Fondamenti tecnici per Fondamenti tecnici per l’utilizzazione energetica l’utilizzazione energetica

della della biomassabiomassa

Ing.Ing. Mario Mario ChiadòChiadò RanaRanaEnea Enea SaluggiaSaluggia

PROBIO - II° CORSO “Formazione Quadri ” Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell’uso dei biocombustibiliHOME

Fondamenti di fisica tecnica applicati alla biomassa, principali grandezze, unità di misura, metodologie di prova

Introduzione alla normativa tecnica sui biocombustibili

Caratteristiche tecniche dei biocombustibili

PROBIO - II° CORSO “Formazione Quadri ” Progetto dimostrativo integrato per la diffusione dell’uso dei biocombustibili

Fondamenti tecnici per Fondamenti tecnici per l’utilizzazione energetica della l’utilizzazione energetica della

biomassabiomassaPrincipali grandezze, unità di misura, Principali grandezze, unità di misura,

metodologie dimetodologie diprovaprova

Fondamenti di fisica tecnica applicati alla Fondamenti di fisica tecnica applicati alla biomassabiomassa

Introduzione alla normativa tecnica sui Introduzione alla normativa tecnica sui biocombustibilibiocombustibili

Caratteristiche tecniche dei Caratteristiche tecniche dei biocombustibilibiocombustibili

Principali grandezze, unità di Principali grandezze, unità di misura, metodologie di provamisura, metodologie di provaSistema internazionale SISistema internazionale SIUnità di misura fondamentali: Lunghezza Unità di misura fondamentali: Lunghezza

(metro), Massa (kg), Tempo (s), Temperatura (metro), Massa (kg), Tempo (s), Temperatura (K), quantità sostanza chimica ((K), quantità sostanza chimica (molmol), ecc.), ecc.

Grandezze derivate e unità di misura del SIGrandezze derivate e unità di misura del SIGrandezze derivate e unità di misura di uso Grandezze derivate e unità di misura di uso

comune STcomune STCoefficienti di conversioneCoefficienti di conversione

Fattori moltiplicativi: M (*1.000.000,), k (*1000), m (/1000),µ (/1.000.000)

Grandezze derivate e unità di Grandezze derivate e unità di misura del SImisura del SI

Forza Forza Newton N = 1kg * 1m/sNewton N = 1kg * 1m/s2 2 →→ Pressione Pressione N/mN/m22 = = PaPa PascalPascal →→ bar = 100.000, bar = 100.000, PaPa = 100 = 100 kPakPa= 0,1 = 0,1 MPaMPaPressione atmosferica 1.000, mbar = 1 bar = 1.000, hPaDensità o massa volumica kg/m3

Velocità m/sLavoro = Energia= Lavoro = Energia= 1N*1m = 1kg*1m/s1N*1m = 1kg*1m/s22*1m *1m

=Joule=Joule JJ →→ Potenza Potenza J/s = 1WJ/s = 1WCalore specifico J/kgK = J/kg°CPotere calorifico J/kg

Grandezze derivate e unità di Grandezze derivate e unità di misura del SImisura del SI

Pressione 1 atm ≈ 1 bar; 1 kgf /cm2 = 98.070, Pa1 mmH2O = 10 Pa = 0,10 mbar

Lavoro Energia Calore 1 kcal = 4.186,8 J3.300 kcal/kg = 13.816.000 J = 13.816, kJ = 13,8 MJ

Potenza 1 kcal/h = 4.186,8/3.600, J/s = 1,1628 W1 CV = 735,5 W

10 kW = 8.620, kcal/h = 13,59 CV – 30 CV = 22.065, W

Rendimento – (adimensionale)

Unità di misuraUnità di misuraAnglo-americane SI BTU 1.055,060 J 0,252 kcal BTU/h 0,293 W 0,252 kcal/h BTU/hft2 3,155 W/m2 2,713 kcal/hm2BTU/lb 2.326,009 J/kg 0,556 kcal/kg BTU/lb°F 4.186,816 J/kgK 1,000 kcal/kg°Clb 0,454 kg ft 30,480 cm ft3 28,317 dm3 in 2,540 cm lb/ft3 16,018 kg/m3 gallone inglese 4,546 l gallone USA 3,785 l BTU/gal USA 278,718 J/l 0,067 kcal/l cord 3,625 m3 acre 4.046,860 m2 0,405 ha °F (°F-32)*5/9 °C

Fondamenti di fisica tecnica Fondamenti di fisica tecnica applicati alla applicati alla biomassabiomassa

Nessuna differenza rispetto ai combustibili Nessuna differenza rispetto ai combustibili convenzionali convenzionali -- Particolarità dei Particolarità dei biobio--combustibilicombustibili

Principio di conservazione della massa (non Principio di conservazione della massa (non del volume)del volume)

Principio di conservazione dell’energiaPrincipio di conservazione dell’energiaPrincipi della termodinamicaPrincipi della termodinamicaScambio termicoScambio termicoCapacità termica Capacità termica

Introduzione alla normativa Introduzione alla normativa tecnica sui tecnica sui biocombustibilibiocombustibili

Enti Enti normatorinormatori nazionali UNI = Ente nazionali UNI = Ente normatorenormatoreeuropeo CENeuropeo CEN

Norme volontarie e armonizzate UNIENNorme volontarie e armonizzate UNIENBiomasseBiomasse combustibili = combustibili = biobio--combustibilicombustibiliCENTC335 BIOCOMBUSTIBILI SOLIDICENTC335 BIOCOMBUSTIBILI SOLIDI

Legislazione nazionale: DPCM 08 marzo 2002 Legislazione nazionale: DPCM 08 marzo 2002 combustibili combustibili

BIOCOMBUSTIBILI SPECIFICHE E RACCOMANDAZIONI CTI – scaricabile dal sito www.cti2000

CEN/TC 335 “Solid biofuels”

• Le biomasse residuali sono escluse dalla Direttiva Incenerimento rifiuti e sono considerate fonti energetiche rinnovabili di biocombustibili = Normazione sotto Mandato della Commissione Europea

•• BIOCOMBUSTIBILI RISPONDENTI A SPECIFICHE NORMATEBIOCOMBUSTIBILI RISPONDENTI A SPECIFICHE NORMATEprodotti agricoli e forestali;prodotti agricoli e forestali;rifiuti vegetali agricoli e forestali;rifiuti vegetali agricoli e forestali;rifiuti vegetali dell’industria rifiuti vegetali dell’industria agroalimentareagroalimentare;;rifiuti di legno che non contengano composti alogenatirifiuti di legno che non contengano composti alogenatiorganici o metalli pesanti a seguito di un trattamento.organici o metalli pesanti a seguito di un trattamento.rifiuti di sugherorifiuti di sughero

DPCM 08 marzo 2002g) biodiesel rispondente alle caratteristiche indicate in Allegato I, punto 3;l) legna da ardere alle condizioni previste nell'Allegato III, punto 2;m) carbone di legna;n) biomasse combustibili individuate nell'Allegato III, alle condizioni ivi previste;r) biogas individuato nell'Allegato VI, alle condizioni ivi previste;s) gas di sintesi proveniente dalla gassificazione di combustibili consentiti, limitatamente allo stesso comprensorio industriale nel quale tale gas e' prodotto.

DPCM 08 marzo 2002

BiomasseBiomasse combustibilicombustibili1. Materiale vegetale prodotto da coltivazioni dedicateda coltivazioni dedicate;2. Materiale vegetate prodotto da trattamento esclusivamente da trattamento esclusivamente

meccanico di coltivazioni agricole non dedicatemeccanico di coltivazioni agricole non dedicate;3. Materiale vegetale prodotto da interventi da interventi selvicolturaliselvicolturali da da

manutenzioni forestali e da potaturamanutenzioni forestali e da potatura;4. Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione dalla lavorazione

esclusivamente meccanica di legno vergineesclusivamente meccanica di legno vergine e costituito da cortecce segatura, trucioli, chips, reflui, e tondelli di legno vergine, granulati e cascami di legno vergine, granulati, e cascami di sugherosughero vergine, tondelli, non contaminati da inquinanti, aventi le caratteristiche previste per la commercializzazione e l’impiego:

5. Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione dalla lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoliesclusivamente meccanica di prodotti agricoli, avente le caratteristiche previsti per la commercializzazione e l'impiego.

Classificazione biomassa e biocombustibili

Cippato

Pellet

Biomassa BiocombustibileProvenienza Tipo e proprietà fisiche e chimiche

processoBIOMASSA

1.1 prodotti e residui agroforestali

1.2.1 non trattati1.2.2 trattati

1.2 scarti industria legno

1.3.1 non trattato1.3.2 trattato1.3.3 scarti di sughero1.3.4 altre tipologie1.3.5 miscele

1.3 legno usato

sopravvaglio compostaggio

1.4 altra biomassa legnosa

1.5 miscele

LEGNOSA ERBACEA ALTRA

Briquettes

Classificazione biomassa e biocombustibili

Biomassa BiocombustibileProvenienza Tipo e proprietà fisiche e chimiche

processo

PROPRIETA’ PER CARATTERIZZARE BIOCOMBUSTIBILIFISICHE E MECCANICHE

• potere calorifico• massa volumica• umidità• sostanze volatili• ceneri• comportamento termico

ceneri• dimensioni/pezzatura• presenza impurità• flowability

CHIMICHE• C, H, N, O, S, Cl• Al. Si, Na, K, Ca, Mg, Fe, P,

Ti• As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu,

Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Se, Te, V, Zn

BioBio Combustibile solidoCombustibile solido•• BiomassaBiomassa

– Legno (tronchetti, pellets, segatura, chips,– Residui e prodotti agricoli (paglia, semi,

erba, ecc.– Residui agroalimentari (sanse di olive, lolla

•• Torba (?)Torba (?)•• Rifiuti (?) per parte rinnovabileRifiuti (?) per parte rinnovabile

– MSW, RDF / CDR

BioBio Combustibili LiquidiCombustibili Liquidi• Oli di semi•• BiodieselBiodiesel

– Olio di semi esterificato •• Condensati da trattamento termico di Condensati da trattamento termico di

biomassebiomasse solidesolide

BioBio Combustibili gassosiCombustibili gassosi• BIOGAS

– Discarica– Allevamenti intesivi di animali trattamento

deiezioni• Da trattemento termico di biomasse

solide– Gas povero– Gas d’aria – Gas d’acqua

Caratteristiche tecniche deiCaratteristiche tecniche deibiobio--combustibilicombustibili

• Analisi chimica (%peso)– C, H, O, N, Cl, S, umidità, cenere

• Analisi qualitativa (%peso)– Umidità, cenere

• Potere calorifico superiore / inferiore• Densità (kg/m3)• Densità energetica (J/m3)

• Ceneri: composizione e comportamento• Rapporto carbone Volatile/fisso• Rapporto atomico H/C• Rapporto atomico O/C

Caratteristiche del combustibileCaratteristiche del combustibile

• Composizione media del legnoC = 49 % in peso sul secco, senza cenere

H = 8 % in peso sul secco, senza cenere

O = 43 % in peso sul secco, senza cenere

cenere = 2 % in peso sul secco

umidità = 20 % in peso sul tal quale

legnomoli moli comb. stech. kg moli comb. stech.

tal quale umidità %peso 20,00 ARIA kg/kg moli/moli FUMI kg/kg moli/moli kg/kg moli/moliceneri %peso 0,40 umidi secchiC %peso 40,60 C 3,38 3,38 148,73 CO2 19,21 N %peso 0,80 N2 0,03 14,17 396,80 14,20 397,60 N2S %peso 0,40 S 0,01 0,01 0,79 SO2H %peso 5,57 H2 2,76 3,88 69,75 H2OO %peso 32,24 O2 1,01 3,77 120,55 - - O2

100,00 7,19 17,94 517,35 5,17 2,49 21,47 616,87 6,17 2,98 5,47 2,45

secco ceneri %peso 0,50 moli moli comb. stech. kgC %peso 50,75 C 4,23 4,23 185,91 CO2 19,21N %peso 1,00 N2 0,04 17,71 496,00 17,75 497,00 N2S %peso 0,50 S 0,02 0,02 0,99 SO2H %peso 6,97 H2 3,45 3,45 62,19 H2OO %peso 40,30 O2 1,26 4,71 150,68 - - O2

100,00 8,99 22,42 646,69 6,47 2,49 25,45 746,09 7,46 2,83 6,84 2,45

senza C %peso 51,00 C 4,25 4,25 186,84 CO2 19,21cenere N %peso 1,00 N2 0,04 17,80 498,49 17,84 499,49 N2

S %peso 0,50 S 0,02 0,02 1,00 SO2H %peso 7,00 H2 3,47 3,47 62,50 H2OO %peso 40,50 O2 1,27 4,73 151,44 - - O2

100,00 9,04 22,54 649,94 6,50 2,49 25,57 749,84 7,50 2,83 6,87 2,45

POTERE CALORIFICOSUPERIORE MJ/kg 20,24 kcal/kg 4.831 senzaINFERIORE MJ/kg 20,02 kcal/kg 4.780 cenereSUPERIORE MJ/kg 20,14 kcal/kg 4.807 seccoINFERIORE MJ/kg 19,92 kcal/kg 4.756 SUPERIORE MJ/kg 16,11 kcal/kg 3.846 tal qualeINFERIORE MJ/kg 15,46 kcal/kg 3.690

Caratteristiche del combustibileCaratteristiche del combustibile

Potere calorifico superiore / inferiore• Calcolo su base analisi elementare

(Dulong, Chang, Boie, Vondracek)

HHV = 32,804*Corg + 2,421*N2 + 9,266*S + 150,519*(H2-O2/8) + 4,972*O2 – 14,8528*Cinorg

[kJ/kg] % in peso su base secca

• Prova su campione (Bomba calorimetrica di Mahler)

Determinazione sperimentale del potere calorifico

Triturazione del campione

Preparazione del campione

Bomba calorimetrica di

Mahler

Potere calorifico superiore= vapore d’acqua condensato

BioBio -- combustibile tal qualecombustibile tal qualeACQUA ACQUA –– UMIDITA’ (non partecipa)UMIDITA’ (non partecipa)

CENERE = inerte che non serve alla CENERE = inerte che non serve alla combustione combustione

PARTE SECCA e senza cenerePARTE SECCA e senza cenere(C,H,N, ecc.) (C,H,N, ecc.)

Produce le reazioni chimiche globalmente esotermiche che generano il calore misurato nella bomba di Mahler, ritornando alle stesse condizioni iniziali di partenza (circa)

Potere calorifico inferiore= vapore d’acqua non condensato

condizioni operative reali con fumi superiori alla temperatura di condensazione = non si recupera il calore latente

BioBio -- combustibile tal qualecombustibile tal qualeACQUA ACQUA –– UMIDITA’ (sottrae calore di UMIDITA’ (sottrae calore di vaporizzazione)vaporizzazione)CENERE = inerte e non intervieneCENERE = inerte e non interviene

PARTE SECCA e senza cenerePARTE SECCA e senza cenere(C,H,N, ecc.) (C,H,N, ecc.)

Produce le reazioni chimiche globalmente esotermiche che generano il calore misurato nella bomba di Mahler, con produzione di acqua con l’ossidazione dell’Idrogeno

Potere calorifico superiore -calore di vaporizzazione acqua (umidità + acqua da ossidazione H2)

Potere calorifico inferiorecalcoli

Sul seccoSul seccoPCI (MJ/kg PCI (MJ/kg ssss) = PCS ) = PCS ssss -- 2,25 MJ/kg * 2,25 MJ/kg * kgkg H2O prodotti H2O prodotti da Hda H22= PCS = PCS ssss –– 2,25 MJ/kg *H%ss*9/1002,25 MJ/kg *H%ss*9/100

PCI ss = 20 – 2,25*8*18/2/100 = 18.38

Sul tal qualeSul tal qualePCI (MJ/kg tq) = PCI ss * (1 PCI (MJ/kg tq) = PCI ss * (1 -- % H2O tq /% H2O tq /100100 ) - 2,25 2,25 MJ/kg * % H2Otq /100MJ/kg * % H2Otq /100

PCI ss = 18.38*(1-0,20)-2.25*0,20 =14,25

Fattori di correzioneFattori di correzionesecco senza cenere * (100-%cenere ss)/100

= sul secco

sul secco * (100 - %umidità tal quale)/100= tal quale

PCI (MJ/kg stq) = PCI corretto sulla massa -2,25 MJ/kg * %umidità/100

Calcolo del PCI per varie Calcolo del PCI per varie condizioni di umiditàcondizioni di umidità

0

5

10

15

20

25

0 50 100 150 200

contenuto di umidità sul secco (percento)

pote

re c

alor

ifico

infe

rior

e (M

J/kg

) potere calorifico superiore sul secco 20 MJ/kg

Combustione del legnoVariabili in funzione della densità

05

1015

2025

3035

0 200 400 600 800 1000 1200

densità kg/m 3

tend

enza

tempo ingnizione velocità di combustione in massavelocità di combustione in volume Espo. (tempo ingnizione)Lineare (velocità di combustione in massa) Espo. (velocità di combustione in volume)

Densità

Densità kg/mDensità kg/m33

Es. Legno in tronchetti 250 kg/m3

Legno cippato 150 kg/m3

Segatura 100 kg/m3

Densità energetica MJ/mDensità energetica MJ/m33

Es. rotoballa paglia 500 kg – volume 2,5 m3 – PCI = 12 MJ/kg Contenuto energetico 12 * 500 = 6.000 MJDensità energetica = 12 * 500 / 2,5 = 2.400 MJ/m3

Gasolio fusto 160 kg – volume 0,2 m3 – PCI = 42 MJ/kgContenuto energetico 42 * 160 = 6.700 MJDensità energetica = 42 * 160 / 0,2 = 33.600 MJ/m3