Cremona 18 marzo 2011

Tecnologie di conversione delle biomasse:stato dell'arte e prospettive per l’industria

agro-alimentare

Ing. Giacobbe BRACCIO- Ing. Roberta ROBERTO (e-mail: giacobbe.braccio@enea.it )

tel 0835-974387

2

SintesiSintesi

• Aspetti generali delle biomasse nel contesto nazionale

• Processi di conversione

• Tecnologie per produzione di energia elettrica e termica nel settore agricolo

• Attività di ricerca Enea

Obiettivo UE per ITALIAObiettivo UE per ITALIA

Le fonti rinnovabili devono raggiungere almeno il

17%dei consumi finali di energia al 2020

Riscaldamento e raffrescamentoRiscaldamento e raffrescamento

Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CEdi cui alla Direttiva 2009/28/CE

Piano di azione nazionale per leenergie rinnovabili

2,25 Mtep TOTALE BIOMASSE 9,8 Mtep

0,4 Mtep

1,65 Mtep

1,8 Mtep ( 9,1)

5,5 Mtep (9,5)riscaldameno/raffrescamento

Elettricità2005 2020

Biofuels lordi 0,2 Mtep 2,5 Mtep (2,9)

BIOMASSE

6,94 Mtep TOTALE FR x ob. 17% 22,3 Mtep

RISPOSTE E MODELLICON VALIDITÀ LOCALEBIOMASSE

Censimento del Potenziale delle biomasse

PARTNER DI PROGETTO

Dipartimento di Economia e politica agraria

Università di Napoli Federico II

Dipartimento di Ingegneria Industriale

CRB Università di Perugia

Centro ricerche produzioni animali Spa

Facoltà di AgrariaArea Agronomia/Genetica Università di Bologna

Agenzia Nazionale per le nuove Tecnologie, l’energia

e lo sviluppo economico sostenibile

Portale WEB GISsulla disponibilità delle Biomasse

05

1015

2025

30

S2

S1

SS

SAS

CS

CWCEC

NCN

NE

NW

Pro

duzi

one

(t h

a-1)

Aru

ndo

Mis

cant

o P

anic

oC

ardo

Sor

goG

iraso

leC

olza

Produttività Colture energetiche

Bilancio Legno Forestale www.atlantebiomasse.enea.it

Utilizzatori della piattaforma WEB GIS sulla disponibilità delle Utilizzatori della piattaforma WEB GIS sulla disponibilità delle BiomasseBiomasse

Green Power

www.atlante biomasse.enea.it

RECEPITO ALL’INTERNO DELL’ACTION PLAN MSE PRESENTATO IL 30 GIUGNO 2010 PER L’IMPLEMENTAZIONE DELLA DIRETTIVA 2009/28/CE, LA 20-20-20

http://ec.europa.eu/energy/renewables/transparency_platform/action_plan_en.htm

La disponibilità Biomasse in Italia (ENEA)

REGIONIPaglie (kTEP)

Potature (kTEP)

Sanse + Vinaccia (kTEP)

Totale Foreste (kTEP)

Piemonte 949,67 47,71 26,93 111,07Valle D'Aosta 0,08 0,74 0,17 0,47Lombardia 1.385,77 17,32 9,43 104,82Veneto 668,48 158,91 41,52 39,39Trentino-Alto Adige 0,58 27,98 7,19 15,15Friuli-Venezia Giulia 227,13 24,41 6,20 28,19Liguria 1,62 8,38 2,99 41,76Emilia-Romagna 596,38 172,49 34,79 102,40Toscana 277,43 102,89 35,42 158,04Marche 206,60 25,05 9,42 13,99Lazio 167,36 107,29 31,50 48,63Umbria 164,79 44,11 7,63 29,07Abruzzo 87,83 125,69 30,55 26,03Molise 62,62 13,63 16,13 18,94Campania 121,41 124,06 36,59 51,87Basilicata 173,22 21,63 6,43 28,26Puglia 467,21 352,33 205,36 20,10Calabria 81,27 438,19 105,51 66,58Sicilia 280,45 258,84 103,53 11,07Sardegna 99,62 52,34 15,99 28,14TOTALE KTEP 6.019,50 2.123,98 733,28 943,97

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Proprietà delle biomasse residualiProprietà delle biomasse residuali

Tipo

P.C.I.

[MJ/kg]

ss

Densità [kg/m³]

Densità

energetica

[GJ/m³]

Dimensioni tipiche

[ø mm]

Ceneri

[%]

ss

Legno catasta 17-19 280-600 4,4-9,3 50-250 0,1-3

Cippato 17-19 200-300 3,1-4,7 5-30 0,1-3

Segatura 17-19 170-250 2,6-3,5 0,1-0,5 0,1-3

Paglia di frumento 17,6 40-350 0,6-5,2 2-5 7-9

Stocchi di tabacco 17,8 40-70 0,6-1 2-5 2-3

Potatura di olivo 17,8 90-200 1,4-3 10-80 4-5

Lolla di riso 18 110-130 1,6-1,9 2-4 16-19

Sansa esausta 19,7 400-500 6,6-8,4 0,1-4 4-6

Potere calorifico di alcuni combustibili tradizionali [MJ/kg]:

Gasolio 42

Gas naturale 48

Carbone 29

Idrogeno 120

BiomassaBiomassa

Estrazione OliEstrazione OliTermochimiciTermochimici BiologiciBiologici

M%<50C/N>30M%<50C/N>30

M%>50C/N<30M%>50C/N<30

M% ~35C/N>35M% ~35C/N>35

DigestioneAnaerobica Digestione

Anaerobica Fermentazione

AlcolicaFermentazione

AlcolicaColtivazioni & Residui Lignocel.

Coltivazioni & Residui Lignocel.

Coltivazioni Oleaginosee Residui

Coltivazioni Oleaginosee Residui

Coltivazioni & Residui Lignocel.,

Amido e Zuccheri

Coltivazioni & Residui Lignocel.,

Amido e Zuccheri

Residui Vegetali Fermentabili,

(Liquami Animali)

Residui Vegetali Fermentabili,

(Liquami Animali)

PirolisiPirolisiGassificazioneGassificazioneCombustioneCombustione

Processi Conversione Biomasse a Fini EnergeticiProcessi Conversione Biomasse a Fini Energetici

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Tecnologie utilizzabiliTecnologie utilizzabili

Energia elettrica da biomasseEnergia elettrica da biomasse

gassificazione a letto fisso

downdraft con MCI

combustione con turbina ORC

gassificazione a doppio letto fluido

con MCI

combustione con turbina a vapore

100 500 1.000 2.500 5.000

400

50 10.000 50.000

800 4.000 8.000 20.000 40.000 80.000 400.000

potenza (kWel)

necessità annua biomassa(tonnellate di sostanza secca)

BiomassaBiomassaBiomassaBiomassa

TermochimiciTermochimiciTermochimiciTermochimici

PirolisiPirolisiGassificazioneGassificazioneCombustioneCombustione

COCO22 + H + H22OO

+ Ceneri+ CeneriCOCO22 + H + H22OO

+ Ceneri+ CeneriGas + COGas + CO22 + H + H22OO

+ Ceneri+ CeneriGas + COGas + CO22 + H + H22OO

+ Ceneri+ CeneriChar + Gas + HChar + Gas + H22O + OliO + Oli

+ Ceneri+ CeneriChar + Gas + HChar + Gas + H22O + OliO + Oli

+ Ceneri+ Ceneri

ProcessiProcessiProcessiProcessi

PProdottirodotti PProdottirodotti

Gas: CO, H2, Idrocarburi leggeri (CHGas: CO, H2, Idrocarburi leggeri (CH44, C, C22HH44, C, C22HH66…)…)Gas: CO, H2, Idrocarburi leggeri (CHGas: CO, H2, Idrocarburi leggeri (CH44, C, C22HH44, C, C22HH66…)…)

ER ER ~ 0.255~ 0.255ER ER ~ 0.255~ 0.255 ER ER = 0= 0ER ER = 0= 0ER ER 11ER ER 11Equivalence Equivalence RatioRatio

O2 eff/O2 stechO2 eff/O2 stech

Equivalence Equivalence RatioRatio

O2 eff/O2 stechO2 eff/O2 stech

T T > 1800°C> 1800°C T T > 1800°C> 1800°C T T ~ 800-900°C~ 800-900°C T T ~ 800-900°C~ 800-900°C T T ~ 500°C~ 500°C T T ~ 500°C~ 500°C

Processi Termochimici Conversione BiomasseProcessi Termochimici Conversione Biomasse

UpDraftUpDraftUpDraftUpDraft DownDraftDownDraftDownDraftDownDraft CrossDraftCrossDraftCrossDraftCrossDraft

Gassificatori a Letto FissoGassificatori a Letto FissoGassificatori a Letto FissoGassificatori a Letto Fisso

Review: Biomass for energy. Tony Bridgwater. J Sci Food Agric 86:1755–1768 (2006)

Facility alla gassificazione delle biomasse per la produzione Facility alla gassificazione delle biomasse per la produzione di energia elettrica e calore co-tri generativodi energia elettrica e calore co-tri generativo

IVECO 82100 2200giri/min IVECO 82100 2200giri/min 40kWe40kWe

MCFC 125kWeMCFC 125kWe Turbec T100 100kWe + 165kW risc o 95kW raffrTurbec T100 100kWe + 165kW risc o 95kW raffr

Biomassa

VaporeAria

Syngas pulito Fumi di

Combustione

Biomassa Syngas grezzo

Aria

Vapore

Sviluppo di processi per l’ottenimento del syngas:Sviluppo di processi per l’ottenimento del syngas:Centro Ricerche ENEA di TrisaiaCentro Ricerche ENEA di Trisaia

LETTO DOWNDRAFT

Aria/vapore 150-450kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

LETTO FISSO UPDRAFTAria/vapore 150kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

LETTO FLUIDO RICIRCOLANTEAria/vapore 500kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI, FC o alla produzione di biocombustibili da F/Tropsh

LETTO FLUIDO Aria arricchita/vapore 1MWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

Specie %Vol.

H2 32

CO 17CH4 6.2

N2 0.9

CO2 20.9

H2O 32

COMPOSIZIONE SYNGAS

Specie %Vol.

H2 34.1

CO 25.1

CH4 10.4

N2 9.6

CO2 20.8

Specie %Vol.

H2 20

CO 21

CH4 4

N2 40

CO2 6

H2O 9

COMPOSIZIONE SYNGASSpecie %Vol.H2 15

CO 22CH4 3

N2 40

CO2 20

Gas grezzo

Aria

Zona di combustione

Biomassa

OssigenoVapore

Syngas pulito

COMPOSIZIONE SYNGAS

21

Tecnologie mature per utilizzo termico cogenerativo delle

biomasse in agricoltura

Conversione energetica della biomassa - COMBUSTIONE DIRETTA:

apparecchi ad uso termico (da pochi kWt a diversi MWt)

impianti cogenerativi (da 0,5 MWt)

impianti per la produzione di energia elettrica

Impianti a biomassa (combustione diretta)

• caminetti, termo-caminetti, stufe• caldaie

legna da ardere bricchette cippato di legna pellet

diverse soluzioni tecnologiche e possibili configurazioni

(potenza richiesta, tipo di combustibile, localizzazione impianto)

Impianti cogenerativi e trigenerativiproduzione di energia termica (caldo e/o freddo) e di energia elettrica

< 100 kWel tecnologie non pienamente mature e affidabili (combustione +: motori Stirling, microturbine); 200÷2000 kWel combustione +: motori a vapore a vite, turbine a

vapore, ciclo ORC (ciclo Rankine con fluidi organici);> 2000 kWel combustione +: turbine a vapore

+ cicli ad assorbimento per la refrigerazione/climatizzazione

Impianti a biomassa (combustione diretta)

aria primaria aria secondaria sistemi di controllo e regolazione cenere

Moderne caldaie (dotate di sistemi di regolazione a microprocessore e sensori):rendimenti > 90%

Impianti a biomassa (combustione diretta)

Impianti cogenerativi e trigenerativi

Impianti a biomassa (combustione diretta)

Misure per ottimizzare la combustione aumentare il rendimento e ridurre le emissioni: qualità del combustibile

(NO incenerimento domestico e utilizzo di biomassa qualsiasi) corretto dimensionamento/scelta della potenza qualità e prestazioni dell’apparecchio

(rendimento, controllo ottimizzato della combustione, sistemi di regolazione, sistemi di pulizia)

qualità dell’impianto(progettazione, accumulo termico, impianto idraulico)

installazione corretta conduzione e manutenzione

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Legno cippatoscaglie di legno di dimensioni variabili standardizzate prodotte con

macchine cippatrici da: residui di potature boschive, agricole o urbane;

sottoprodotti da segherie e da lavorazione del legno, legname coltivato

(SRF). Può essere trasportato mediante coclee, nastri trasportatori o

spintori ed è immagazzinabile in depositi e silos.

potere calorifico: 8÷16 MJ/kg %M (ca. 10 MJ/kg con 40% umidità

M);

costo indicativo 5÷12 €/t (30%M).

3 kg cippato =

1 litro gasolio =

1,23 Nmc CH4

Impianti a biomassa (combustione diretta)

27

0,0

20,0

40,0

60,0

80,0

100,0

120,0

140,0

160,0

gasolio metano GPL legna cippato pellet

EU

RO

/MW

hCosto di esercizio relativo ai diversi combustibili

(riferito al calore utile)

Impianti a biomassa (combustione diretta)

BIOGAS: miscela di gas prodotta dalla decomposizione, in assenza di ossigeno, di materiale organico di varia natura metano (50-80%), anidride carbonica (25-40%), varie impurità (H2S, CO, H2, vapore acqueo e altri gas) (0,01%)

Biogas da fermentazione anaerobica

• reflui zootecnici,• fanghi di depurazione,• frazione organica RSU,• residui delle attività agro-industriali

E. elettrica e calore: motore endotermico a biogas + recupero calore (circuito olio, fumi, circuito di raffreddamento)

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MCI a biocombustibili (biodiesel, bioetanolo, olii vegetali tal quali) MCI accoppiati a gassificatori (syngas) o digestori (biogas) Turbine e microturbine a gas TG Cicli ORC

Motori Stirling Motori a vapore etc

Sintesi impianti cogenerativi di piccola taglia

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http://www.enea.ithttp://www.enea.it

http://www.trisaia.enea.ithttp://www.trisaia.enea.it

AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE,L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE

SEZIONE BIOMASSECentro Ricerche TRISAIA