La produzione di energia da biomasseBilancio energetico di un impianto a combustione

Costante M. Invernizzicostante.invernizzi@unibs.it

San Paolo (BS), 29 maggio 2010

Outline

1 La biomassa

2 La utilizzazione energetica della biomassa

3 Gli apparati degli impianti a combustione

4 Alcuni esempi

La biomassaDefinizione

E’ considerata biomassa:tutta la materia organica risultante da organismi viventi.Escludendo pero

• i combustibili fossili.

• le sostanze volatili accumulatein atmosfera (metano,idrocarburi vari) in seguito alladegradazione di sostanzeorganiche.

La biomassaCaratteristiche

• biomassa: PCIssv ≈20MJ/kg

• carbone: PCI ≈30MJ/kg

———ssv = sostanza secca volatile

Un primo fondamentale parametro e

⇒ l’umidita

Di solito un contenuto d’acqua del≈ 50% corrisponde al limite di uti-lizzabilita per combustione. Pero epossibile oltrepassare il limite medi-ante particolari accorgimenti. Peresempio:

• essicazione

Il contenuto energetico della biomas-sa dipende anche

⇒ dalla specie del legno utilizzato

La biomassaCaratteristiche

CONTENUTO ENERGETICO DEL LEGNO (DI BETULLA) ADIVERSI VALORI DI UMIDITA’

Umidita (%) Potere Calorifico (MJ/kg)

10 18.46 1.0030 16.13 0.8750 9.14 0.5070 4.48 0.2480 2.15 0.12

La biomassaUtilizzazione energetica, I

UTILIZZAZIONE ENERGETICA:trasformazione del contenuto ener-getico (di natura chimica: il poterecalorifico) della biomassa in unaforma di energia utilizzabile.

• energia termica (riscaldamento)

• energia elettrica (vettoreenergetico molto efficiente)

• in un combustibile: solido(carbone vegetale), gassoso(syngas), liquido

biomassa+carbone: StudstrupPower Station (DK)

Motrice con gassogeno (anni1930-1945)

La biomassaUtilizzazione energetica, II

I PROCESSI DI CONVERSIONE

Termochimici

• combustione

• gassificazione

• pirolisi

Biologici

• digestione anaerobica

• fermentazione

Chimici: trasformazione in com-bustibili

La combustione delle biomasseGli apparati

IL SISTEMA DI COMBUSTIONE

1 sistemi con alimentazionedal basso

2 sistemi con griglia, fissa o,preferibilmente, mobile

3 sistemi con trasportopneumatico concombustione rapida insospensione aerea di uncombustibile pulverulento(p.e. segatura di legno)

4 sistemi a letto fluido(bollente o trascinato)

La combustione delle biomasseIl combustibile

Le caldaie a biomassa di dimensioni me-die e grandi (≥ 1 MW) utilizzano com-bustibile legnoso a ridotta granulometria:

• si evita l’utilizzo di idrocarburi insupporto

• miglior combustione (minoriemissioni nocive)

• si possono utilizzare sistemi dicaricamento automatici

Il cippato e un prodot-to legnoso formato dascaglie (dimensione 5-50mm) prodotte per taglio

La combustione delle biomasseGli apparati, I

DAI PRODOTTI DELLA COMBUSTIONE ALLA ENERGIAELETTRICA

L’energia termica prodotta dalla combustione si ritrova nel gas adalta temperatura risultante dalla combustione stessa (salvo per lafrazione scambiata direttamente per irraggiamento). La produzionedi energia elettrica richiede che l’energia termica sia ceduta ad unopportuno fluido che percorra un ciclo termodinamico in grado diprodurre potenza

La combustione delle biomasseGli apparati, II

IL CICLO TERMODINAMICO

Il motore che effettua la trasformazione termodinamica dellaenergia termica proveniente dalla combustione della biomassa inenergia utile (elettrica) tipicamente e un motore che utilizza unvapore ed e costituito da alcuni componenti (indispensabili)

• espansore

• alternatore

• condensatore

• pompe (estrazione del condensato e alimento della caldaia)

La combustione delle biomasseGli apparati, III

IL SISTEMA DI CONVERSIONE

Del calore deve essere scaricato in ambiente (non si puo convertireinteramente il potenziale energetico del combustibile in lavoroutile). Il calore di “scarto“ puo in parte essere utilizzato, peresempio, per teleriscaldamento.

La combustione delle biomasseGli apparati, IV

LA PRODUZIONE DI POTENZA

La soluzione tradizionale e la cessionediretta ad un flusso di acqua evap-orante in una caldaia a vapore. Ilvapore realizza il ciclo Rankine.

• evaporazione a 30-80 bar (perpotenze fra 5 e 50 MW)

con

• riscaldamento diretto del fluidodi lavoro da parte dei gas caldo

oppure

in alternativa,

• adozione di un circuitointermedio

percorso da un fluido op-portuno per il trasporto delcalore.

La combustione delle biomasseGli apparati, V

LA PRODUZIONE DI POTENZA

(a) schema semplficato di unimpianto a ciclo Rankine avapore d’acqua

(b) schema di un impianto a cicloRankine con fluido di scambiotermico intermedio

Per le potenze modeste (inferiori a 1-2 MW si preferisce utilizzare qualefluido di lavoro, in luogo del vapord’acqua, un fluido organico (ORC -Organic Rankine Cycle).

La combustione delle biomasseGli apparati, VI

L’ESPANSIONE DEL VAPORE (ad altapressione e temperatura) avviene

• in turbine

• in macchine volumetriche

Durante l’espansione l’en-ergia termica (di pressionee temperatura) si trasfor-ma in energia meccani-ca e poi, per mezzo diun alternatore, in energiaelettrica.

La combustione della biomassaI consumi

Con riferimento al caso (*)Per ogni kWh elettricogenerato

• 4.67 (= 0.7/0.15)kWh termicirecuperati

• 6.67 (= 1/0.15) kWhtermici forniti dalcombustibile

⇒ 1.33 kg di biomassa(= 6.67/5)

(potere calorifico: 18MJ/kg = 5 kWh/kg)

Alcuni impianti realizzatiImpianto CHP a Lienz (A), I

L’impianto e operativo dal 2001

• 60000 MWh/a di energiatermica dalla combustione dibiomassa

• 250 MWh/a di energiatermica dalla energia solare

• 7200 MWh/a di energiaelettrica dalla biomassa

• una caldaia a biomassa da7000 kW (acqua calda)

• una caldaia a biomassa da6000 kW (olio diatermico)per

• ciclo termodinamico ORC da1000 kW elettrici

Alcuni impianti realizzatiImpianto CHP a Lienz (A), II

Alcuni impianti realizzatiImpianto CHP a Tirano (I), I

Schema semplificato della caldaia a

biomassa e del motore ORC

L’impianto CHP e operativo dal2003

• 2 x 6 MW caldaie abiomassa (acqua calda)

• una caldaia a biomassa da 8MW (olio)

• potenza termica nominaleolio per ORC: 6.2 MW

• potenza elettrica nominaleORC: 1.1 MW (η = 18%)

Alcuni impianti realizzatiImpianto CHP a Tirano (I), I

Analisi di Secondo Principio peril motore ORC a Tirano

A perdita ineludibile percombustione (≈50%)(1000-60 ◦C)

B perdita dovuta alla bassatemperatura dell’olio(250-300 ◦C) (≈24%)

C, D lavoro (exergia) perso sullemacchine (turbina e pompa:≈4%) (scambiatori dicalore: ≈9%)

E exergia (lavoro) utile. Conriferimento alla capacitainiziale del combustibile diprodurre lavoro in modoideale: 15%

L’uso della biomassa per la produzione di energiaOsservazioni conclusive, I

L’uso della biomassa per la produzione di energia ben si presta allarealizzazione di piccole centrali CHP distribuite. Quanto meno:

• si riducono i costi di trasporto del combustibile

• si fornisce energia elettrica e calore dove servono

• si valorizza il ruolo delle aziende agricole locali

Le tecnologie disponibili:

• combustione motore o turbina a vapore, turbina con fluidoorganico, motore Stirling

• produzione di combustibili liquidi o gassosi motori acombustione interna, anche le celle combustibili(potenzialmente, in futuro)

L’uso della biomassa per la produzione di energiaOsservazioni conclusive, II

Esiste una notevole attenzione degli organi europei alla diffusionedell’uso delle energie rinnovabili nella produzione di energia.Sull’uso della biomassa, in particolare.

1 REPORT FROM THE COMMISSION TO THE COUNCILAND THE EUROPEAN PARLIAMENT on sustainabilityrequirements for the use of solid and gaseous biomass sourcesin electricity, heating and cooling, 2010

2 DIRETTIVA 2009/28/CE DEL PARLAMENTO EUROPEO EDEL CONSIGLIO del 23 aprile 2009 sulla promozione dell’usodell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successivaabrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE

L’uso della biomassa per la produzione di energiaOsservazioni conclusive, III

Il governo italiano favorisce la realizzazione di impianti per laproduzione della energia da fonti rinnovabili.

• Bando per l’erogazione del contributo finalizzato allarealizzazione di impianti connessi alla produzione di energia dabiomasse pubblicato in data 16 febbraio 2010,

L’energia elettrica prodotta viene incentivata

1 con il rilascio dei certificati verdi, oppure

2 con una tariffa agevolata onnicomprensiva

http://www.gse.it/attivita/IncentivazioniFontiRinnovabili/Pagine/default.aspx

M. GaiaProcessi e tecnologie per la produzione di energia da biomasse.Tecnologie e prospettive della produzione di energia da biomasse. Corso diAggiornamento, Politecnico di Milano, 20-22 novembre 2006.

L. PanozzoLe moderne tecnologie di produzione e distribuzione di energia termica edelettrica negli impianti alimentati a biomassa.Presentazione ad un convegno, Marcena di Rumo, Venerdı 11 marzo 2005.

G. CornettiMacchine termicheEdizioni il Capitello, Torino, 1991.

I. Obernberger, P. Thonhofer, E. ReisenhoferDescription and evaluation of the new 1000 kWel Organic Rankine Cycleprocess integrated in the biomass CHP plant in Lienz, AustriaEuroheat and Power, Volume 10, 2002.

R. Bini, A. Duvia, A. Schwarz, M. Gaia, P. Bertuzzi, W. RighiniOperational results of the first biomass CHP plant in Italy based on anOrganic Rankine Cycle turbogenerator and overview of a number of plantsin operation in Europe since 1998from: http://www.turboden.com