David Chiaramonti

Sistemi per la produzione di energia elettrica su piccola scala

da biomassa

David ChiaramontiConsorzio RE-CORD / CREAR

Università di Firenze

David Chiaramonti

Sommario�RE-CORD / CREAR

� Introduzione ai sistemi di conversione energetica

�Gassificazione: iipologie reattori/impianto, gas cleaning raccomandazione CTI� Progetto GAST

� Progetto Yanmar

�Pirolisi

�Biogas

�Conclusioni

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Chi siamo …

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� SEDI E RISORSE RE-CORD

� Area sperimentale di 1 ha presso l’azienda agricola Montepaldi (sede legale)� Laboratorio chimico-analitico dedicato a biomasse solide, liquide e gassose� RE-CORD, attraverso CREAR, progetta e esercisce impianti pilota a Fonti Rinnovabili� RE-CORD segue tramite Spike la prima ingegnerizzazione e la realizzazione degli

impianti� RE-CORD opera inoltre presso la sede del CREAR a Firenze (Dip.Ingegneria Industriale)

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Breve elenco Impianti Pilota/Demo presso RE -CORD� Brichettatrice (100 kg/h)

� Impianto di pirolisi intermedia catalitica (1.5 kg/h)

� Gassificatore open-top twin-fire (70 kWe)

� Gassificatore downdraft di Imbert (10 kWe)

� Impianto pilota di Torrefazione/Carbonizzazione (in realizzazione)

� Reattore pilota di metanazione (in realizzazione)

� Microturbina Capstone convertita a biofuels (30 kWe)

� Microturbina Garret convertita a biofuels grezzi (20 kWe, 40 HP)

� Turbina a combustione esterna a biomassa/NG gas tur bine (50-100 kWe)

� Microcogeneratore a olio vegetale puro (5 kWe/10 kWth)

� Motore ad olio vegetale puro (7 kWe)

� Impianti pilota per coltivazione di alghe (in collaborazione con DIBA/F&M)

� Digestori anaerobici per prove di laboratorio

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� Briquetting machine� 100 kg/h compactation system

for testing conventional and unconventional feedstocks (e.g. agricultural residues, bioprocess co-products, etc) in pyrolysis and gasification

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� Pyrolysis - Advanced biofuels� Development of pyrolysis and

torrefaction systems� Pyrolysis of innovative (2°gen)

feedstocks: microalgae, lignin� Torrefaction and Pyrolysis of

lignocellulosic feedstocks, either dedicated or residualbiomass

� Lignocellulosic ethanol chainIn partnership with SEA-Marconi

Lignocellulosic ethanol chain scheme (Source:IEA)

1.5 kg/h pilot pyrolyser

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In partnership withDIBA and F&M

Gasification & AnaerobicDigestion� Development and test of small

scale gasification systems (in collaboration with IIS-Bangalore)

� Thermochemical conversion toupgraded biofuels (e.g. thermochemical methanation)

� Upgrading of biogas (fromanaerobic digestion) or producergas to bio-methane/SNG

1 L2 L

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� Laboratory fully dedicated toRenewable Energy/Biomass

In addition: NDIR/Electrochem.Producer Gas Analyzer, Portable MicroGC Gas Analyzer, Portable Tar sampling collection system

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Reti, scambi, progetti…

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Tecnologie e sistemi di pretrattamento

Attraverso il pretrattamento si prepara la biomassa (intermedioenergetico) all’utilizzo in impianti di conversione che richiedonospecifiche caratteristiche fisiche (es. contenuto di umidità e pezzatura):

• Essiccazione• Cippatura• Macinatura• Densificazione• Pellet• Briquettes• Torrefazione• Pirolisi

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Combustione� Tecnologia matura, accoppiata a cicli a vapore od ORC

(anche solo produzione elettrica)� Possibilità di alimentazione multicombustibile. Tipicamente

però biomasse legnose con basso contenuto di ceneri.� Elevata affidabilità, prestazioni interessanti� Costi di investimenti significativi – effetto di scala

Source: Turboden, BIOS BIOENERGIESYSTEME

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Combustione

� Ciclo a vapore dominante su taglie maggiori, ma si sta estendendo anche a impianti di scala inferiore (motori a vapore)

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Biomasse per impianti di gassificazione di piccola scala

• Necessaria una buona qualità della biomassa per garantire prestazionistabili .

• Possibilità pretrattamento per standardizzare la biomassa in ingresso .

� Contratto di manutenzione/assistenza

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Tipologie principali di Gassificatori a Letto Fisso

Updraft

Downdraft

Open-top

Double Fire

Two/Three Stage

Trocknung

Pyrolyse

Oxidation

Reduktion

Oxidation

Brennstoff

P roduktgas

L u ft

Asche

L u ft

L u ft

Trocknung

Pyrolyse

Oxidation

Reduktion

Oxidation

Brennstoff

P roduktgas

L u ft

Asche

L u ft

L u ft

Air

Ash

Gas, Tar

Biomass

Air

Air

Air

Air

���� IMPIANTI DI PICCOLA TAGLIA O PER SOLA GENERAZIONE DI CALORE

Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007

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Tipologie principali di Gassificatori a Letto Fluido

product gas flue gas

biomass

vaporair

product gas flue gas

biomass

vaporair

steam

Dual fluidised bed gasifier

Circulating fluidised bed gasifier

Bubbling fluidised bed gasifier

Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007

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� Tar (cartami, peci) devono essere sempre rimossi quando� Il gas è raffreddato prima del suo

utilizzo� Il gas è compresso prima del suo

utilizzo� In sistemi quali motori a CI o GT

� Due principali sistemi per la pulizia dei tar contenuti nel gas grezzo (producer gas)� Rimozione fisica – si

condensano gocce di tar e le si rimuovono con sistemi simili a quelli per il particolato

� Rimozione chimica – Cracking catalitico o termico

Rimozione/Conversione dei tar

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Rimozione TarGas Cleaning

� Def basata su condensazione(princ.problemi). � “tutti I composti organici con

punto di ebollizione superiore a quello del benzene”.

� Tipologie di reattori e tar� Updraft: 100 g/Nm 3

� Prevalentemente tar primari (con molto ossigeno)

� Fluid-Bed: 10 g/Nm 3

� Miscela tar primari e secondari

� Downdraft: 1 g/Nm 3

� Prevalentemente tar terziari

� Two-stage downdraft : contenuto di tar molto basso

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Pirolisi� Tre prodotti

� carbone (char), olio (tar) e gas . � Tecnologia emergente, anche se non nuova� Devolatilizzazione anaerobica a 450-550 °C� seguita da combustione o gassificazione

� Due opzioni di processo• valorizzazione energetica del solo gas di

pirolisi (biomasse “difficili”) in pirolisi lenta/intermedia + char e tar• pirolisi flash (veloce) per produzione di bio crude oil

� Flash : Sistemi disponibili ma spesso non ancora a livello dimostrativo. Provenienza: USA, NL, Canada, Germania. Elevato rischio tecnico. Progetti in Toscana.

� Lenta/Intermedia : sistemi affidabili, di provenienza anche Nazionale. Rendimenti di conversione elettrica generalmente modesti.

Electricity Transport fuel

Heat

Extract

Upgrade

Boiler

Chemicals

Bio-oil

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Biogas� Sistema pienamente maturo. Difficoltà con le attuali tariffe

incentivanti se non residui.� Possibile in presenza di materia prima idonea� Fondamentale la conduzione opportuna dell’azienda agricola� Innovazione: il biometano

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Sistemi di conversione energetica accoppiati agassificazione

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Sistema di conversione

Motori alternativi (20< ηel<35%):

• motori gas modificati :• rendimenti contenuti;• rumorosità;• elevato CO;

• motori a ciclo diesel modificati :• rendimenti elevati;• necessitano di un 5-10% dicombustibile liquido (pilota).

Sezione di impianto checon un buon gas nonevidenzia particolaricriticità.

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MGT (20<ηel<30%):• Rendimenti contenuti;• Elevate richieste su syngas;• Basse emissioni;• Bassi costi di manutenzione;

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Aspetti contrattuali

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David Chiaramonti

Alcuni elementi di criticità nello sviluppo di un progetto di gassificazione

UTILITA’ DI VERIFICHE EFFETTUATE DA ENTE TERZO

Gruppo CTI su gassificazione

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Alcuni elementi di criticità nello sviluppo di un progetto di gassificazione

• Riferimenti chiari e linguaggio comune fornitore-cliente� Si evitano imprecisioni/fraintendimenti� Offerte confrontabili

• Verifica delle prestazioni e controllo loro mantenimento nel tempo� Finanziamento impianto� Definizione contratto di manutenzione e

certezza sui costi� Copertura assicurativa su garanzia per il

fermo macchina.

• Altro� Verifica terza filiera di approvvigionamento

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Raccomandazione CTI 13

Impianti per la produzione e l’impiego di gas da gassificazione di biomassa ligno-cellulosica– Classificazione, requisiti essenziali, regole per l’offerta, l’ordinazione, la costruzione e il collaudo

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Misura e caratterizzazione

Biomassa in ingresso

Analisi ceneri

Analisi producer

gas

Analisi dei principali dati di funzionamento: potenza elettrica, ore accumulate,

energia generata (netta e lorda), emissioni

Misura Distribuzione T

nel reattore

Misura (a caldo) caratteristiche producer gas

Analisi condensato

Misure minime per verifica prestazioni

���� Bilancio di Massa ed Energiapag.29

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RE-CORD� RE-CORD dispone di competenze e

strumenti analisi impianti di gassificazione.

Sampling

Tars Condensation

Portable GC

� Collaborazione con TÜV-Italia Gruppo TÜV-Sud).

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Progetto GASTExperiences in biomass GAsification in South-Tyrol:

energy and environmental assessment

� Scopo� Preliminary screening of small scale biomass-gasification-based cogeneration

plants located in South Tyrol� Two or three representative plants selected for the monitoring campaign� Characterisation/Monitoring

� Coordinatore e Partners� Libera Università di Bolzano (Coordinatore prof Mar co Baratieri)� Eco Research SrL� Sottocontraenti: RE-CORD, TIS Innovation Park

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RE-CORD: YANMAR project

� Scopo� Installazione e test impianto

di gassificazione da 40 kWe� Tecnologia Giapponese,

diversi impianti esistenti(visitati in Luglio 2013)

� Adattamento sistema a condizioni/standard EU

� Modifiche migliorative alcuni sezioni

� Analisi della prestazioni

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Conclusioni (1)�Biomassa Solida

� tecnologie disponibili. Per le piccole taglie gli impianti di pirolisi/gassificazione si sono evoluti verso la piena maturità industriale. Necessari riduzione di costo sia per combustione che gassificazione. Impianti che richiedono attenzione nell’utilizzo. Premialità emissioni.

�Biogas e Biometano � processi maturi, necessaria disponibilità di materia prima,

conduzione azienda agricola fondamentale.

�Olio vegetale � tecnologie consolidate, criticità di approvvigionamento.

�Fattore comune: valorizzazione Energia Termica

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Conclusioni (2)�Aspetti economici-finanziari

� Le attuali tariffe richiedono valutazioni molto attente, i margini sono minori. Necessario valorizzare l’energia termica.

� La taglia tipica è minore che in passato. Particolare interesse fino a 200 kWe perchè «fuori registro» GSE. Ma i costi specifici di investimento (€/kWe installato) sono ancora maggiori.

� Improbabile sviluppare le iniziative tramite finanza di progetto: normalmente serve equity dell’imprenditore

� Perchè un progetto sia bancabile occorre la disponibilità della risorsa e che il costo sia competitivo per consentire il business

� I BP si reggono su ore di fuz./anno ... Attenzione a tecnologie e modalità di esercizio!

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Grazie perl’attenzione

David Chiaramontidavid.chiaramonti@re-cord.org

david.chiaramonti@unifi.it