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C.2 Biomassa

1Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2003-04

Con alcune eccezioni, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica. Sono da escludere le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del

carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici.

Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, di natura estremamente eterogenea.

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La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare. Tramite l’energia solare le piante riescono a convertire la CO2 atmosferica in materia organica, attraverso il processo di fotosintesi.

In questo modo vengono fissate complessivamente circa 2·1011(*) tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico dell’ordine di 70·103 Mtep.

La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente trasformandoli in

combustibili solidi, liquidi o gassosi.

(*) Prof. Ing. Francesco Martelli

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Possiamo distinguere le seguenti tipologie di biomasse:

•Residui forestali e del legno, derivati da attività di segherie, industrie di trasformazione, manutenzione boschiva

•Sottoprodotti agricoli, paglie, stocchi, sarmenti di vite ramaglie di potatura

•Residui agroindustriali, sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso, provenienti di industrie alimentari

•Colture energetiche, finalizzate alla produzione di biomasse sia erbacce (girasole, colza, barbabietole, canna da zucchero,etc.)

•Residui industrie zootecniche, letame, liquami

•Rifiuti urbani

Residui del legno Sottoprodotti agricoli Colture energetiche

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• Immagazzinabile-Stoccabile

• Convertibile in combustibili solidi, gassosi o liquidi con buoni poteri calorifici

• Sfruttamento di zone inutilizzate dall’agricoltura e conseguente creazione di occupazione nelle zone rurali

• Ciclo emissioni di CO2 - le piante la riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi)

Vantaggi

•Abbondante – si trova in quasi ogni parte della terra, dove siano presenti alghe, alberi, letame...

•Fonte di Energia Rinnovabile – grazie alla possibilità del rimboschimento

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• Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica

•superficie minima di 12.000 ha

•produzione superiore a 17 ÷ 25 t per ha

• La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione

• Sistema di gestione (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura della risorsa

• Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità (bulk density) si è studiato che c’è convenienza economica se la distanza tra approvvigionamento e impianto non supera le 100 miglia (160 km)

• Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali/meteo

• Produzione non costante durante l’anno

• Contenuto di umidità variabile

Svantaggi

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Le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno), l’utilizzo di questa fonte però ha un forte grado

di disomogeneità.

Nei paesi del Terzo Mondo complessivamente ricavano il 38%del loro fabbisogno dalle biomasse, 48 milioni TJ/anno, in

alcuni di questi si riesce a raggiungere anche il 90%, tramite combustione del legno, paglia e rifiuti animali.

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Nei Paesi Industrializzati, le biomasse costituiscono il 3% del fabbisogno con 7 milioni TJ/anno.

•USA il 3,2% del fabbisogno 3,2 milioni di TJ/anno la seconda fonte rinnovabile dopo l’idroelettrica

•Europa il 3,5% complessivo di cui:

- Finlandia 18%

- Svezia 17%

- Austria 13%

- Italia 2%

massimi produttori

minor produzione

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•Varia notevolmente in relazione al tipo di biomassa e allo stoccaggio applicato. In molti casi un pretrattamento di essiccatura prima dell’inserimento in camera di combustione

•Contenuto elevato di umidità:

Riduzione della temperatura di combustione Aumento del tempi di residenza

Aumento di volume dei gas prodotti nella combustione

Aumento (in fase di progetto) delle dimensioni della camera

di combustione

Aumento costi di

investimento

Diminuzione dell’efficienzaSi può compensare adottando sistemi di recupero del calore,

scambiatori

Aumento costi di

investimento

Umidità

Il tasso di umidità ha un ruolo importante, poiché l'acqua richiede un elevato calore divaporizzazione:

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Le principali applicazioni della biomassa sono:

•Produzione di energia tramite la trasformazione dei combustibili ottenuti dalla biomassa per produzione di calore ed energia elettrica

•Sintesi di carburanti ottenuti da biomasse per la trazione automobilistica e navale

•Sintesi di prodotti in analogia a quelli ottenibili dai combustibili fossili, lubrificanti, materie plastiche, colle,...

McNeil Station 50MWh wood-fire , Burlington (Vermont,USA)

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PirolisiCofiringGassificazioneCombustione

Digestione AnaerobicaDigestione AerobicaProcessi biologici o biochimici

Processi termochimici

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Processi Termochimici

Sono processi basati sull’azione del calore necessario a trasformare la materia in energia, si utilizzano per i prodotti e per i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%.

Le biomasse più adatte a subire tale tipo di processi sono:

• Legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc..)

• Sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei frumenti)

• Scarti di lavorazione ( lolla, pula, gusci, noccioli..)

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COFIRING

Viene sostituita una porzione (circa il 15 – 20%) del carbone con biomassa, possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella stessa caldaia o utilizzando alimentazioni separate, permette la riduzione della CO2 ed SO2 (anidride solforica).

Consiste nell’utilizzare la biomassa come combustibile complementare al carbone o al gas naturale.

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Nel caso di combustione con gas naturale non è particolarmente interessante sotto il profilo delle prestazioni termodinamiche e del contenimento dei costi, richiede:

Ø gassificazione delle biomasse

Ø interventi di adattamento dei parametri di funzionamento e modifiche strutturali del TG, a causa del basso potere calorifico del syngas e della diminuzione di temperatura di fiamma

Ø complesso equipaggiamento di pulizia del syngas, per soddisfare le elevate specifiche di purezza richieste dalla turbina.

L’interesse per questa soluzione è legato soprattutto alla possibilità che essa offre di risparmiare gas naturale e conseguentemente ridurre le emissioni di CO2.

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Pirolisi

È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante l’applicazione di calore a temperature comprese fra i 400 – 800°C, in completa o parziale assenza di

ossigeno.

Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un combustibile dal potere calorifico di 4 – 7 MJ/Nm3.

I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni differenti in funzione del tipo di processo utilizzato ( pirolisi lenta, veloce o convenzionale)

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La pirolisi del Legno viene fatta in tre stadi:

1. disidratazione: legna + calore ⇒ legna secca + vapor acqueo

2. pirolisi: legna secca + calore ⇒ carbone vegetale + pece + gas (CO, CO2, H2O, CH4)

3. combustione: carbone + ossigeno + H2O ⇒ CO + H2 + CO2 + calore

La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tasso di umidità non deve superare il 20%. L’essiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando la biomassa per un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppure mediante l'impiego di forni, con apporto di calore ad una temperatura intorno ai 100°C, per evitare possibili accensioni del vegetale.

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La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si ottengono prodotti diversi, a seconda delle temperature raggiunte.

ØProduzione di gas a temperatura di 600°C e sino a 900-1000°C composto da H2, CO, CO2 (quest’ultime in percentuali sempre più basse), con potere calorifico di circa 3000 kcal/Nm3

ØCarbonizzazione per valori sino a 400-500°C, che origina carbone di legna corrisponde al 30-35% del materiale secco di partenza (il carbone di legna ha un contenuto di carbonio compreso nel campo 75÷85%, ed un potere calorifico di circa 6000/7000 kcal/kg),

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GASSIFICAZIONE

È un processo endotermico a due stadi per mezzo dei quali il combustibile (biomassa o carbone) è convertito in gas a basso o medio potere calorifico 4000 – 14000 KJ/Nm3.

Prima stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a temperatura inferiori a i 600°C da un insieme di reazioni complesse. Questi componenti sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO2, nerofumo e vapor acqueo.

Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengono vaporizzate in una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parte incombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire il calore necessario per le reazioni endotermiche di gassificazione.

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La gassificazione degli RSU ha come prodotto un gas di sintesi (syngas) che alimenta la turbina a gas dell'impianto a ciclo combinato. Ciò con le seguenti principali finalità:

La gassificazione può contribuire allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e/o all'utilizzo del combustibile da rifiuti

1. rimuovere le barriere tuttora esistenti sull'applicazione delle tecnologie di gassificazione degli RSU;

2. favorire la diffusione dei cicli combinati a gas che restano una delle tecnologie ambientalmente più valide per la produzione di elettricità;

3. ampliare il ricorso alle fonti rinnovabili (il tasso di rinnovabilità degli RSU è correntemente indicato nel 66%)

4. evitare il ricorso al conferimento di discarica degli RSU.

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COMBUSTIONE

Ad esempio paglie di cereali, residui di piante da fibra tessile ( cotone, canapa...), residui di piante oleaginose (ricino, catramo...), residui legnosi di piane da frutto e di piante forestali, residui dell’industria agro alimentare.

Si tratta della combustione diretta in apposite caldaie, di legname in tutte le sue forme.

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Tra i materiali più noti citiamo i Pellets scarti dell'industria del legno (segatura, polveri ) ottenuti dalla sfibratura e polverizzazione dei residui legnosi, in seguito pressati in apposite macchine per formare cilindretti di diverse lunghezze e spessori, hanno un potere calorifico 4.000 -4.500 kcal/kg

APPLICAZIONI• Abitazioni private• Uso industriale• Teleriscaldamento

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Siamo di fronte ad un impianto di riscaldamento ad acqua classico, in cui al posto della caldaia a tubi di fumi che adotta come combustibile gasolio o gas metano, si utilizza un camino.In funzione delle dimensioni del camino si possono avere maggiori quantità di acqua calda prodotta ad esempio un termocamino di 0.44 m3 può fornire 25 kcalcon una portata evolvente di 600 l/h. 2300 40%

245035%

278030%

301025%

325020%

349015%

Potere calorifico kcal/kg

% di umidità

Potere calorifico della legna (Fonte: Unical)

Le temperature di esercizio si aggirano tra i 65°C ed i 70°C.

Il termocamino è una caldaia a tubi d’acqua, sfrutta il calore dei fumi caldi provenienti dalla combustione diretta del legname o dei pellets o del

cippato, per scaldare l’acqua.

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Il termocamino è regolato da un quadro elettrico che controlla tutti i parametri della caldaia, comandando una valvola a tre vie.

Come si può vedere dalla figura il resto dell’impianto è analogo a quello di un normale riscaldamento domestico.

All’avvio del camino la valvola a tre vie impedisce che l’acqua vada ai radiatori sino a che non ha raggiunto la temperatura necessaria.

Questa soluzione può essere inserita anche in un impianto di riscaldamento già preesistente.

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Processi biologici o biochimici

Permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi, micro-organismi naturali, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse il cui rapporto C/N si inferiore a 30 e l’umidità alla raccolta superiore al 30%.

Si utilizzano le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali ( foglie e steli di barbabietola, ortive, patata,…), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione,…), nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate.

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Digestione Anaerobica

La digestione anaerobica è un insieme di processi biologici mediante i quali le sostanzeorganiche possono essere "digerite" in un ambiente privo di ossigeno, arrivando allaproduzione di:

ØGas combustibile “biogas” costituito per il 50 – 70%da metano e per la restante parte da CO2 il potere calorifico medio è dell’ordine di 23.000 KJ/m3.

ØFanghi humificati e mineralizzati, il materiale organico, originariamente putrescibile, e stato trasformato in un prodotto metastabile ed innocuo, soggetto a decomposizione molto lenta contenente elementi nutritivi principali quali: azoto, fosforo e potassio.

Utilizzati come fertilizzanti

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In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono suddivisi in:

•Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C

•Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C

•Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C.

Tali batteri sono sempre presenti nella massa organica originale, si sviluppano in ambiente chiuso, e trasformano i composti organici in CH4 e CO2, utilizzando gli enzimi come catalizzatori biologici.

Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati con deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica dei residui solidi urbani.

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Digestione Aerobica

Consiste nella metabolizzazione delle sostanza ad opera di batteri, che convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento del substrato.

Il calore prodotto può essere trasferito all’esterno per mezzo dei uno scambiatore a fluido. Tale processo viene utilizzato per il trattamento delle acque di scarico.

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L’applicazione delle biomasse nela produzione elettrica è possibile attraverso due tipi di approcci tecnologici:

Øpost-combustione

Øpost-combustione e rigenerazione

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Questo tipo di tecnologia si adatta al ripotenziamento degli impianti esistenti già esistenti, con turbine a gas di basso rendimento (intorno al 30%) o con temperature dei gas in uscita basse (inferiori per esempio a 750 K).L’aumento di temperatura che i gas subiscono mediante postcombustione delle biomasse, è utile per innalzare la temperatura di ingresso nel GVR e migliorare l’efficienza di scambio termico nel GVR e soprattutto l’efficienza complessiva del ciclo di recupero.

Post-combustione di biomasse(o syngas ottenuti dalla combustione delle biomasse),

La combustine delle biomasse viene utilizzata per incrementare la temperatura dei gas di scarico della turbina, prima dell’ingresso nel GVR.

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Postcombustione delle Biomasse

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Questa soluzione è più interessante sotto il profilo dell’efficienza termodinamica, del risparmio di gas naturale, ed è particolarmente adeguata alla progettazione di nuovi impianti.

ØLa postcombustione, consentendo un aumento della temperatura dei gas all’uscita dalla turbina, migliora lo scambio termico nel GVR e le prestazioni della turbina a vapore

ØLa rigenerazione, cioè l’utilizzo di parte del calore prodotto dalle biomasse per aumentare la temperatura dell’aria in ingresso alla camera di combustione, permette di aumentare l’efficienza del turbogas

Post-combustione e rigenerazione

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Valutazione Economiche

La difficoltà di sviluppo del settore dello sfruttamento energetico delle biomasse è legata principalmente al superamento delle barriere non-tecniche (finanziamenti dei costi di investimento alquanto elevati, Politica Agricola Comunitaria, diffusione delle informazioni).Il costo dell'energia da biomassa è, attualmente, ancora generalmente maggiore di quello derivante dalle fonti fossili, ma vi è una tendenza verso la competitività, in tempi ragionevolmente brevi, da sostenere e valorizzare.In tutti i casi, tuttavia, il gap di costo tra le fonti rinnovabili e quelle fossili, sarebbe invertito se venissero considerati nell'analisi costi-benefici gli aspetti ambientali ed i costi sociali connessi alla combustione dei materiali fossili. (fonte: Min. Ambiente)

4-5 $/kWh9 $/kWhImpianto a Gas

2,3 $/kWh2,1 $/kWhCofiring

TradizionalebiomassatipologiaAttualmente il cofiring con il carbone offre i vantaggi di bassi costi, di basso rischio, piccoli investimenti economici rispetto alla capacità di generazione e un periodo di payback al massimo di due anni.

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