Modulo 1.1 Biomasse...7 Classificazione delle biomasse Ad esempio, la definizione di...

Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale

Modulo 1.1 Biomasse

Sezione 1.1 Classificazione e caratterizzazione delle biomasse

ai fini dell’utilizzo a scopo energetico

Prof. Ing. Cesare Saccani

Prof. Ing. Augusto Bianchini

Dott. Ing. Marco Pellegrini

Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna

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Classificazione delle biomasse

Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse

Impiantistica per la valorizzazione energetica delle

biomasse

Agenda

Le biomasse in Italia

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Le fonti energetiche rinnovabili sono risorse energetiche che hanno la capacità

di rinnovarsi in un tempo minore o uguale a quello in cui vengono consumate;

al contrario le fonti non rinnovabili, dette anche esauribili, sono quelle il cui

utilizzo ed impiego è limitato nel tempo a causa della loro irriproducibilità, o

comunque al loro lentissimo rinnovamento (ad esempio, combustibili di origine

fossile).

Si considerano fonti energetiche rinnovabili:

- l'irraggiamento solare;

- il vento;

- le biomasse;

- la geotermia;

- le maree e le correnti marine in genere;

- le precipitazioni utilizzabili tramite il dislivello di acque.

È utile sottolineare come le più importanti forme di energia rinnovabile presenti

sul nostro pianeta (ad eccezione di energia geotermica e delle maree) abbiano in

realtà origine dall'irraggiamento solare.

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Rispetto alle altre fonti di energia che derivano dal solare, la biomassa presenta

il grande vantaggio di immagazzinare l’energia proveniente dal Sole, per mezzo

della fotosintesi clorofilliana, sotto forma di energia chimica, che può essere

rilasciata in un secondo momento.

Al contrario, invece, la conversione di energia proveniente direttamente dal Sole

(fotovoltaico, solare termico) o dal vento (eolico) presenta le caratteristiche

sfavorevoli di imprevedibilità e discontinuità.

Come detto, quindi, la biomassa può essere considerata una risorsa

rinnovabile, a patto che il ritmo di impiego della stessa non superi la capacità di

rigenerazione delle formazioni vegetali. Occorre perciò valutarne con attenzione

il ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA).

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Il LCA analizza dal punto di vista economico ed ambientale della filiera di

produzione, trattamento e valorizzazione della biomassa per determinarne

l’impatto reale dal punto di vista, in particolare, delle emissioni di gas serra

(misurate in termini di CO2 equivalente).

La biomassa può essere considerata una fonte energetica neutrale ai fini

dell’incremento delle emissioni di gas a effetto serra se durante il processo di

generazione la biomassa contribuisce alla sottrazione dell’anidride carbonica

atmosferica, compensando o superando l’anidride carbonica prodotta a seguito

della valorizzazione energetica della biomassa stessa.

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Come definire le biomasse?

Attualmente esistono in Italia molteplici definizioni di biomassa a livello

legislativo. Manca, pertanto, una definizione univoca di biomassa.

La normativa nazionale definisce la biomassa in maniera differente a seconda

dell’ambito specifico di applicazione della singola norma.

Ad esempio, differenze sostanziali si possono rilevare a seconda che si abbia a

che fare con una richiesta di autorizzazione per un impianto per la produzione di

energia elettrica alimentato a biomassa, oppure con una richiesta di

autorizzazione alle emissioni (per produzione di energia elettrica, termica o di

entrambe), piuttosto che nella gestione (movimentazione, riciclo, valorizzazione

energetica) di biomassa intesa come rifiuto o sottoprodotto.

7


Ad esempio, la definizione di “biomassa” contenuta nella direttiva comunitaria

2001/77/CE (recepita da D.Lgs. 387 del 29 Dicembre 2003) in materia di

produzione di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili è la seguente:

“la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui

provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze

vegetali ed animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie

connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti

industriali ed urbani”.

In questa definizione rientrano una enorme quantità di materiali, molto differenti

tra loro, ma tutti aventi in comune una matrice di origine organica.

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Legno Sorgo Sansa

Girasole Reflui zootecnici Rifiuti

9


Come classificare le biomasse?

BIOMASSA VEGETALE vs. BIOMASSA ANIMALE

BIOMASSA RESIDUALE vs. BIOMASSA DEDICATA

BIOMASSA SOLIDA vs. BIOMASSA LIQUIDA vs. BIOMASSA GASSOSA

ORIGINE DELLA BIOMASSA: comparto forestale o agroforestale; comparto

agricolo; comparto zootecnico; comparto industriale; rifiuti urbani.

MATRICE ORGANICA PREPONDERANTE: matrice lignocellulosica; matrice

amidacea-zuccherina o alcooligena; matrice oleaginosa; matrice zootecnica.

Differenzia la biomassa proveniente da

attività finalizzate ad altro scopo

(biomassa residuale) dalla biomassa

prodotta esclusivamente a fini

energetici (biomassa dedicata).

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Attenzione: esiste una correlazione tra tipologia di biomassa e modalità di

valorizzazione energetica della stessa.

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biomasse

Agenda


12


Le caratteristiche fisiche rilevanti ai fini della valutazione di una biomassa come

combustibile sono le seguenti:

- Potere calorifico inferiore (PCI): esprime la quantità di calore che si sviluppa

con la combustione completa di 1 kg di biomassa, considerando l’acqua allo

stato di vapore a 100 °C, ossia considerando la sola quota parte di calore

effettivamente utilizzabile. Il PCI si misura in kJ/kg, kcal/kg o kWh/kg.

- Umidità (U): esprime la quantità di acqua contenuta in un kg di biomassa

umida.

- Densità (ρ): è il rapporto tra massa della biomassa (umida) e volume occupato.

Si misura in kg/m3.

- Rapporto C/N: è il rapporto ponderale tra Carbonio ed Azoto presente nella

biomassa. E’ un parametro fondamentale nella valutazione dei processi di

valorizzazione biochimica della biomassa.

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Le caratteristiche fisiche rilevanti ai fini della valutazione di una biomassa come

combustibile sono le seguenti:

- Produzione media: rappresenta la quantità di biomassa prodotta da un ettaro

di terreno. Si misura in ton/ha oppure in GJ/ha;

- Composizione chimica: la composizione influisce sui rendimenti di

combustione e sulle emissioni in atmosfera derivanti da processi di

combustione.

- Aria teorica di combustione: definisce la quantità di aria contenente

esattamente tanto ossigeno quanto necessario per bruciare in maniera

completa una quantità stabilita di combustibile. Si misura in kg di aria per kg di

combustibile. E’ anche detta stechiometrica.

- Eccesso d’aria: percentuale di aria alimentata in eccesso rispetto alla quantità

teorica o stechiometrica.

Umidità (%)

PC

I (M

J/k

g)

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Vale la seguente relazione tra PCI e U:

Inoltre, all’aumentare dell’umidità cala bruscamente il rendimento di

combustione. La concentrazione limite di acqua che consente l’utilizzo di

biomassa come combustibile si attesta attorno a valori di umidità del 60%.

D’altro canto, evidenze sperimentali dimostrano come un minimo contenuto di

acqua (attorno al 5% di umidità) rappresenti la condizione migliore dal punto di

vista del rendimento di combustione.

PCI = (1-U)*PCIsecco + U*0

↓PCI = (1-U)*PCIsecco

PCIsecco

il PCI dell’acqua è zero!

Aria teorica di combustione

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Parametro Pino Erba fienarola Stallatico secco Carbone

Umidità (U) 15% 15% 15% 0,8%

Potere calorifico superiore [MJ/kg] 18 16 11 30

Aria teorica di combustione [kga/kgc] 5,4 5,5 4,0 10,0

Parametro Benzina Diesel Olio vegetale Alcool etilico Gas naturale

Potere calorifico superiore

[MJ/kg]

47,2 45,7 41,2 29,7 53,6

Aria teorica di combustione

kga/kgc]

14,8 14,3 12,7 9,0 17.2

Eccesso d’aria

Dipende dalle condizioni di funzionamento ed influenza grandemente il

rendimento di combustione e livello e tipologia di emissioni al camino.

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Biomasse di origine forestale o agroforestale

Relativamente alle principali caratteristiche analitiche che qualificano la

biomassa forestale e agroforestale a fini energetici, assume rilievo la

composizione chimica del legno. I principali polimeri costituenti la biomassa

legnosa sono:

- la lignina, che conferisce rigidità alla pianta, è presente in percentuali che

variano dal 20% al 30% del peso secco e ha un alto potere calorifico (circa

25.000 kJ/kg);

- la cellulosa, il principale componente del legno (costituisce circa il 50% del

peso secco), ha anch’essa un potere calorifico elevato (pari a circa 16.300

kJ/kg);

- l’emicellulosa, presente nella parete cellulare delle piante negli spazi lasciati

liberi dalla cellulosa, costituisce dal 10 al 30% del legno e ha un potere calorifico

più modesto.


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Biomasse di origine forestale o agroforestale


Composizione

Cellulosa 50% della ss

Emicellulosa 10-30% della ss

Lignina 20-30% della ss

Caratteristiche fisiche ed energetiche

Umidità 25-60% sul tal quale

Densità di massa [kg/m3] 800-1.200

PCI 15.000-16.000 kJ/kg (3.600-3.800 kcal/kg)

Ss = sostanza secca

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Biomasse di origine agricola


PCI

(kJ/kg ss)

17.200-17.600

17.200-17.600

13.800-14.200

15.500-15.900

16.700-18.000

16.700-18.000

18.000-18.400

18.400-18.800

18.000-18.400

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Biomasse di origine forestale o agroforestale: composizione di alcune biomasse

(percentuale in peso, Demirbas-1997)

Biomassa Cellulosa Emicellulosa Lignina

Gusci di Nocciola (hazelnut shells) 30.4 26.8 42.9

Paglia (straw) 39.4 28.8 18.6

Residui oliva (olive residues) 23.6 24 48.4

Legno di Betulla (birch wood) 31.2 45.3 21.9

Legno di Abete (fir wood) 20.7 49.8 27

Tutulo (corn cobs) 31 50.5 15

Scarti del Tè (tea waste) 19.9 30.2 40

Gusci di Noce (walnut shells) 22.7 25.6 52.3

Gusci di Mandorla (almond shells) 28.9 50.7 20.4

Girasoli (sunflowers) 34.6 48.4 17


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Biomasse di origine forestale o agroforestale. Contenuto di ceneri, volatili,

umidità e potere calorifico inferiore (Hi). (Demirbas-2004; 2005)

.


Composizione (% peso secco)

di alcune biomasse.

L'umidità è in % del peso totale,

mentre il potere calorifico (Hi) è

in MJ/kg.

22

Le colture energetiche


23

Biomasse di origine agricola

Il Palm Kernel Shell (PKS) è una biomassa solida con basse ceneri e basso

contenuto di zolfo che residua durante il processo di produzione di olio grezzo

di palma. La polpa del frutto viene fusa tramite un trattamento di cottura a

vapore, mentre i gusci residui sono ulteriormente processati meccanicamente

per estrarre i semi o noccioli (kernel). Indonesia e Malesia sono le aree in cui si

concentra più dell’80% della produzione mondiale di olio grezzo di palma. Il

resto della produzione si divide tra Africa e Sud America.


Caratteristica Valore (*)

Umidità (% in peso) 9

Contenuto di ceneri (% in peso) 4

Densità in mucchio [kg/m3] 500

Potere calorifico inferiore [MJ/kg] 18,7

(* Fonte: A review on biomass as a fuel for boilers, 2011)

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Le colture energetiche


Produzione di

sostanza fresca

[t/ha anno]

Umidità media

alla raccolta

[%]

Produzione di

sostanza secca

[t/ha anno]

PCI

(kJ/kg ss)

PCI

(kcal/kg ss)

PCI

[GJ/ha anno]

Sorgo da fibra 50-100 25-40 20-30 16.700-17.000 4.000-4.050 334-510

Kenaf 70-100 25-35 10-20 15.500-16.300 3.700-3.900 155-326

Miscanto 40-70 35-45 15-30 17.600-17.800 4.200-4.250 264-534

Canna comune 45-110 35-40 15-35 16.500-17.400 3.950-4.150 248-609

Panico 25-60 35-45 10-25 17.200-17.600 4.100-4.200 172-440

Pioppo 20-30 50 10-15 17.200-17.600 4.100-4.200 172-264

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Caratteristiche Palma Girasole Soia Colza

Massa volumica [kg/m3] 889 (a 15 °C) 914 (a 15°C) 916 (a 20°C) 916 (a 20°C)

Numero di cetano (*) 38 / 42 37 36 / 39 32 / 37,6

Potere calorifico superiore [MJ/kg] 39,2 39,6 39,6 39,7

Potere calorifico inferiore [MJ/kg] 36,5 37,7 36,8 37,4

Viscosità a 20°C [mm2] - - - 77,8

Viscosità a 38°C [mm2] - 37,1 32,6 37

Viscosità a 100°C [mm2] 8,3 - - -

Punto di intorbidamento [°C] (**) - 7,2 -3,9 -3,9

Punto di scorrimento [°C] (***) - -15 -12,2 -31,7

Punto di infiammabilità [°C] - 274 254 246

Punto di fusione [°C] 23 / 27 -18 -12 / -19 0 / - 2

Resa per ettaro [t(olio)/ha] 4 0,8 0,375 1

Resa per ettaro [litri(olio)/ha] 4500 952 446 1190

Caratteristiche medie dei principali oli vegetali

Resa per ettaro [GJ/ha] 146 30 14 45

(*) Il numero di cetano è un indicatore che rappresenta il comportamento del combustibile nella fase di accensione del

motore a combustione interna. Per il funzionamento di un combustibile all’interno di un motore si deve avere un numero

di cetano compreso fra 30 e 35.

(**) temperatura al di sotto della quale iniziano a formarsi cristalli di cera (cloud point).

(***) temperatura al di sotto della quale l’olio diviene semisolido (pour point).

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Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): la volatilità


OLIO DI SOIA

OLIO DI PALMA

OLIO DI COLZA

OLIO DI SEMI DI GIRASOLE

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Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): la volatilità


* CIF: Cost, Insurance & Freight

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Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): il legame con il petrolio


OLIO DI SOIA

OLIO DI

PALMA

OLIO DI

COLZA

OLIO DI SEMI

DI GIRASOLE

BARILE DI PETROLIO

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Data la eterogeneità chimico-fisica delle biomasse riconducibili ad una

medesima categoria, al fine di uniformare le caratteristiche dei combustibili

impiegati nei processi di valorizzazione energetica sono state redatte nel tempo

normative tecniche che individuano le specifiche minime cui devono

corrispondere le biomasse per poter essere classificate come conformi a

determinate categorie di prodotto. Un esempio di questo processo di

standardizzazione è il pellet.

La normativa tecnica di riferimento:

Biocombustibili solidi: UNI EN 14961-1:2010

Biocombustibili liquidi (non per autotrazione): UNI TS 11163:2009

UNI EN 14213:2004

Biocombustibili liquidi e gassosi (per autotrazione): UNI EN 14214:2010

Direttiva 98/70/CE

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La normativa relativa alla classificazione dei combustibili solidi provenienti da

biomassa (UNI EN 14961:2010) definisce alcune categorie di prodotti, cui

corrispondono determinate caratteristiche fisiche e chimiche.

- Briquette;

- Pellet;

- Sansa esausta di olive;

- Chips di legno;

- Scaglie di legno;

- Legno in tronchi;

- Segatura;

- Corteccia;

- Paglia in balle.


Briquette Cippato Pellet

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Nel dettaglio, la normativa tecnica definisce le caratteristiche chimico-fisiche del

combustibile ed i metodi di analisi per identificarle:

- terminologia, definizioni e descrizioni;

- specifiche e classi del combustibile – garanzia della qualità;

- campionamento, metodi e preparazione del campione, certificazione;

- densità della massa;

- sostanza volatile;

- ceneri e comportamento della fusione;

- distribuzione delle dimensioni delle particelle;

- densità;

- durabilità meccanica;

- potere calorifico e contenuto di umidità;

- ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto;

- zolfo e cloro;

- elementi principali (Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P and Ti);

- elementi secondari (As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Se,Te, Zn).


32

Estratto dalla

UNI EN 14961-

1:2010

Tipologia


33

Estratto dalla

UNI EN 14961-

1:2010

Formato


34

Estratto dalla UNI EN 14961-1:2010

Standard del formato


(in questo caso pellet)

35

Estratto dalla UNI EN 14961-1:2010

Standard del formato

Mechanical durability, DU (w-% of pellets after testing) EN 15210-1

N.B. La “durability” è un parametro

utilizzato per quantificare la capacità del

pellet di rimanere intatto quando

movimentato. Viene misurato come

percentuale di materiale residuo integro

dopo essere stato agitato in maniera

meccanica o pneumatica (EN 15210-1).


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Caratteristiche principali di pellet, briquette e cippato

Le caratteristiche principali, ovvero potere calorifico inferiore (PCI), percentuale

di ceneri e umidità in massa, densità in mucchio (bulk density), dei

biocombustibili prodotti in formati normalizzati (EN 14961) sono riportati in

tabella:

La classe A1 rappresenta combustibili con basso contenuto di inerti (quali

ceneri, azoto, cloro, …) mentre la classe A2 include materiali a più alto

contenuto di inerti.


Biomassa PCI [MJ/kg] % ceneri in massa % umidità in massa Bulk density [kg/m3]

Pellet 16,5-19 (classe A1),

16,3-19 (classe A2)

≤ 0,7 (classe A1),

≤ 1,5 (classe A2)

≤ 10 (classe A1 e A2) ≥ 600

Cippato ≥ 13,0 (classe A1)

≥ 11,0 (classe A2)

≤ 1,0 (classe A1)

≤ 1,5 (classe A2)

≤ 25 (classe A1)

≤ 35 (classe A2)

≤ 200 (conifere, A1)

≤ 220 (conifere, A2)

≤ 280 (latifoglie, A1)

≤ 320 (latifoglie, A2)

Briquettes ≥ 15,5 (classe A1),

≥ 15,3 (classe A2)

≤ 0,7 (classe A1),

≤ 1,5 (classe A2)

≤ 12 (classe A1),

≤ 15 (classe A2)

n.d.

37




biomasse

Agenda


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Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:

- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);

- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);

- Rifiuti zootecnici;

- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.

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- Residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse);


Faggio Abete Rosso Pino silvestre Quercia

40







VinaccePanetti di sansa

41







Pioppo SRF (Short Rotation Forestry)

SRF: coltivazione ad elevata densità di specie arboree caratterizzate da

rapidità di crescita destinate prevalentemente alla trasformazione

energetica

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Panico Cardo Sorgo da fibra Canna comune Miscanto

43


Stima delle superfici agricole utilizzate in Italia per la produzione di colture

energetiche (2011, fonte: Itabia).

L’impatto delle colture dedicate a scopo energetico sul consumo di superficie

coltivabile in Italia è trascurabile (inferiore all’1% della superficie agricola utile,

che è stimata in circa 13 milioni di ettari).

Coltura Superficie a coltura

energetica (ha)

Superficie totale

coltivata (ha)

Pioppo 5.000 70.000

Colture oleaginose, di cui

Girasole

Soia

Colza

30.000

14.100

9.900

6.000

280.000

Colture per biogas

(mais, sorgo, barbabietola, triticale)

40.000-60.000 -

Canna comune per bioetanolo 5.000 -

Totale: 110.000-130.000 ha

Qual è il potenziale di produzione massimo di biomassa in Italia?

- Superficie Agricola Utile (SAU) italiana: 13.000.000 ha circa

- Domanda di energia primaria in Italia (Fonte: Enea, 2009): 180,2 Mtep/anno

- Densità superficiale energetica media da coltivazione dedicata: 200 GJ/ha/anno

1 Mtep = 42*10^6 GJ

- Potenziale energetico max in Italia da biomassa:

13.000.000*200/(42*10^6) = 61,9 Mtep/anno

Occorrerebbero circa 38.000.000 di ettari (=13.000.000*180,2/61,9) di

terreno coltivato con colture energetiche per soddisfare il fabbisogno italiano.

44


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Le biomasse in ItaliaGli impianti in funzione nel 2012 in Italia per la produzione di elettricità da

bioenergia

(fonte: Itabia, 2013)

La produzione di energia elettrica da biomasse copre lo 0,8% del fabbisogno

nazionale di energia elettrica (fonte: Terna).

Tipologia di biomassa Impianti in funzione

Numero di impianti Potenza installata (MW el)

Biomasse solide 222 650,2

Bioliquidi 540 1.041,2

Biogas (scarti agricoli e zootecnia) 1.299 945,7

Biogas da rifiuti e fanghi 414 442,6

Rifiuti 73 953,7

Totale 2.409 (*) 4.033,4

(*) Il numero totale di impianti è inferiore alla somma delle righe perché esistono impianti con più sezioni alimentati da tipologie di biomassa diverse.

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Consumo di biomassa legnosa in Italia nel 2013 per tipologia di impianto

(fonte: “Lo stato della bioenergia in Italia”, Itabia, 2015)

Tipologia impianto Legna da ardere Pellet Cippato

Stufe o camini domestici 83% 72% -

Caldaie domestiche 16% 24% -

Caldaie civili-industriali 1% 3% 17%

Caldaie industriali - 1% 4%

Teleriscaldamenti - - 9%

Centrali EE e CHP - - 70%

Totale (milioni di ton) 19,3 3,3 4,7

EE: Energia Elettrica.

CHP: Combined Heat and Power, cogenerazione. Combustibile per riscaldamento Costo €/MWh

GPL 250

Gasolio 123

Metano 82

Pellet in sacchi (15 kg) 65

Legna da ardere sfusa 40

Cippato 26

(Fonte: Agriforenergy, 2015)

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biomasse

Agenda


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Impiantistica

49

Impiantistica

Combustione: reazione chimica che comporta l'ossidazione di un combustibile

da parte di un comburente (che in genere è rappresentato dall'ossigeno

presente nell'aria), con sviluppo di calore e radiazioni elettromagnetiche.

Nel proseguo del corso analizzeremo nel dettaglio il processo di combustione di

biocombustibili solidi, l’impiantistica che realizza il processo ed i problemi legati

alle emissioni in atmosfera.

Esistono altri processi per la valorizzazione energetica delle biomasse:

Pirolisi: processo di decomposizione termochimica di materiali organici ottenuto mediante la

somministrazione di calore e in completa assenza di un agente ossidante.

Gassificazione: processo termochimico in ambiente controllato (in particolare, contenuto di

ossigeno) che permette di convertire un combustibile solido contenente carbonio in un gas di

sintesi (syngas) usualmente composto da monossido di carbonio, idrogeno e altri composti

gassosi.

Fermentazione: processo ossidativo anaerobico svolto da microrganismi a carico di carboidrati (o

di amminoacidi).

Digestione anaerobica: degradazione della sostanza organica da parte di microrganismi in assenza

di ossigeno.

50

Impiantistica

51

Impiantistica

Esempio di caldaia a ciocchi di legno

1

2

3

4

5

4

6

1 – vano di carico

2 – camera di combustione

3 – ventilatore

4 – sistema di regolazione con sonda lambda

5 – scambiatore di calore

6 – recuperatore fumi

La regolazione dell’aria di combustione avviene in

base al fabbisogno di ossigeno, misurato nei fumi

con apposita sonda (sonda lambda).

La regolazione lambda consente di aggiustare e

ottimizzare costantemente la quantità di aria durante

l’intero ciclo di funzionamento della caldaia a legna,

dall’accensione iniziale fino all’esaurimento del

combustibile.

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Impiantistica

xxxEsempio di caldaia a ciocchi di legno

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Impiantistica

Esempio di caldaia a ciocchi di legno: P&ID

54

Impiantistica

xxx

1. Scambiatore di calore

2. Camera di combustione

3. Valvola tagliafuoco

4. Sistema rimozione ceneri

5. Estrattore combustibile

6. Sistema di controllo

7. Coclea alimentazione

Esempio di caldaia a pellet

e/o cippato

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Impiantistica

Esempio di caldaia a pellet e/o cippato: P&ID

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Impiantistica

Caldaia a pellet e/o cippato

Braciere

Camera di

combustione

Scarico ceneri

Camera di

combustione

Braciere

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Impiantistica

Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato

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Impiantistica


Centrale di cogenerazione da biomassa lignea e teleriscaldamento (Monterenzio)

Tipologia combustibile Cippato di legno

Potenza nominale del generatore di vapore 2.000 kWth

Rendimento termico del generatore di vapore 90%

Potenza elettrica 300 kWe

Potenza termica resa 1.400 kWth

Stoccaggio della biomassa n.2 depositi coperti da 1296 m3 ciascuno

n.1 deposito all’aperto da 2160 m3

per un capacità complessiva di 4752 m3


Analisi degli aspetti logistici: trasporto e stoccaggio della biomassa

Tipologia combustibile: cippato

Potere calorifico inferiore cippato (PCI): 13 MJ/kg

Densità in mucchio del cippato (ρbd): 200 kg/m3

→ Contenuto energetico di 1 m3 di biomassa (=PCI*ρbd):

2.600 MJ/m3 (= 0,72 MWh/m3)

Lo stoccaggio energetico dell’impianto descritto in precedenza (4.752 m3)

corrisponde dunque, dal punto di vista energetico, ad una riserva pari a circa

12.400 GJ (ovvero circa 3.400 MWh).

A quanto ammonta il consumo di biomassa della centrale?

Potenza nominale impianto (Pn): 2 MW

Rendimento termico (ηth): 90%59

Impiantistica

Potenza introdotta in camera di

combustione (P0=Pn/ηth): 2,2 MW


Potenza introdotta in camera di combustione (P0=Pn/ηth): 2,2 MW

Ore annue di funzionamento (t): 7.500 h (dato di progetto)

Lo stoccaggio di cippato consente un tempo di funzionamento a massimo

carico corrispondente a: 3.400 MWh/2,2 MW → 1.545 ore. Pertanto, lo

stoccaggio copre il 20% (1.545/7.500) circa del fabbisogno annuo di biomassa.

Consumo annuo di cippato in volume: Vanno = 2,2*7.500/0,72 = 22.900 m3

Consumo giornaliero di cippato in volume: Vday = 22.900/365 = 63 m3/die

Quale impatto sul trasporto?

60

Impiantistica

Motrice: 8,00 x 2,44 x 2,60 = 50,75 m3 → 1,2 motrici al

giorno;

Bilico: 13,60 x 2,44 x 2,60 = 86,28 m3 → 0,7 bilici al giorno;

Autotreno: (7,40+8,20) x 2,5 x 2,90 = 113,1 m3 → 0,6

autotreni al giorno.

61

ImpiantisticaEsempio di impianto domestico per riscaldamento e produzione di acqua calda

ad uso sanitario con caldaia a biomassa

1) Caldaia a biomassa

2) Bollitore tampone

3) Bollitore sanitario

4) Valvola deviatrice

5) Circolatore

6) Caldaia a gas integrazione

e soccorso

7) Valvola miscelatrice

8) Elemento sensibile

9) Valvola termostatica di

sicurezza; set point, per

esempio, a 55 °C

10) Valvola non ritornoNota:

- Il valore di set point delle

valvole miscelatrici

dipende dal tipo di utenza

servita; per esempio:

- ACS: 50 °C

- Radiatori: 60 °C

- Pavimento: 40 °C

62

Impiantistica

Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?

La combustione delle biomasse produce quantità di inquinanti non trascurabili

soprattutto in impianti non ben progettati e controllati. I principali inquinanti da

considerare sono:

1. Particolato. La combustione di biomasse produce elevate emissioni di particolato,

anche al di sopra di 50 mg/m3 (11% volume di O2) [Nussbaumer, 2003]. Le

particelle emesse sono di tipo primario ultrafine e iperfine, quindi ben al di sotto

dei classici 10 μm (PM10). Le sorgenti sono due:• Fuliggine. Nell’intorno della particella durante il periodo di volatilizzazione si ha una

zona ricca di idrocarburi (in particolare i costituenti del tar). L’elevata temperatura

favorisce reazioni di pirolisi secondaria in fase gas con nucleazione di particelle solide

che attraversano il fronte di fiamma e aumentano di dimensioni aggregando altre

particelle inorganiche.

• Ceneri in quanto le biomasse hanno significativi contenuti di composti inorganici che

possono formare particelle solide.

Contenuto (mg/kg su base secca) di composti inorganici in alcune biomasse. [Obernberg e Thek, 2004].

63

Impiantistica


Il particolato composto dalle ceneri volanti è suddiviso in due parti:

• Grossolano (d > 1μm) contenente Ca, Mg, Si, K e Al

• Fine (d < 1μm) la cui composizione è molto variabile.

Nelle ceneri è possibile ritrovare ossidi metallici come riportato in tabella.

Oltre agli ossidi, le ceneri possono contenere anche metalli tossici il cui livello può

essere significativo.

Contenuto (% peso di cenere) di ossidi metallici. [Demirbas, 2004]

Contenuto (mg/kg) di

metalli tossici nelle ceneri.

[Demirbas, 2005]

64

Impiantistica


2. Incombusti. Si verificano quando la combustione non avviene in maniera

completa. Nel caso delle biomasse il problema principale non è dovuto alla

temperatura raggiunta o al tempo di permanenza bensì alla turbolenza (ossia al

mescolamento) tra aria e parti solide. I reattori a letto fluido, in questo contesto,

sono ovviamente preferibili ai letti fissi;

3. Ossidi di azoto. La formazione di ossidi di azoto avviene attraverso l’ossidazione

dell’azoto direttamente legato al combustibile che può raggiungere valori compresi

fra 0,1 – 2 % in peso. Meno importanti sono i meccanismi classici quali quello

termico (dovuto all’interazione tra azoto atmosferico e ossigeno) e quello prompt

(veicolato dalla interazione tra idrocarburi e azoto atmosferico) a causa delle

temperature elevate richieste (1200 – 1300 C) non sempre raggiungibili nella

combustione delle biomasse.

Dove C(N) e C(O) rappresenta un atomo di carbonio del residuo legato ad un

atomo di azoto e ossigeno rispettivamente.

La prima reazione è quella che primariamente origina NO, mentre la seconda

spiega l’accumulo di azoto nel char a partire dall’ossido di azoto formatosi

nella rima. La terza è una reazione di riduzione di NO a azoto atmosferico.

65

Impiantistica


3. Ossidi di azoto.

L’azoto legato può essere rilasciato

attraverso le sostanze volatili siano esse

gas o tar oppure trattenuto nel char. La

quantità di azoto che volatizza dipende dal

tipo di biomassa e dalle condizioni

operative:

• A bassa temperatura e per bassi

tempi di residenza, l’azoto rimane

legato al residuo carbonioso;

• Ad alte temperature l’azoto viene

rapidamente rilasciato.

Le biomasse trasferiscono in fase gas

l’azoto anche a temperature relativamente

basse (80% allo stato gassoso durante il

processo pirolitico a T = 850 – 900 K).

Concentrazione dell’azoto nel char

rispetto alla quantità iniziale al variare

della temperature di pirolisi, [Glarborg,

2003]

66

Impiantistica


3. Ossidi di azoto.

Indipendentemente dal tipo di legame di partenza, se

la temperatura è sufficiente l’azoto viene attaccato da

diversi radicali e portato a formare NH e N. La

presenza o meno di un eccesso di aria è

responsabile dell’ossidazione a NO o della riduzione

a N2.Formazione di NO da azoto legato in funzione

dell’eccesso d’aria. [Glarborg, 2003]

Anche l’azoto legato al char subisce un’ossidazione

secondaria con formazione di NO con contributo

significativo alle emissioni complessive.

La quantità di azoto legato al char che viene ossidato

decresce all’aumentare della quantità di char.

Conversione dell’azoto legato al char a NO al

variare della quantità di residuo. [Glarborg, 2003]

67

Impiantistica


Valori espressi al mg di inquinante per MJ di

combustibileCO COV* Particolato NOx CO2

Caldaie a legna di

vecchia generazione

A legna, con accumulo, 24 kW 5.900 1.500 103 67 0

A legna, carica legna grande16.400 4.800 2.200 28 0

A legna, carica legna piccola8.200 3.000 - 64 0

Caldaie a legna

moderne

Aria soffiata, fiamma inversa,

con accumulo707 14 27 125 0

Idem con legna umida 26% 507 33 25 111 0

Idem con legna umida 38% 3.781 690 89 101 0

Caldaie a pellet

Caldaia pellet, funzionamento a

potenza nominale30 1 13 - 0

Caldaia pellet, funzionamento

intermittente380 2 12 62 0

Caldaia a gasolio 2 1 12 37 60.000

Caldaia multi-combustibile gasolio, legna, pellet 9 32 6 41 -

*COV Composti Organici Volatili

68

Appendice: risultati test sperimentali condotti su di una

caldaia a biomassa con diverse tipologie di combustibili

Impiantistica

69

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa

70

Impiantistica


Misuratore di

portata

elettromagnetico

DiaframmaCelle di carico

Anemometro a

filo caldo

71

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa con

analizzatore fumi per CO, CO2, NO, SO e O2

ANALIZZATORE FUMI

PRELIEVO DEI FUMI

72

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino

di caldaia a biomassa: multi-impattore

73

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:

linea di campionamento per multi-impattore

74

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:

esempio di tre filtri prelevati da un multi-impattore

PM>10 μm 2,5 μm <PM<10 μm PM<2,5μm

75

Impiantistica


Forno per condizionamento

filtri: 2 ore a 180°C

Essiccatore filtri: 4 ore sotto

vuoto a temperatura

ambiente

Bilancia di

precisione (5

cifre) per la

determinazione

dei pesi prima e

dopo i test

76

Impiantistica


UTILIZZO DELLE BIOMASSE PROVENIENTI DALLE

COLTURE DEDICATE DEL COMPARTO AGRICOLO

MAIS SEMI DI

GIRASOLE

SEMI DI

SOIA

CARDO

● U: 17,4 %

● LHVumido:

15.491 kJ/kg

● U: 10,3 % ● U: 7,3 %

● LHVumido:

25.853 kJ/kg

● LHVumido:

14.558 kJ/kg

● U: 8,5 %

● LHVumido:

23.067 kJ/kg

● r: 1316 kg/m3 ● r: 577 kg/m3 ● r: 1179 kg/m3 ● r: 285 kg/m3

77

Impiantistica


LHVUmido ηconversione max e

MAIS 14.558 kJ/kg 0,8 36 %

SEMI DI GIRASOLE

25.853 kJ/kg 0,7 22 %

SEMI DI SOIA

23.067 kJ/kg 0,6 22%

CARDO 15.491 kJ/kg 0,7 12%

78

Impiantistica


PROBLEMI RISCONTRATI

Impossibile raggiungere

alte potenze

CARDORipetuto

spegnimento dell’

impianto

Dimensioni ridotte del braciere

Tipo di alimentazione: dal basso

Trinciatura

grossolana

Fiamma soffocata

BLOCCO DELLA

COCLEA

79

Impiantistica


Scambio termico col

fluido termovettore

difficoltoso

SEMI DI GIRASOLE

Presenza di residui oleosi nei fumi

Attaccamento della

fuliggine alle superfici di

scambio termico


80

Impiantistica


Impossibile raggiungere

alte potenze

SEMI DI SOIA

Combustione lenta

Impossibile aumentare la portata del

combustibile perché si avrebbe il rischio

soffocamento fiamma


81

Impiantistica


Valori espressi

in mg/Nm3

Granella di mais

Semi di girasole

Semi di soia

Valore limite

SO26 56 92 200

NO2249 184 70 500

CO 97 >500 >500 350

Valori limite enunciati nel

Decreto Legislativo del 3/4/2006

82

Impiantistica

Campagna sperimentale – analisi produzione ceneri in caldaia a biomassa

CENERI PESANTI

CLINKER

Composizione clinker: ossidi di potassio, silicati

Masse di ceneri fuse

83

Impiantistica

Ceneri pesanti

[%] in peso

Ceneri da camera

fumi [%] in peso

Capacità di formazione

clinker

Tempo necessario per pulizia

caldaia

Mais 2,5 0,08 Elevata 40 min

Semi di girasole

4,6 0,25 Nulla 60 min

Semi di soia

8,7 0,15 Nulla 50 min

Cardo 2,6 0,09 Nulla 40 min

Campagna sperimentale – analisi produzione ceneri in caldaia a biomassa

Modulo 1.1 Biomasse...7 Classificazione delle biomasse Ad esempio, la definizione di...

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