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–– ENERGIA DAENERGIA DA BIOMASSEBIOMASSE ––

TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE TECNOLOGIE PER LA PRODUZIONE DIDI

ENERGIA TERMICAENERGIA TERMICA

L. Murgia - Dip.to Ingegneria del Territorio - Università degli Studi di Sassari

ENERGETICA APPLICATA AI SISTEMI RURALI

Per biomassa si intende ogni sostanza organica vegetale o animale da cui èpossibile ottenere energia attraverso processi di tipo termochimico o biochimico.

SOTTOPRODOTTI AGRICOLISOTTOPRODOTTI AGRICOLI di colture principali erbacee o legnose: paglie, stocchi, sarmenti di viti, residui di potature, ecc.

REFLUI ZOOTECNICIREFLUI ZOOTECNICI da allevamenti intensivi di bovini, suini, avicoli,

RESIDUI AGROINDUSTRIALIRESIDUI AGROINDUSTRIALI provenienti dall’industria alimentare (riserie ,distillerie, oleifici…): sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso, ecc.

RESIDUI FORESTALI E DELLRESIDUI FORESTALI E DELL’’INDUSTRIA DEL LEGNOINDUSTRIA DEL LEGNO da interventi di pulizia forestale, dalle lavorazioni in segherie, ecc.

COLTURE ENERGETICHECOLTURE ENERGETICHE sia erbacee che legnose sfruttate per produrre direttamente energia o per realizzare biocombustibili. Le specie più utilizzate sono : girasole, colza, canna da zucchero, pioppo, miscanto

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ogni tipo di biomassa ha diverso contenuto di energia e diverseogni tipo di biomassa ha diverso contenuto di energia e diverse caratteristiche chimiche caratteristiche chimiche

le diverse caratteristiche chimiche condizionano le tecnologie le diverse caratteristiche chimiche condizionano le tecnologie di conversionedi conversione

Caratteristiche biomassa

Tipo di conversione

Prodotto utilizzo

Materiali lignocellulosici

H2O ≤ 35%

C/N < 30%

COMBUSTIONE Calore Riscaldamento

Energia elettrica

PIROLISI E GASSIFICAZIONE

Carbone

Gas

Olio pirolitico

Riscaldamento

Energia meccanica

Energia elettrica

Liquami zootecnici

H2O > 35%

20 < C/N ≤ 30%

DIGESTIONE ANAEROBICA

Biogas

(metano 55÷75%)

Riscaldamento

Energia elettrica

Piante zuccherine

15 ≤ H2O ≤ 90%

C/N qualunque

FERMENTAZIONE ALCOLICA E DISTILLAZIONE

Etanolo Autotrazione

Piante oleaginose

H2O > 35%

ESTRAZIONE OLI

ESTERIFICAZIONEOli combustibili

Biodiesel

Autotrazione

Riscaldamento

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IMPIEGO DELLE BIOMASSE A FINI ENERGETICI

Le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno).

I PVS, nel complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 Mtep/anno), ma in molti di

essi tale risorsasoddisfa fino al 90% del fabbisogno energetico totale, mediante la combustionedi legno, paglia e rifiuti animali.

Nei Paesi Industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono appena per il 3% agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156 Mtep/anno). gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, equivalente a 3,2 milioni di

TJ/anno (70 Mtep/anno);

l’Europa ricava complessivamente il 3,5%, corrispondenti a circa 40 Mtep/anno, con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria; l’Italia, con il 2,5% del proprio

fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea nonostante un potenziale non inferiore a 27 Mtep

L’impiego delle biomasse in Europa soddisfa una quota abbastanza marginale dei consumi di energia primaria, rispetto alla sua potenzialità

All’avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, sono i Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse.

La Francia, che ha la più vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come combustibile ha adottato una politica di completa defiscalizzazione.

La Gran Bretagna invece, ha sviluppato una produzione trascurabile di biocombustibili, ritenuti allo stato attuale antieconomici, e si è dedicata in particolare allo sviluppo di un vasto ed efficiente sistema di recupero del biogas dalle discariche, sia per usi termici che elettrici.

La Svezia e l’Austria, che contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo (salice, pioppo) che hanno rese 3÷4 volte superiori alla media come fornitura di materia prima.

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USO DELLE BIOMASSE USO DELLE BIOMASSE -- VANTAGGIVANTAGGI• Fonte di energia rinnovabile: minore dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili e

diversificazione delle fonti di approvvigionamento

• Emissioni nette di CO2 nulle (se non vengono considerate le emissioni dovute alla raccolta e al trasporto): il biossido di carbonio rilasciato durante la combustione viene riassorbito dalle piante stesse mediante il processo di fotosintesi. L’utilizzo dei combustibili fossili converte in anidride carbonica delle materie prime che pur derivando da biomasse, rendono il processo praticamente irreversibile.

• Modesto contenuto di zolfo presente normalmente nelle biomasse che non contribuiscono pertanto al cosiddetto fenomeno delle piogge acide.

• Ha il rendimento energetico maggiore al minor costo tra le rinnovabili (escluso l’idroelettrico);

• Immagazzinabile e può essere convertita in combustibili gassosi ,solidi e liquidi;

• Disponibilità di numerose tecnologie di conversione che vanno dalla combustione fino alla gassificazione, e gran parte di quelle sviluppate per i combustibili fossili possono essere riconvertite per tale uso

• Benefici a livello occupazionale per la produzione e la commercializzazione

USO DELLE BIOMASSE USO DELLE BIOMASSE -- PUNTI CRITICIPUNTI CRITICI

• Necessità di utilizzare grandi aree a causa della bassa densità energetica;

• Gestione e costi del sistema di raccolta, trasporto e stoccaggio di questa materia che per sua natura è dispersa

• Produzione legata inevitabilmente alle condizioni ambientali e al tempo meteorologico e non costante durante l’anno;

• Variabilità delle caratteristiche: umidità diversa in base al tipo di biomassa utilizzato;

• Costo relativamente elevato richiesto al lavoro di produzione, raccolta e stoccaggio di questa materia che per sua natura è dispersa in grandi aree. Il materiale richiede inoltre trattamenti aggiuntivi per rendere le proprie caratteristiche compatibili con i processi tecnologici come combustione, gassificazione, pirolisi…

• Nel caso di colture energetiche, possibile competizione con le altre colture destinate per esempio all’alimentazione

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Filiere Agro-energetiche(Fonte ITABIA 2008)

COMBUSTIBILICOMBUSTIBILI

Fossili (non rinnovabili)

solidi: carboni naturali (torba, lignite, litantrace, antracite) e artificiali (coke)liquidi: gas liquefatto (propano, butano), benzine, cherosene, gasolio, olio combustibilegassosi: gas naturale (metano), derivati dal petrolio

Rinnovabili

solidi: materiali lignocellulosici con C/N>30 e U<40% (legna, residui potatura, paglie, residui mais, riso, sansa esausta, nocciolino, ecc.)liquidi: etanolo, metanolo, oli vegetali (colza, girasole, soia)gassosi: dalla fermentazione anaerobica di biomasse (biogas) o dalla gassificazione di materiali lignocellulosici

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Caratteristiche chimicoCaratteristiche chimico--fisiche dei combustibilifisiche dei combustibili

MASSA VOLUMICA (kg/l, kg/m3)

Relativa: rapporto fra la massa di un campione e lo stesso volume di acqua distillata a 15°C per c. liquidi e a 0 °C per i c. gassosi

Apparente: per i c. solidi - legata allo stato di frammentazione ed alle modalità di confezionamento

Caratteristiche chimicoCaratteristiche chimico--fisiche dei combustibilifisiche dei combustibili

POTERE CALORIFICO SUPERIORE Pcs (MJ/l, MJ/kg, MJ/m3)energia sviluppata dalla combustione completa di 1 kg di combustibile solido o liquido o 1 Nm3 di gas, incluso il calore latente vapore acqueo di processo che si forma dalla combinazione dell’H del combustibile e dell’O dell’aria

**N significa che il gas si trova a Patm e t=0°C

POTERE CALORIFICO INFERIORE Pci (MJ/l, MJ/kg, MJ/m3)energia sviluppata dalla combustione di 1 kg di combustibile solido o liquido o 1 Nm3 di gas, escluso il calore latente vapore acqueo di processo

**Pci = 0,90-0,95 * Pcs** la differenza Pcs-Pci viene dispersa nei gas di combustione

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CONTENUTO ENERGETICO considera la spesa energetica per l’evaporazione

dell’acqua (residui vegetali umidi)

Ce = [Pci (100-U)/100] - 0,025U (MJ/kg t.q.)

Esempio:

Contenuto energetico legna da esbosco Pci = 18,5 MJ/kg ss

Pcs = 19,4 MJ/kg ss

Umidità 40%

Ce = (18,5 (100-40)/100)- 0,025*40

= 10 ,1 MJ/kg t.q.se umidità 15%

Ce = (18,5 (100-15)/100)- 0,025*15

= 15,3 MJ/kg t.q.

Per I prodotti caratterizzati da un certo contenuto di umidità (biomasse) si parladi Pci riferito alla sostanza secca, oppure per la massa tal quale si parla di

Contenuto energetico lolla di riso Pci = 16,7 MJ/kg ss

Umidità 35 %

Ce = (16,7 (100-35)/100)- 0,025*35

= 10 MJ/kg t.q.

se umidità 20%

Ce = (16,7 (100-20)/100)- 0,025*20

= 12,9 MJ/kg t.q.

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Massa Volumica

MJ/kg MJ/l MJ/m3 kg/l kg/m3

Benzina 43,7 31,5 0,72Cherosene 43,5 34,4 0,79Gasolio (Olio leggero) 42,4 35,6 0,84Olio combustibile 41,4 39,3 0,95Etanolo 26,8 21,2 0,79Metanolo 19,9 15,9 0,8Olio girasole 39,8 36,6 0,91Gas Naturale- Metano 49,4 20,5 39,5 0,74-0,84Propano (GPL) 46,1 23,5 91,7 1,99Butano (GPL) 45,6 26,2 116,3 2,55Biogas (CH4 50-70%) 17-23 0,9-1,05Gas gassificazione 4,3-15 0,7-1,05Torba 15Lignite 21Antracite 33Coke 30Legno in catasta 16,7-18,8 rif. s.s. 280-600Paglia di frumento 17,6 rif. s.s. 40-350Potatura di olivo 18,6 rif. s.s. 90-200Sansa esausta 20 rif. s.s. 400-500Cippato legno 11,9 rif. s.s.

Pellets legno 17,4 rif. s.s. 650

PCI- Potere Calorifico Inferiore

Liquidi fossili

Liquidi rinnovabili

Tipo di combustibile

Solidi fossili

Solidi rinnovabili

Gassosi rinnovabili

Gassosi fossili

CARATTERISTICHE DI

ALCUNI

COMBUSTIBILI

FOSSILI E

RINNOVABILI

(Fonte ITABIA 2008)

COMBUSTIBILI LIGNOCELLULOSICICOMBUSTIBILI LIGNOCELLULOSICI

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AGROENERGIEAGROENERGIE

Residuali

CanapaCanna com.Cardo

KenafMiscantoPanicoSorgo da fibra

EucaliptoPioppoRobiniaSalice

Principali

Paglie cerealiStocchi di maisResidui potatura fruttiferiResidui cura dei boschiPotatura siepi, alberature stradaliSanse esauste, nocciolinoVinacce esausteLolla di risoNoccioli drupaceeGusci noci e nocciole

problematiche di raccolta e trasporto

Utilizzazione in circuito corto 10-20 km

Adattato da Fiala, Ist. Ingegneria Agraria,Milano

azienda comprensorio

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Processi di trattamento biomassa Processi di trattamento biomassa lignocellulosicalignocellulosica

•• SminuzzaturaSminuzzatura:

riduzione della pezzatura in prismi irregolari di 5-6 cm (chips)

macchine sminuzzatrici : cippatrici cippato

Vantaggi: trasporto meccanico (coclee, nastri trasportatori, ecc.)aumento massa volumica apparentestoccaggio in serbatoi

Processi di trattamento biomassa Processi di trattamento biomassa lignocellulosicalignocellulosica

DensificazioneDensificazione o o formellaturaformellatura: aumento della massa volumica (350-1200 kg/m3)

mediante polverizzazione del materiale e successiva estrusione in macchine

formellatrici. Spesa energetica di processo: 2% del CE prodotto addensato

Pellets, cilindri con ø = 2÷15 mm e l = 6÷30 mm ottenuti da scarti delle lavorazioni

del legno effettuate sia in bosco sia presso l’industria

Tronchetti: prismi o cilindri con ø = 50÷100 mm e l = 60÷500 mm

Briquettes: dalla pressatura di diversi residui legnosi non trattati (con pezzatura del

materiale fino a 15 cm) e umidità <14%

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Biomasse legnose agroforestali

50-80-100 €/t

230-250 €/t

Prezzo Biomasse va riferito al contenuto energetico del materiale

(Fonte AIEL, 2006) Fonte Inf.Agrario 40/2010

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15,218-1910-15Lolla di riso7,0-8,55-755-65Vinacce esauste

15,512-1310-15Sansa esausta19,61-215-20Noccioli19,00.5-110-20Gusci noce18,60.5-140-50Legna faggio18,71-240-50Legna pioppo

18,0-18,51-335-45Res. potatura fruttiferi17,82-345-55Residui potatura vite 16,56-750-60Stocchi mais16,29-1010-20Paglia orzo16,411-1210-20Paglia di frumento

PCI(MJ/kg s.s.)

Cenere (% s.s.)

Umidità (%)Materiale

ogni tipo di biomassa ha diverso contenuto di energia e ogni tipo di biomassa ha diverso contenuto di energia e diverse caratteristiche chimiche diverse caratteristiche chimiche

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esbosco

Cippatura e carico su rimorchio per il trasporto

Scarico cippato

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Impianti di piccola e media taglia distribuiti nel territorio

• produzione di calore per utenze singole• rete collettiva al servizio di vari insediamenti abitativi (teleriscaldamento)• cogenerazione di energia elettrica e termica

Fabbisogno annuo: 1000-1200 tonnellate di legname tq per MW termico(2000 ore e rendimento 85%)

SCELTE TECNOLOGICHE

Impianti industriali di tipo centralizzato

• produzione energia elettrica• cogenerazione di energia elettrica e termica

Fabbisogno annuo: 10000 tonnellate di legname tq per MW elettrico(6000 ore e rendimento 27%)

SCELTE TECNOLOGICHE

necessario approfondire

l’integrazione impianto-territorio

ed i bilanci energetici ed

economici per l’intera filera

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PROCESSI TERMOCHIMICI

COMBUSTIONECOMBUSTIONE: ossidazione completa di un combustibile mediante l'ossigeno contenuto nell'aria (comburente) fumi caldi

GASIFICAZIONE: trasformazione di un combustibile solido o liquido in combustibile gassoso, detto gas povero o anche gas di gasogeno (PCI = 6÷15 MJ/m3, contro 17÷23 MJ/m3 del biogas)Per i solidi si opera con un'ossidazione incompleta, cioè in carenza di ossigeno, a temperature di 900÷1500 °C

PIROLISI: produzione contemporanea di combustibili gassosi, liquidi e solidi mediante rottura termica dei polimeri ligno-cellulosici.Processo endotermico, in carenza di ossigeno, a temperature di 300÷800 °C. Utilizzato nello smaltimento dei RSU.

CARBONIZZAZIONE: trasformazione - a 500÷800 °C e in carenza di ossigeno - di materiale legnoso in un combustibile solido (carbone vegetale o carbonella) di elevato contenuto energetico (29 MJ/kg), piu'facilmente stoccabile e trasportabile.

Si conserva il 30÷50% del CE del materiale di partenza, e fino all'80% se si recuperano i gas combustibiliAssenza di zolfo

Dalla produzione tradizionale in carbonaia (catasta coperta di terra) si ottiene 1 kg di carbone da 5÷7 kg di legna (resa 20% circa)

Con la distillazione secca in forno la resa è del 30÷50%

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La COMBUSTIONECOMBUSTIONE è una reazione chimica di ossidazione, fra un

combustibile ed un comburente (in genere l’ossigeno), con sviluppo di energia termica (reazione esotermica)

I principali elementi chimici contenuti nei combustibili fossili che reagendo con l’ossigeno danno luogo a reazioni esotermiche sono il carbonio, l’idrogeno e lo zolfo:

C + O2 = CO2 + 34,03 MJ/(kg di C)

4H + O2 = 2H2O +144,42 MJ/(kg di H2)

S + O2 = SO2 + 10,88 MJ/(kg di S)

La conoscenza del fenomeno della combustione è importante sia ai fini dell’efficienza energetica che dell’impatto ambientale generato dall’emissione di fumi inquinanti

COMBUSTIONE DIRETTACOMBUSTIONE DIRETTA

ossidazione completa di un combustibile mediante l'ossigeno contenuto nell'aria (comburente)

gas di combustione a elevata temperatura:CO2, H2O, N2, SO2, SO3

temperatura di processo: 900 ÷ 1000 °Capporto iniziale di energia per scaldare il materiale a 200-300°C e innescare la distillazione delle sostanze volatili

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Il volume di aria teoricamente necessario per unità di peso o volume del combustibile (dipende dalla composizione) viene indicato come potere comburivoro (Pa):

legna: 2,8÷3,0 kg aria/kg prodottocarboni: 4,8÷5,2 " "combustibili liquidi: 6,0÷6,5 " “

per garantire la completa combustione si opera in situazione dieccesso di aria (E) rispetto alla quantità teorica

E' = peso (o volume) di aria utilizzata - Pa (%)Pa

E'' = volume di aria utilizzataVa

E insufficiente presenza di incombusti nei fumi e nelle ceneriE eccessivo diluizione dei fumi, < c

gas E= 15÷20 %

carbone E= 30÷40 %

legna E= 80÷100 %

SISTEMI DI COMBUSTIONEUn sistema di combustione (CALDAIA) permette lo sviluppo del processo di

combustione (fortemente esotermico) ed il trasferimento dell'energia termica

prodotta ad un fluido termovettore (acqua o aria).

Caldaie per combustibili solidi, liquidi, gassosi

Si compone essenzialmente di:• un bruciatore o/e un sistema di

alimentazione

• il corpo caldaia: camera di combustione + scambiatore di calore

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Bruciatore : ha la funzione di miscelare il combustibile - liquido o

gassoso o solido polverulento - con l'aria comburente

ugello iniettore

sistema di accensione elettrico

ventilatore

motore e pompa di mandata combustibile

dispositivi di controllo

La regolazione del sistema può essere del tipo:

- "tutto o niente“ portata del combustibile fissa

- "a due regimi" due valori di portata

- "a modulazione" portata variabile

Sistemi di alimentazione per combustibili ligno-cellulosici: quando la pezzatura > 50-60 mm al bruciatore viene sostituito un meccanismo di alimentazione

Lo stato fisico dei materiali - sciolti (ramaglie), imballati (paglie) - e le

dimensioni (tronchetti, pellets, polveri) determinano le modalità di

movimentazione:

carico manuale: tronchetti di legna, balle prismatiche

sistemi meccanici: ₋ pinza idraulica: fascine e paglie imballate

₋ nastro trasportatore: cippato di legna, briquettes, balle

prismatiche

₋ coclea o pistone idraulico: cippato, briquettes, pellets, sanse, nocciolino

₋ pneumatica: segatura, trucioli, paglie triturate, lolla di riso

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Corpo caldaia: si compone di

Camera di combustione: aperture di ventilazione, camera di raccolta ceneri, camino uscita fumi

Superficie di scambio termico: fra i gas caldi (>700 °C) ed un fluido termovettore (aria, acqua, olio, vapore) che circola all'interno di tubi (caldaie a tubi d'acqua) o all'esterno (c. a tubi di fumo)

In funzione delle modalità di invio dell'aria comburente: Caldaie in depressione: tiraggio naturale del camino Caldaie pressurizzate: ventilatore in camera di combustione

Caldaie a condensazione: recuperano parte del calore latente del vapore contenuto nei fumi grazie a grandi superfici di scambio che abbassano la temperatura dei fumi a 60°C - solo per gas puri

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I GENERATORI DI CALORE a biomasse possono suddividersi nelle seguenti

categorie, in funzione del tipo di combustibile impiegato, della potenza del

generatore, del tipo di sistema di caricamento del focolare

• caldaie a legna di piccola taglia a caricamento manuale

• combustori per paglie

• caldaie per residui agroindustriali

• caldaie a pellet di piccola taglia a caricamento automatico

• caldaie a cippato di piccola e media taglia a griglia fissa con caricamentoautomatico a coclea

• caldaie di media e grande taglia a griglia mobile con caricamento automaticoa coclea

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Fonte http://agrienergie.arsia.toscana.it/UserFiles/File/agrienergie/Agrienergie%202009/Atti%20convegni/Sala%20forum/Forum%20pubblicazione%20impianti%20termici%20Nocentini.pdf

una sonda lambda misura in continuo la concentrazione di O2 nei fumi esausti e regola di conseguenza il ventilatore e, nelle caldaie automatiche, la velocità di caricamento del combustibile

Caldaie per legna in ciocchi

Tronchetti 40100 cm

Potenza 20200 kW

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Combustori per paglie

Paglia imballata

Paglia triturata

Caldaie per tutoli uso diretto

scambiatoreCaldaia per

lolla di riso

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(Fonte http://www.acciona-energia.es/ )

Impianto per la produzione di EE

da paglie di cereali

Sangüesa, Navarra, Spagna

Potenza 25 MWeProduzione 200.000 MWh/annoConsumo 160.000 t paglia

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Caldaie per cippato

Il consumo di cippato varia in funzione delle ore diaccensione all’anno e della potenza della caldaia

es. caldaia 250 kW 80-100 kg/h

Le dimensioni del deposito derivano dal periodo diautonomia di carico (15 gg- 1 mese)

Massa volumica cippato circa 250 kg/m3

Deposito cippatoSoluzioni costruttive diverse

Estrattore cippato

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caldaia

deposito

estrattore automatico

(fonte: Biocompact, Ecoenergie srl, Vicenza)

Impianti prefabbricati

GRIGLIA FISSAPotenze da 25 -100 kWcippato (U=35% max)

Costo specifico 250-300 €/kW

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GRIGLIA MOBILE

Potenze da 150 kW ad alcuni MWUmidità cippato > 50 %

Costo specifico 100-150 €/kW

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Caldaie per pellet

Sacchi 15 kg, big bags 800-1000 kg, sfusoCosto specifico caldaia 200-400 €/kW

Consumo circa 0,25 kg/h per kW potenza Caldaia 40 kW per 10h/g 100 kg

Teleriscaldamentosistema di riscaldamento a distanza di un'insieme di utenze distribuite nel territorio e che utilizza il calore prodotto da una centrale termica

il calore viene distribuito agli edifici tramite una rete di tubazioni in cui fluisce l’acqua calda o il vapore

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PUNTI CRITICI

• Accettabilità sociale: impatto paesaggistico e ambientale dell'impianto e del trasporto• Stoccaggio materiale• Disponibilità di più fonti di approvvigionamento• Sostenibilità economica: stabilità e convenienza del kWh termico, anche in assenza di

contributi pubblici• La rete del teleriscaldamento è un'infrastruttura che assorbe 50- 80% del costo

impianto

VANTAGGI

• Minor inquinamento e maggior efficienza energetica• Costi: si eliminano i costi individuali relativi a: boiler e caldaie, controlli annuali, pulizia

di caldaie e camini• Il minor costo del combustibile vegetale rispetto a gasolio, metano e GPL, permette di

risparmiare sul prezzo dell'energia termica consumata• Sicurezza: si sposta la combustione nell'impianto di teleriscaldamento • Maggiore affidabilità e comodità: l'utente del teleriscaldamento deve solo regolare sul

(crono)termostato la temperatura e pagare la bolletta• Ridotto ingombro per la singola utenza

Teleriscaldamento

Sottocentrale di utenza

è il dispositivo attraverso il quale l’utente preleva l’energia termica dalla rete

E’ costituita da uno scambiatore di calore che separa il circuitodell'impianto di teleriscaldamento e il circuito dell'impianto di riscaldamento utente.

Ogni sottocentrale è equipaggiata con un misuratore dell'energia ceduta (contatore),una valvola di regolazione e limitazione della portata nel circuito primario, valvole diintercettazione e di sicurezza ed altri accessori di regolazioneLettura dei contatori e fatturazione possono essere completamente computerizzate.

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CENTRALE DI PRODUZIONE:Caldaia n.1 alimentata a biomassa 6,0 MW (attiva dal 2001)Caldaia n.2 alimentata a biomassa 6,0 MW (attiva dal 2001) Caldaia n.3 alimentata a biomassa ad olio diatermico 9,4 MW ( attiva dal 2003)

Caldaia n.4 di riserva 5,9 MW (attiva dal 2003)

Gruppo di cogenerazione ORC 1,1 MWe interfacciata con la caldaia ad olio diatermico (attiva dal 2003)

Potenza installata alimentata a biomassa 21,4 MW

RETE DI DISTRIBUZIONE:

Lunghezza complessiva rete 1°-2°-3° Lotto Km. 19,607SOTTOSTAZIONI DI UTENZA:

Utenze 1°-2°-3° Lotto N. 350 per 34.465 KWCARATTERISTICHE IMPIANTO

Capacità stoccaggio biomassa : in aree chiuse 5.000 m3,in aree aperte 40.000 m3

Area occupata dalla centrale 15.000 m2Superficie coperta complessiva : 2.022 m2Area per lo stoccaggio di biomasse : 660 m2Sviluppo della rete 14.570 m

IMPIANTO DI TELERISCALDAMENTO A BIOMASSA DI DIMENSIONI MEDIO-GRANDI (TIRANO)

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RENDIMENTO DEL SISTEMA DI COMBUSTIONE

L'efficacia della conversione energetica si misura attraverso il rapporto fra il calore trasferito al fluido ed il calore ricavabile teoricamente dal combustibile:

Rendimento istantaneo

= POTENZA TERMICA PRODOTTA = (Pp)POTENZA CHIMICA COMBUSTIBILE (Pc)

Pp = Cs . G . T Cs: calore specifico del fluido termovettore (kJ/kg°C)G: portata del fluido (m3/h)

dT: aumento di temperatura del fluido in caldaia (°C)Pc = Q . PCI Q: portata del combustibile (kg/h)

PCI: potere calorifico inferiore combustibile (MJ/kg)

si riferisce a precise condizioni di funzionamento: portata delcombustibile, temperatura del fluido termovettore

Esempio

Calcolare il rendimento di una gasolio che consuma 2,3 kg/h di gasolio con PCI= 42 MJ/kg per innalzare da 60 a 80 °C la temperatura di una portata d'acqua pari a 1 m3/h

= Cs . G . T = (kJ/kg °C) (m3/h) (°C)Q . PCI (kg/h) (MJ/kg)

= 4,18 . 1000 . 20 = 0,862,3 . 42 . 103

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Esempio

Calcolare il rendimento di una caldaia che brucia 10 kg/h di legna con PCI= 13,8 MJ/kg per innalzare di 20 °C la temperatura di una portata d'acqua pari a 1 m3/h

= Cs . G . T = (kJ/kg °C) (m3/h) (°C)Q . PCI (kg/h) (MJ/kg)

= 4,18 . 1000 . 20 = 0,6110 . 13,8 . 103

Rendimento medio m = ENERGIA TERMICA PRODOTTA (Ep) ENERGIA CHIMICA COMBUSTIBILE (Ec)

la scelta del tempo (t ) dipende dal tipo di utilizzazione, di caldaia e di combustibile

• caldaia a combustibili solidi e carico manuale: tempo necessario alla completa combustione• impianto riscaldamento: periodo invernale

i rendimenti medi sono più significativi di quelli istantanei per valutare la coerenza dell’accoppiamento sistema di combustione – utenza

considerate le condizioni non stabili e gli inevitabili periodi transitori, è meglio

far riferimento a periodi di tempo più o meno lunghi (ora, giorno, stagione) e

valutare le energie in gioco per definire un

m = (Cs . Gm . Tm .t) / (Qm . PCI . t)

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L'efficienza può essere valutata anche in modo indiretto misurando la

concentrazione di O2, CO2 [< 10% vol. → elevate perdite al camino; > 15%

vol. → perdite per incombusti] e la temperatura dei fumi

200°C < Temperature < 350 °C

sono normali e indice di una sufficiente superficie di scambio, un buon

rendimento di trasferimento del calore, un corretto apporto d'aria comburente

Temperature > 350 °C

Indicano una zona di scambio sottodimensionata, una zona di scambio

incrostata

Temperature < 200 °CIndicano elevate quantità d'aria comburente, elevate perdite al camino

Il rendimento del sistema di combustione dipende da:

Qualità della combustione:

deve essere garantito l’intimo contatto fra combustibile e ossigeno

rapporto costante e sicuro tra aria e combustibile

lunghezza della fiamma regolabile (interno camera combustione)

Caratteristiche caldaia e della superficie di scambio

Isolamento termico

Conduzione dell’impianto

per incombusti solidiper incombusti gassosiper calore sensibileper irraggiamento esterno: < 1%

Perdite di energia

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Un basso rendimento è segnalato da:

Presenza di CO2 e particolati di C nei fumi (incombusti)Presenza di combustibile nelle ceneriTemperatura dei fumi elevata (perdite al camino se T> 250-300 °C)

Fattori che concorrono all'efficienza del sistema

Eccesso d'aria (E) insufficiente: presenza di incombusti nelle ceneri

Eccesso d'aria troppo elevato: diluizione dei fumi e asportazione calore

Incrostazioni sulle superfici di scambio

Dimensionamento errato e progettazione inadeguata

Funzionamento intermittente del sistema di alimentazione

Tiraggio del camino ad alimentatore spento

Valori tipici di rendimento(funzionamento continuo e energia calcolata con PCI)

Caldaie a gas: = 80-85% (standard) = 85-95% (alto rendimento) = 95-105% *** (a condensazione)

Caldaie a comb. fluidi: = 70-75% (standard) = 85-90% (pressurizzate)

Caldaie a comb. solidi secchi: = 45-60% (caric. manuale) = 80% (a tiraggio inverso) = 75-90% (alim. automatica)

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ASPETTI ECONOMICI IMPIANTI TERMICI ALIMENTATI CON

BIOMASSE LIGNOCELLULOSICHE

COSTO COMBUSTIBILE

COSTO CALDAIA

COSTO INFRASTUTTURE

COSTI GESTIONE

COSTI MANUTENZIONE

DURATA FUNZIONAMENTO

Prezzo Biomasse va riferito al contenuto energetico del materiale

(Fonte AIEL, 2006) Fonte Inf.Agrario 40/2010

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1 litro gasolio corrisponde a circa 2,5-3 kg di cippato (W 20-30)

1 kg di gasolio corrisponde a circa 3,4 kg di cippato

1 m3 di gas corrisponde a circa 3,2 kg di cippato

LEGNO ANIDRO PCI = 18,5 MJ/kg = 5,14 KWh/kg

PELLET (W=10%) PCI = 17,0 MJ/kg = 4,7 KWh/kg

LEGNA DA ARDERE (W=20%) PCI = 14,4 MJ/kg = 4 KWh/kg

CIPPATO (W=30%) PCI = 12,2 MJ/kg = 3,4 KWh/kg

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Fonte ISES-Italia

Fonte ISES-Italia

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BIOCOMBUSTIBILI LIQUIDI

….Incentivi per i biocarburantiViene allineata la legislazione italiana sui biocarburanti alla Direttiva europea 2003/30/CE sugli obiettivi di miscelazione obbligatoria dei biocarburanti nei carburanti petroliferi, secondo una percentuale progressiva: 1% al 2005; 2,5% al 2008; 5,75% al 2010

Direttiva 2009/28/CE - Pacchetto ClimaEntro il 2020 il 10% dei consumi di benzina e gasolio dovrà essere coperto da biocarburanti

AlcoliOli vegetaliBiodiesel

(Fonte ITABIA 2008)

BIOCOMBUSTIBILI LIQUIDI

FILIERA BIODIESEL

FILIERA BIOETANOLO

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i biocarburanti contengono una maggiore percentuale di ossigeno rispetto a quelli fossili ed hanno di conseguenza un minor PCILa differenza è molto più evidente per il bioetanolo che per il biodiesel il quale può essere impiegato anche puro, in sostituzione del gasolio, per l’alimentazione degli autoveicoli diesel senza dover modificare i motori, mentre l’uso dell’etanolo puro o miscelato alla benzina in percentuali elevate (>20-25%) richiede interventi specifici di adattamento del motore e/o del sistema di alimentazione del carburante.

Contenuto energetico dei carburanti per autotrazione

Biocarburante Uso Paese Veicolomodificato

Biodiesel Biodiesel puro Germania, Austria No

Additivo fino al 5% senza etichettatura Francia, Italia No

Additivo fino al 5% con etichettatura Regno Unito No

Miscele fino al 30% con distribuzione extra rete Italia No

Miscele al 30-40% con etichettatura Repubblica Ceca No

Bioetanolo Etanolo puro (95,5%) Brasile Si

Miscele fino all’85% di etanolo (E85) Nord America, Svezia Si

Additivo fino al 24% in volume Brasile No

Additivo al 5-10% in volume Nord America No

ETBE (3,6-4,4% etanolo) Francia, Spagna No

Utilizzazione del biodiesel e del bioetanolo

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ALCOLIALCOLI (etanolo, metanolo)

ottenuti dalla fermentazione alcolica di sostanze amidacee o zuccherine di specie vegetali come barbabietole, mais, orzo, canna da zucchero (Brasile), sorgo (Cina), o da residui (vinacce, ecc.), prodotti ortofrutticoli eccedentari

1 ettaro di coltivazione può fornire : 1,3 t etanolo da mais5,3 t etanolo da barbabietola3,5 t etanolo da patate

5,4 t etanolo da sorgo6,2 t etanolo da canna da zucchero

Etanolo di seconda generazioneEtanolo di seconda generazione:

ottenuto dalla idrolisi e dalla fermentazione di biomasse lignocellulosiche (pioppo,

panicum, ecc.)

Il bioetanolo da barbabietola da zucchero riduce le emissioni di gas serra dell’intero ciclo di vita del 40-55%

In Brasile, per l'etanolo da canna da zucchero la riduzione stimata è attorno al 80-100%

Le tecnologie più efficienti attualmente allo studio che riguardano il bioetanoloda cereali o da cellulosa sono proiettate a riduzioni delle emissioni di gas serra dal 60% al 110%

bilanci energetici variabili per le diverse colture:

output/inputmais 1,3-1,7 barbabietola da zucchero 1,5 canna da zucchero 8,3

Apetti ambientali dell'uso del BIOETANOLO

Stime sui costi di produzione nei 25 stati dell’UE mostrano che la produzione di bioetanolo da barbabietola da zucchero e da frumento può essere valutata intorno a 0,60 €/litro (escluse le tasse), mentre i costi di produzione di bioetanolo da canna da zucchero in Brasile sono meno della metà

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il bioetanolo può essere usato puro (E100) o in miscela (dal 10 al 95%; E85: all’85%) nei motori a benzina: minori emissioni di CO, aumento consumi specifici del 40-50% (minore calore spec.), modifica del carburatore, corrosione

veicoli “flex-fuel” (FFVs) che possono operare con una gamma di miscele di bioetanolo fino alla E85. Un sistema di controllo individua automaticamente le caratteristiche del combustibile utilizzato e regola il motore di conseguenza

nei motori diesel si usa insieme al gasolio con sistemi misti di alimentazione: nei motori dual-fuel il gasolio liquido e l’alcool in forma di vapore misto all’aria comburente vengono immessi separatamente nella camera di combustione

gli alcoli formano con alcuni componenti della benzina degli aggregati particolarmente volatili perdite di carburante per evaporazione

attualmente il bioetanolo in Italia è destinato prevalentemente alla produzione di ETBE (etil-terbutil-etere: 50% etanolo+50%isobutilene) da impiegare come antidetonante nella benzina (al 10%) riduce significativamente le emissioni inquinanti e migliora la combustione

OLI VEGETALIOLI VEGETALIottenuti dai semi di colture oleaginose quali girasole, colza, soia, cartamo

mediante estrazione meccanica o chimica - resa in olio 36-38% in peso

l’80% della produzione mondiale di olio è ottenuta da palma, soia, colza, girasole

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Rispetto al biodiesel e al bioetanolo, presentano alcuni importanti vantaggi:

• facilità di produzione, mediante pressatura a freddo e successivo filtraggio

• bassi costi, grazie alla semplicità del processo produttivo

• ottimo bilancio energetico

• impiego per produzione di energia termica ed elettrica

• autoproduzione con frantoi aziendali EE autoconsumo o cessione in rete

• in ambito agricolo, oltre che per cogenerazione, gli oli vegetali possono essere

utilizzati come carburanti per autotrazione di trattori con motori modificati

OLI VEGETALIOLI VEGETALI

OLI VEGETALIOLI VEGETALIOgni specie oleaginosa produce un olio con caratteristiche specifiche che ne

influenzano le modalità di utilizzo elevata viscosità non sono adatti ad essere utilizzati tal quali come carburanti

(crea problemi con gli iniettori concepiti per il gasolio) miscela max al 25-30%, necessitano di precamera di combustione, problemi di contenuto in gomme

minore potere calorifico mediamente inferiore del 15 % se riferito alla massa per il numero di cetano abbastanza basso minore prontezza accensione

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OLI VEGETALIOLI VEGETALI

• la viscosità è maggiore di circa 10-100 volte rispetto al gasolio alla stessa

temperatura

• conseguenze sul comportamento del motore: aumenta la pressione massima

di iniezione; produce ritardo nell'accensione, causa una minor atomizzazione

• conseguenza diretta è una combustione "sporca" che crea ulteriori problemi

al motore e ne diminuisce prestazioni e durata

• la viscosità può essere ridotta riscaldando l'olio prima dell'iniezione oppure

scaldando filtri, serbatoi o condotti prima dell'iniettore

• la riduzione della viscosità può essere ottenuta con il processo di

transesterificazionetransesterificazione che ha come risultato più evidente la rottura della

molecola del trigliceride in tre molecole più piccole e quindi meno viscose

• ad esempio a 38 °C l'olio di girasole ha una viscosità circa 14 volte maggiore

rispetto al gasolio, mentre il corrispondente metilestere è solo 2 volte più

viscoso del gasolio

Il bilancio di massa semplificato dell'intero processo è il seguente:

1000 kg di olio raffinato + 100 kg metanolo = 1000kg biodiesel1000kg biodiesel + 100 kg glicerina

TransesterificazioneTransesterificazionedetermina la sostituzione dei composti alcolici originari (glicerolo) con alcol

metilico in presenza di un catalizzatore alcalino (NaOH) producendo etil-metil-

esteri BIODIESELBIODIESEL

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L’Italia è il secondo produttore in UE dopo la Germania

La materia prima per la produzione del biodiesel è prevalentemente di importazione (Francia, Spagna, Germania, Argentina, Brasile, Canada)

Il 60% del biodiesel prodotto è esportato in ambito UELa glicerina è esportata prevalentemente in Asia

In Italia esistono limitazioni:• contingente limitato (250.000 t) per agevolazione riduzione accisa• miscelazione al max 5% per l’immissione in rete• obbligatorietà della miscelazione non sanzionata

Costo produzione biodieselCosto produzione biodiesel

30% olio soia a 565 €/t70% olio colza 665 €/traffinazione 50 €/testerificazione 100 €/t

785 €/t (circa 2 volte il gasolio)

Il bilancio energetico nel ciclo di vita è di circa O/I =3,2 Le emissioni di CO2 nel suo ciclo di vita vengono ridotte di circa il 78% rispetto al gasolio fossile

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Il BIODIESELBIODIESEL ha prestazioni simili al diesel tradizionale con una notevole riduzione delle emissioni e può essere impiegato per

A) Autotrazione

in miscela 20-30% su tutti i motori diesel oppure puro con qualche accorgimento tecnologico (materiali plastici, serbatoi, ecc.)

in miscele < al 30% si verificano meno problemi di attacco delle parti di materiale plastico, di diluizione dei lubrificanti, di incrostazioni degli iniettori

il minore potere calorifico (37 MJ/kg contro 42 MJ/kg del gasolio) comporta maggiori consumi specifici (+7%) e minore potenza erogata (-5%)

in Germania ed Austria il biodiesel puro viene distribuito liberamente in rete

Per quanto riguarda l’impatto ambientale del biodiesel, i dati sulle emissioni relativi all’impiego nei motori diesel per autotrazione indicano rispetto al gasolio:

non vi sono emissioni nette di CO2

riduzione degli ossidi di azoto NOx -30%

riduzione degli idrocarburi incombusti HC: -15-20 %

riduzione del monossido di carbonio CO: -40% se puro, -15% in miscela

particolato di maggiori dimensioni e quindi meno inalabile

non ci sono emissioni di SO2

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B) Riscaldamento

Il biodiesel ha un contenuto di O2 maggiore e di C minore rispetto al gasolio non richiede la sostituzione del bruciatore ma solo la modifica degli ugelli o

regolazioni particolari: riduzione dell’aria comburente, aumento della pressione di mandata, sostituzione di alcune parti plastiche per via del potere solvente del metilestere

Il contenuto di S è pressochè nullo t fumi più basse usato puro in caldaia

Fino al 2000 in Italia il 95% del

biodiesel prodotto era destinato all’alimentazione di centrali termiche (in controtendenza rispetto agli altri Paesi), attualmente l’uso prevalente è in miscela al 5%

Per quanto riguarda l’impatto ambientale del biodiesel, i dati sulle emissioni relativi all’impiego in caldaia indicano rispetto al gasolio:

migliore efficienza conversione per via delle temperature dei fumi più basse

Minore sporcamento superfici di scambio

emissioni di CO simili

riduzione degli ossidi di azoto NOx -30%

riduzione del particolato maggiori dimensioni e quindi meno inalabile

non ci sono emissioni di SO2

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Bilancio di massa:

1 t di semi girasole (al 42% di olio)

420 kg di olio grezzo (+ 50 kg panello proteico)

390 kg olio raffinato (+ 30 kg residui)

considerando una resa in semi di 2,6 t/ha (+/-15%), si ottiene una

resa in olio raffinato di circa 1 t/ha

Bilancio energetico

l’energia prodotta dal biodiesel è pari a 2-2,5 volte la spesa di energia fossile spesa per produrlo

di conseguenza si stimano riduzioni che vanno dal 30 al 70% della CO2emessa rispetto al gasolio

a parità di energia prodotta l’uso di 1 kg di biodiesel al posto del gasolio comporta la riduzione di 2,1 kg di CO2 fossile

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Incentivi alla produzione elettrica da biocarburanti liquidi

L'elettricità prodotta da impianti (entrati in esercizio dopo il 31/12/2007, a seguito di nuova costruzione, rifacimento o potenziamento) alimentati da biocarburanti liquidi ha diritto a beneficiare di meccanismi incentivanti

Tariffa omnicomprensivaHanno diritto alla TO gli impianti di potenza < 1 MW alimentati con biocarburanti liquidi -tracciati e certificatiLa TO consiste nel riconoscimento di una tariffa incentivante per ogni KWh di elettricitàprodotto dall'impianto e immesso nella rete elettrica (0,28 €/kWhe nel 2010)L'incentivo viene corrisposto per un periodo di 15 anni.

Certificati VerdiHanno diritto ai CV gli impianti a biocarburanti liquidi di taglia > 1 MW.Consistono nel riconoscimento di un incentivo per tutta l'elettricità prodotta, calcolato mediante l'applicazione di un coefficiente differenziato per fonte (1 CV=1 MWh, k=1,8).L'incentivo viene corrisposto per un periodo di 15 anni.

Lo Scambio sul posto Gli impianti a biocarburanti liquidi (operanti in cogenerazione o per la sola produzione di energia elettrica) fino a 200 kW di potenza possono, in alternativa alla TO, richiedere il servizio di Scambio sul posto. “Il servizio di Scambio sul posto”, secondo la definizione dell’AEEG, “consiste nel realizzare una particolare forma di autoconsumo in sito, consentendo che l'energia elettrica prodotta e immessa in rete possa essere prelevata e consumata in un momento differente da quello nel quale avviene la produzione [...]."