico)

Gestione sostenibile dell'ambiente e delle risorse naturali

Gestione integrata delle risorse idriche e degli ambienti ad esse associati

Risparmio energetico, uso efficiente dell’energia, bioedilizia

Pianificazione energetica

Divulgazione scientifica

Il C.E.T.A. si avvale di tecnici e di professionisti specializzati, di diversa formazione quali ad esempio ingegneri, agronomi, biologi, naturalisti, economisti, architetti.


CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE VEGETALE

Generazione di energia termica, elettrica, frigorifera, meccanica


PRODUZIONE DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI

Diverse modalità di conversione energetica Diverse tipologie biomasse


Filiera colture oleaginose – energia


Punti di forza della filiera energetica:

Filiera corta

La tecnologia è matura, con sperimentazione di lunga data, adattata recentemente anche ad impianti di piccola potenza

Rendimenti elettrici elevati (superiori al 30 %)

Recupero termico elevato (oltre il 40 %)

Valorizzazione dei sottoprodotti della filiera - il panello proteico

Attitudine del territorio regionale alla coltivazione di oleaginose



FILIERA COLTURE OLEAGINOSE ENERGIA Punti di forza della filiera energetica:

Attitudine del territorio regionale alla coltivazione di oleaginose


Punti di forza della filiera energetica:

Valorizzazione dell’energia elettrica:

interessanti prospettive con il nuovo sistema di incentivazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili

Tariffa onnicomprensiva = 0,28 €/kWh o 0,18 €/kWh

Coefficiente di moltiplicazione CV = 1,8 o 1,3

Valorizzazione dell’energia termica:

prezzo del gas metano e altre fonti fossili variabili (…in ascesa)

potenziali applicazioni in agricoltura (serre, essiccazione, ecc.)

interessanti prospettive per la trigenerazione (frigorie)




Punti di debolezza della filiera energetica

Forte instabilità del mercato dei prodotti agricoli

seme oleoso (anno 2009 200-230 €/t)

panello proteico (anno 2009 75-126 €/t)

olio vegetale grezzo (anno 2009 520-710 €/t)

Ad oggi: 180-190 €/t

Ad oggi: 950-1050 €/t Ad oggi: 350-360 €/t


Motore a olio vegetale puro

Potenza nominale = 1,0 MWe

Consumo specifico di carburante: 0,254 kg/kW

Funzionamento impianto: 7.000 ore/anno Fabbisogno biocombustibile: 1.780 t olio/anno Fabbisogno in semi oleosi (es. girasole): 4.700 t semi/anno (valori commerciali)

Attitudine territorio alla coltivazione della oleaginosa (es. girasole)• produzioni : 2 t/ha superfici agricole:

2.350 ha• produzioni : 3 t/ha superfici agricole:

1.570 ha• produzioni : 4 t/ha superfici agricole:

1.175 haEsempio di filiera agro-energetica estesa sul territorio.

Necessità di forte organizzazione per l’approvvigionamento della biomassa.



Filiere agro-energetiche: conversione termochimica

Le biomasse lignocellulosiche


Modello di filiera agro-energetica

BIOMASSE UTILIZZABILI Colture dedicate e residui colturali

Parametri fondamentali Produzioni biomassa

(t/ha) p.c.i. (GJ/t) Contenuto idrico alla

raccolta (%) Temporalità delle

produzioni Cantieri di raccolta Pezzatura (mm) Peso specifico (kg/m3) Costo di produzione

biomassa (€/t) e biocombustibile (€/t)

Fonte: Venturi e Monti


Colture energetiche

PUNTI DI FORZA PUNTI DI DEBOLEZZA

CANNA COMUNE

Ridotto fabbisogno di input colturaliLimitate problematiche fitosanitarieElevate produzioni annuali di biomassa

Prolungata occupazione delle superfici agricoleAlti costi di impianto (rizomi e messa a dimora)Meccanizzazione da perfezionare Elevata umidità della biomassa alla raccolta (stoccaggio)Ripristino dei terreni a fine ciclo produttivoQualità della biomassa combustibile

MISCANTO

Ridotto fabbisogno di input colturaliLimitate problematiche fitosanitarieBuone produzioni annuali di biomassaBassa umidità della biomassa alla raccolta (stoccaggio)Qualità del biocombustibile (in funzione del cantiere di raccolta)

Prolungata occupazione delle superfici agricoleAlti costi di impianto (rizomi)Meccanizzazione da perfezionare Bassa densità del trinciato (movimentazione e stoccaggio)Ripristino dei terreni a fine ciclo produttivo

PIOPPO SRF

Qualità del biocombustibileSviluppo della meccanizzazione dei cantieri di raccoltaIncentivi per la realizzazione degli impianti (es. PRS)

Prolungata occupazione delle superfici agricoleAlti costi di impianto (talee)Numero di trattamenti fitosanitariElevata umidità alla raccoltaDiffusione delle macchine per la raccolta Ripristino dei terreni a fine ciclo produttivo

Punti di forza e di debolezza delle diverse colture energetiche per la produzione di biocombustibili.


La densità è comparabile al pellet di legno (630-680 kg/msr).

Il p.c.i. rientra nel valore tipico dei pellet erbacei; le differenze sono dovute al contenuto di ceneri.

Il contenuto in ceneri è circa dieci - venti volte maggiore rispetto a quello medio del pellet di legno.

Il contenuto in acqua rientra nei valori tipici del pellet (7,5 - 10%).

Caratterizzazione della biomassa (pellet)

Sorgo da fibra

Sorgo da fibra*

MiscantoCanna comune

Legno Paglia

p.c.i. (MJ/kg s.s.) 17,7 17,5 18,2 17,9 18,79 17,32

Contenuto in ceneri (% s.s.) 4,6 6,6 2,9 4,9 0,25 5,71

Contenuto in acqua (%) 5,9 8,5 7,7 7,4 - -

Carbonio (% s.s.) 47,50 46,50 48,30 47,25 51,30 47,20

Idrogeno (% s.s.) 6,22 5,75 5,91 5,83 5,90 5,70

Azoto (% s.s.) 0,84 1,28 0,28 0,74 0,10 0,66

Zolfo (mg/kg s.s.) 910 1.210 521 1.800 41 1.008

Cloro (mg/kg s.s.) 1.820 3.800 202 2.632 22 1.720

Elevate concentrazioni di azoto, variano in funzione della tipologia di biomassa.

Elevate concentrazioni di cloro e zolfo: sono i maggiori componenti dei depositi che si formano sulle pareti della camera di combustione e sulle superfici degli scambiatori di calore (rischio corrosione). Possono formare pericolose emissioni : SO2, HCl e diossine.

Il contenuto di questi microelementi, in particolare il cloro, è fortemente correlato alla fase di produzione agronomica della biomassa (suolo, fertilizzanti ed erbicidi, epoca di raccolta).


Prove di combustione del pellet – problematica delle emissioni

Emissioni(mg/Nm3 al 11% O2)

Sorgo da fibra Miscanto Canna comuneLimiti posti dal d.lgs. 152/2006

(150-3.000 kW)

Polveri totali 241 16 119100

potenza 35-150 kW - limite sale a 200

CO 240 75 83 350

NOX 270 288 459 500

SOX 126 73 228 200

Emissioni(mg/Nm3 al

10% O2)

Sorgo da fibra

MiscantoCanna

comune

EN 303-05(caldaia automatica, classe

3, potenza < 50 kW)

Polveri totali 265 18 131 150

CO 264 83 91 3.000

Normativa di riferimento


Biomasse Lignocellulosiche – sostenibilità economica

Costo dell’energia termica erogata (€/MWh) con diversi combustibili


Sostenibilità Economica delle filiere agro-energetiche

Analisi del VAN della centrale a biomasse, con o senza incentivi

Biomasse vs gasolio

Biomasse vs metano

Biomasse Lignocellulosiche – sostenibilità economica


SISTEMI COGENERATIVI

Es. di tecnologie di conversione applicabili - piccola scala

ORC – Organic Rankine Cycle

Rendimenti elettrici limitati (15-18%)

Tecnologia affidabile – anche a potenze basse (200 KW)

Gassificazione

Rendimenti elettrici buoni (27-30%)

Affidabilità ancora da ottimizzare


CICLO ORC

Co-generazione da biomasse

Trova sostenibilità quando utilizzo biomasse dal basso costo di approvvigionamento (es. biomasse residuali – pollina)


Cenni su gassificazione e pirolisi

La gassificazione e la pirolisi sono due processi termochimici che avvengono rispettivamente in parziale (gassificazione) o pressoché totale assenza (pirolisi) di ossigeno a partire da un combustibile solido

A seconda delle caratteristiche dell’impianto, della presenza di ossigeno e della temperatura si ottiene come prodotto principale un gas (syngas o producer gas) costituito da una miscela di Monossido di Carbonio (CO), Anidride Carbonica (CO2), Idrogeno (H2),

Metano (CH4) e altri componenti unitamente a

solidi e liquidi


Punti di forza dei sistemi di pirogassificazione elevati rendimenti di processo (75% - 85%)

rendimenti elettrici tra il 27-30%

facilità di integrazione con sistemi generativi già esistenti (motori, turbine, celle a combustibili)

possibilità di realizzare cicli combinati (elettricità e calore) mediante recupero termico (sezione purificazione gas; motore)

“eliminazione” di agenti problematici per il comparto agricolo (ad esempio nitrati)

dimensioni di impianto compatibili con realtà agricole del nostro territorio

Una tecnologia “vicina” alla maturità


Una tecnologia “vicina” alla maturità

Punti deboli dei sistemi di pirogassificazione

pulizia e qualità del gas

flessibilità di utilizzo in relazione alla biomassa utilizzata

affidabilità (continuità) di funzionamento (7.000 / 8.000 h/anno) soprattutto nella generazione di energia elettrica

costo di investimento iniziale degli impianti

costi di manutenzione elevati o non sempre preventivabili

AD OGGI, SALVO ALCUNI IMPIANTI PILOTA O IN FASE DI PERDURANTE COLLAUDO E SETTAGGIO, NON CI SONO IMPIANTI IN ESERCIZIO CONTINUATIVO


Crescita del numero cumulativo degli impianti qualificati in esercizio, suddivisi per fonte

Fonte : GSE

IL BIOGAS IN ITALIA

Marzo 2010: 319 impianti


La digestione anaerobica - schema


Al fine di spingere al massimo le rese degli impianti è possibile utilizzare altri materiali - da soli o assieme ai liquami (CODIGESTIONE)

Liquami zootecnici (bovini, suini, ecc.)

Colture energetiche (silomais, sorgo zuccherino, triticale, ecc.)

Residui colturali (paglie, stocchi, colletti di barbabietola, ecc.)

Scarti agroindustria (buccette pomodoro, siero di latte, vinacce, scarti ortofrutticoli, marco mela, succhi, conserve, ecc.)

Scarti di macellazione

Fanghi di depurazione

Frazione organica rifiuti urbani

La digestione anaerobica


Le possibilità di alimentare un impianto a biogas sono quindi molteplici

Importante il ruolo dell’approvvigionamento delle biomasse per l’alimentazione dell’impianto e della tipologia e quantità di singola biomassa utilizzata

Per quanto riguarda le COLTURE DEDICATE, molti impianti si presentano sul mercato alimentati esclusivamente da silomais (eventualmente con sorgo insilato e triticale)

IMPIANTO BIOGAS - dimensionamento

Potenza nominale = 1 MWh

Fabbisogno in biomassa = 16-18.000 t silomais/anno

Stoccaggi biomassa insilata = 25-27.000 m3

Superfici agricole interessate = 250-300 ha/anno

Areale di approvvigionamento = 10-15 km

La digestione anaerobica


Contrariamente a quanto accade se si impiegano effluenti zootecnici o materiali con scarso o nullo valore di mercato, l’approvvigionamento può rappresentare una voce di costo molto significativa nel conto economico.

Prezzi attualizzati del mais per il periodo 1998-2009 rilevati alla Borsa merci di

Bologna

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50

100

150

200

250

1996 1998 2000 2002 2004 2006 2008 2010

Anni

Prez

zi €

/t 15

% s

s

Prezzo attualizzato del mais alla Borsa merci diBologna per il periodo 1998-2009Media att. Del periodo 1998-2009 pari a 160 €/t

(elab. C.E.T.A.)

Biogas dal trinciato di mais


Biogas dal trinciato di mais

Costo di produzione: 25,7 €/tonnellata (per trinciato di mais con produzione medie di 60 t/ha) Aggiungere i costi di insilamento e costi di trasporto!!!

Valutazione del prezzo di conferimento all’impianto.

0,0

2,0

4,0

6,0

8,0

10,0

12,0

14,0

25,00 30,00 35,00 40,00 45,00 50,00 55,00 60,00 65,00 70,00

Costo biomassa trinciata (€/t)

Pay

bac

k (a

nn

i)

Pay back

0,00

5,00

10,00

15,00

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30,00

35,00

40,00

5 10 15 20 25 30

Distanza trasporto (km)

Co

sto

tra

spo

rto

(€/

t)

sorgo da fibra miscanto pioppo SRF


Progetti di ricerca – C.E.T.A.

Progetto SWEETHANOL (Comunità Europea - programma IEE) Diffusione di un modello Europeo sostenibile per la produzione di etanolo di 1a generazione

dal Sorgo Zuccherino in impianti decentralizzati

Progetto MULTISORGO (MIPAAF) Produzione integrata di bioetanolo e biogas da una coltura agraria a basso consumo idrico, il

sorgo zuccherino: aspetti tecnologici, economici, energetici ed ambientali

Progetto ZOOTANOLO (MIPAAF) La produzione del bioetanolo come valorizzazione energetica innovativa dei reflui zootecnici

Progetto BIOSEGEN (MIPAAF) Filiere innovative per la produzione di biocarburanti di seconda generazione da residui

agricoli ed agro-industriali e da colture da biomassa

Il C.E.T.A. è fortemente coinvolto in diversi progetti di ricerca e di diffusione sui biocarburanti di prima e seconda generazione da diverse tipologie di biomasse:


Diffusion of a sustainable EU model to produce 1st generation ethanol from Sweet Sorghum in decentralized plants

SWEETHANOL

C.E.T.A. come Lead Partner

CARTIF e ADABE (Spagna), REACM-Anatoliki e Halastra-COOP (Grecia), INIPA-Coldiretti (Italia)

24 mesi (16/05/2010 - 15/05/2012)

1. 200. 885 €

1. 900. 664 € (massimo) -> 75%

Titolo completo:

Acronimo:

6 beneficiari da 3 Paesi UE:

Durata:

Budget totale:

Contributo FESR:


Il mercato Europeo dell’etanolo è controllato da grandi gruppi industriali e cooperative agricole legate all’industria della produzione di zucchero ed alcol

Vengono processati principalmente cereali e barbabietola in impianti di grande taglia (100,000-200,000 t/anno)

Vi sono barriere economiche, logistiche, ecologiche, ambientali, sociali e di diffusione

L’etanolo di 1a generazione dal sorgo zuccherino ha un’elevata sostenibilità ambientale, economica ed energetica Semplicità tecnica nel processamento e nello sfruttamento dei sottoprodotti

garantiscono la fattibilità economica anche per impianti di piccola-media taglia decentralizzati (max 20,000 t/anno)

Il bilancio energetico è pari a 1.7-7.3 (senza/con sfruttamento sottoprodotti)

Il risparmio in emissioni di GHG attribuito è del 70-71%


WP1 – Gestione del progetto (C.E.T.A.)

WP2 – Perfezionamento del “Know-how”

Acquisizione di know-how in merito alla coltivazione ad al processamento del sorgo zuccherino ad etanolo attraverso visite a:

istituti di ricerca in campo agronomico realtà agricole che coltivano il sorgo compagnie che costruiscono impianti impianti esistenti ed in funzione

Raccolta dei dati più interessanti (e.g. varietà di sorgo zuccherino, costi di investimento e di produzione, consumi energetici, rese in etanolo, sfruttamento dei sottoprodotti)


Viaggio in Andhra Pradesh a Hyderabad, presso ICRISAT - International Crop Research Institute for the Semi-Arid Tropics (www.icrisat.org)

Nuove varietà di sorgo zuccherino ad alto contenuto in zuccheri nel succoSupporto tecnico agli agricoltori locali per lo sviluppo della filiera (DCU, Decentralized Crushing Units)Collaborazione con distillerie RUSNI, impianto per bioetanolo da sorgo da 40.000 t/anno (www.abiicrisat.org/rusni)

Visita all’impianto del gruppo TATA TCL per la produzione di bioetanolo da sorgo da 30.000 litri/gg presso Nanded, Maharashtra

(http://www.tatachemicals.com/products/biofuels.htm)

ICRISAT meeting a Hyderabad

Impianto TATA TCL, Nanded

Varietà di sorgo studiate presso

ICRISAT


Visita all’ impianto di produzione di bioetanolo da cereali e impianto pilota bioetanolo di seconda generazione dalle paglie e residui agricoli del gruppo ABENGOA Bioenergia, presso Salamanca

Visita allo zuccherificio del gruppo ACOR, presso Olmedo (impianto di estrazione)

Visita al CRF, Centro Nacional de Recursos Fitogèneticos, a Madrid

Visita all’Agroenergy Group del Politecnico di Madrid

ABENGOA Bioenergia, bioetanolo da cereali

ACOR, zuccherificio

UPM Madrid, campi sperimentali


WP3 – Discussione su un modello sostenibile Discussione di un possibile modello Europeo con i

rappresentanti di ogni attore della filiera (approccio multi-disciplinare):

agricoltori ed associazioni agricole,

processisti e PMI,

ditte sementiere ed aziende agricole,

investitori,

rappresentanti del mondo politico (legislazione), delle autorità pubbliche e delle agenzie per l’energia

Gli attori della filiera verranno invitati a partecipare e discutere in workshops e convegni settoriali ed intersettoriali a livello nazionale ed internazionale


WP4 – Formazione degli attori della filiera

Spiegazione del modello Europeo sviluppato nella WP3 ad ogni categoria di attori della filiera

Formazione e miglioramento delle competenze di ogni attore della filiera riguardo alla produzione di etanolo da sorgo zuccherino in impianti di taglia piccola e media

Corsi adattati e direzionati per ogni categoria di attori della filiera verranno tenuti in ogni Stato di cui fanno parte i partner del progetto:

1.800-2.000 agricoltori (30 corsi Italia e Spagna e 15 in Grecia) produttori di sementi ( 1 corso per Paese) processisti (1 corso per Paese) decisori politici, operatori pubblici, agenzie per l’energia, ecc. (2 corsi per Paese) investitori (2 corsi per Paese) associazioni di agricoltori (1 corso per Paese)


WP5 – On-line Community

La missione dell’on-line community è di creare una rete di contatti a livello internazionale tra gli attori della filiera del bioetanolo da sorgo zuccherino

Essa sarà un punto di riferimento per lo start-up di nuovi impianti pilota in futuro, soprattutto in Europa

Struttura: blog, forum, social network, teleconferenze, discussioni pubbliche Pubblicazione di articoli, database di aziende


WP6 – Comunicazione Diffusione e disseminazione dei risultati di progetto

Website (http://sweethanol.eu/)

Conferenze nazionali ed internazionali

Articoli tecnici e scientifici

Manuali

Altro (newsletters, brochures, ecc..)


Website del progetto (in costruzione): http://sweethanol.eu

Website della On-line community: http://esse-community.eu

GRUPPO DI LAVORO - C.E.T.A.

Project Coordinator: Ing. Alessandro Bon [email protected]

Project manager: Dott.ssa Michela Pin [email protected]

Expert: Dott.ssa Alessia Vecchiet [email protected]

Expert: Dott. Denis Picco [email protected]

Expert: Dott.ssa Francesca Visintin [email protected]

Grazie per l’attenzione!

Via III Armata, 69 – 34170 GoriziaTel. 0481 - 537159

E-mail: [email protected]

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