ENERGIA SOSTENIBILE PER TUTTI

Tecnologie di valorizzazione energetica biomasse per impianti distribuiti

Giacobbe BraccioResponsabile Unità tecnica tecnologie TrisaiaGiacobbe.braccio@enea.it

Aula Magna – facoltà di Agraria

Bari 5 giugno 2012

Di.T.N.E. - Distretto Tecnologico Nazionale sull’ Energia

• Sostenere lo sviluppo della ricerca in settori produttivi nel campo dell'Energia

• Incoraggiare il trasferimento tecnologico di cui necessitano le realtà produttive nazionali ed internazionali di settore

• Favorire il collegamento tra mondo della ricerca, mondo della produzione di beni e servizi, mondo del credito e del territorio

Ditne

PUBLIC Bodies PRIVATE Bodies

CNRACEA S.p.A

ENEA AMGAS S.p.A. EXPRIVIA S.p.A. SMEA Impianti S.r.l.

Libera Università degli Studi Kore Enna ASJA Ambiente Italia S.p.A. Fantini Scianatico S.p.A. SOL S.p.A.

Politecnico di Bari AVIO S.p.A. FAR Systems S.p.A. TCT S.r.l.

Università degli Studi di BariFortore Energia S.p.A.

Università degli Studi di Bergamo CMCC S.C.a r.l. GAM Oil & Gas S.p.A. Troiani & Ciarrocchi S.r.l.

ETA Energie Tecnologie Ambiente S.p.A.

SDI Holding Energia S.r.l. in liquidazione

CCA Centro Combustione Ambiente S.r.l.

TRE Tozzi Renewable Energy S.p.A.

3 © Di. T.N.E.

Università degli Studi di Bergamo CMCC S.C.a r.l. GAM Oil & Gas S.p.A. Troiani & Ciarrocchi S.r.l.

Università degli Studi di Catania Consorzio CETMA Golder Associates S.r.l. Turboden S.r.l.

Università degli Studi di FirenzeIntini Angelo S.r.l.

Università degli Studi di GenovaItal Green Energy S.r.l.

Università degli Studi Roma 3 EDIPOWER S.p.A Italgest Energia S.p.A.

Università del Salento ENEL S.p.A. ITEA S.p.A.

Università Politecnica delle Marche ENIPOWER S.p.A. MATRIX S.p.A.

CSM Centro Sviluppo Materiali S.p.A.

Distretto Tecnologico Trentino S.C.a r.l.

ENEA Trisaia: Settori tematici e aree tecnologiche di intervento

Settori di Intervento Aree Tematiche

Energie rinnovabili Applicazioni avanzate del solare termico a bassa e media temperatura

Bioenergia

Tecnologie per la produzione di energia elettrica Tecnologie per la produzione di biocarburanti di Processi integrati per bioraffineria e chimica verde

Ambiente Tecnologie e processi per la valorizzazione dei rifiuti e dei reflui

Processi per il recupero di raw materials e terre rare da materiale di Processi per il recupero di raw materials e terre rare da materiale di scartoTecniche per il monitoraggio ambientale e trattamento acque

Materiali, Materiali per l’efficienza energetica (basalto e altri materiali)

Tecnologie di trattamento materiali mediante fascio laser

Agroalimentare e Agroindustriale Tecnologie nuovi Processi per il settore Agro-industriali

Biotecnologie per la Qualità e Sicurezza alimentare e biosicurezza

AttivitàAttività ENEA ENEA nelnel campo campo delledelle biomassebiomasse

� Atlante nazionale sulle biomasse

� Attività sperimentali sulle coltivazioni energetiche

� Attività sull’utilizzo di energia termica delle biomasse

� Tecnologie e processi per produzione di energia elettrica distribuita� Tecnologie e processi per produzione di energia elettrica distribuita

� Biocombustibili

� Life Cycle Analysis on biofuels production

Combustione biomasse

Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasseLocalizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse

LCA – Digestione anaerobica

Atlante sulle biomasseColtivazioni energeticheProcessi termochimici Biocarburanti di 2° genBiometano .

Biodiesel da microalgheDigestione anaerobica

GIS Web Site

Forests

Pruning Waste Productivity

AtlanteAtlante nazionalenazionale sullesulle biomassebiomasse

7

05

10

15

20

25

30

S2

S1

SS

SAS

CS

CWCEC

NCN

NE

NW

Pro

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t ha-1

)

Aru

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Mis

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P

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Colz

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Energy Crops Productivity (Herbaceous & oilseed)

www.atlantebiomasse/enea.it

La gassificazione è un processo termochimico in cui materialeorganico (biomassa) reagisce con ossigeno in quantitàsottostechiometrica per produrre essenzialmente CO e H2.

Il principio di funzionamento è simile a quello dellacombustione, differendone esclusivamente per il valore del

Il processo di gassificazioneIl processo di gassificazione

combustione, differendone esclusivamente per il valore delrapporto comburente/combustibile prescelto.

la gassificazione converte un vettore solido di energia chimica inun vettore gassoso di energia chimica che a sua volta può esserebruciato per produrre calore:

Fase di gassificazioneFase di gassificazione

REAZIONI IPOTIZZATE:

2COCOC 2 ⇔+

22 HCOOHC +⇔+

(+172,6 KJ/mole) Boudouard

(+131,4 KJ/mole) Reforming carbone

Le reazioni endotermiche sono dominanti

Per una data temperatura di equilibrio ipotizzata è possibile ricavare lacomposizione del gas prodotto

42 CH2HC ⇔+

224 3HCOOHCH +⇔+

222 HCOOHCO +⇔+

(-74,9 KJ/mole) Metanazione

(+201,9 KJ/mole) Reforming metano

(-41,2 KJ/mole) Water Gas Shift

L’agente di gassificazioneL’agente di gassificazione

� aria: è la tecnologia più semplice ma il gas prodotto (gas di gasogeno)ha basso potere calorifico perché contiene una grande quantità diazoto che lo diluisce.

� ossigeno: l’assenza di azoto consente di ottenere un vettore a mediopotere calorifico, il cosiddetto gas di sintesi.

� vapore: è più economico dell’ossigeno ed il gas ottenuto ha uncontenuto di idrogeno superiore, ma il processo è endotermico.contenuto di idrogeno superiore, ma il processo è endotermico.

aria ossigeno vapore

CO 14 34 27

CO2 15 27 20

H2 10 32 38

CH4 4 5 12

N2 57 2 3

PCI (MJ/Nm³) 4 9 11

• PCI del gas naturale circa 35 MJ/Nm³

• Un gas molto diluito non può essere trasportato su lunghe distanze

• Un gas con PCI < 7 MJ/Nm³ può causare un sensibile abbassamento del rendimento in motori e caldaie

Equilibrio di BoudouardEquilibrio di Boudouard

2COCOC 2 ⇔+

Obiettivo: massimizzare la resa di CO T > 800 °C

MetanazioneMetanazione

elevato contenuto

di CH4

reforming non completo dei

42 CH2HC ⇔+

completo dei distillati del

combustibile

temperatura eccessivamente

bassa nel gassificatore

equicorrente (down-draft)

pressione

atmosferici

pressurizzati

Classificazione dei gassificatoriClassificazione dei gassificatori

flusso traverso (cross-flow)

controcorrente (up-draft)

fisso

fluido

circolante

bollente

tipo di letto

Gassificatore a letto fisso updraftGassificatore a letto fisso updraft

È il tipo di gassificatorepiù collaudato.

BIOMASSA

L’aria entra dalla base, attraversa il letto di biomassa con la quale reagisce trasformandosi in gas povero trasformandosi in gas povero e fuoriesce dalla zona superiore, mentre la colonna di combustibile scende per gravità.

Gas e combustibile si muovono in direzioni opposte.

Il gas prodotto esce dal basso muovendosi pertanto nella stessa direzione del combustibile.

BIOMASSA

Gassificatore a letto fisso downdraftGassificatore a letto fisso downdraft

La zona di ossidazione e quella di riduzione hanno posizioni invertite rispetto al gassificatore in controcorrente.

updraft downdraft

reattore

• grande semplicità e ridotto costo d’impianto

• flessibilità rispetto alle variazioni di carico, possibilità di operare in pressione

• ampio range di capacità, da 0,5 fino ad oltre 10 MWt

• maggiore complessità e costo per la particolare conformazione

• sensibilità alle fluttuazioni di carico

• difficoltà ad incrementare la potenza, in genere compresa tra 0,1÷÷÷÷2 MWt

gas • bassa temperatura, 100÷÷÷÷400 °°°°C • alta temperatura, 400÷÷÷÷700°°°°C

Confronto tra Confronto tra gassificatorigassificatori a letto fissoa letto fisso

gas prodotto

• bassa temperatura, 100÷÷÷÷400 °°°°C

• basso contenuto di polveri

• alto tenore di tar (sui 100 g/Nm³)

• alta temperatura, 400÷÷÷÷700°°°°C

• alto contenuto di polveri

• basso tenore di tar (sul 1 g/Nm³)

requisiti biomassa

• ampio range di dimensioni da 5 a 100 mm

• alta tolleranza rispetto al contenuto di ceneri (max=25%) ed umidità (max=60%)

• dimensioni tendenzialmente grandi, 20÷÷÷÷100 mm

• maggiore sensibilità rispetto al contenuto di ceneri (max=6%) ed umidità (max=25%)

fenomeniindesiderati

• canalizzazioni delle sostanze reagenti attraverso il letto

• ponti termici

• scorificazione

• clinkerizzazione

• ponti termici

Impianti “Termochimici” di Gassificazione presso il Centro Ricerche ENEA di Trisaia

LETTO FLUIDO CATALITICO RICIRCOLANTE

LETTO FLUIDO RICIRCOLO INTERNO

Aria arricchita/vapore 1MWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

Specie %Vol.

H2 32

CO 17

CH4 6.2

N2 0.9

CO2 20.9

H2O 32

COMPOSIZIONE SYNGAS

COMPOSIZIONE SYNGAS

Specie %Vol.

Biomassa

OssigenoVapore

Syngas pulito

Syngas pulito

Fumi di

ProduzioneProduzione didi energiaenergia elettricaelettrica distribuitadistribuita

Biomassa Syngas grezzo

Aria

Vapore

LETTO FISSO DOWNDRAFT

Aria/vapore 150-450kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

LETTO FISSO UPDRAFT

Aria/vapore 150kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI

LETTO FLUIDO CATALITICO RICIRCOLANTE

Aria/vapore 500kWthIdoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI, FC o alla produzione di biocombustibili da Fischer Tropsh

H2 34.1

CO 25.1

CH4 10.4

N2 9.6

CO2 20.8

COMPOSIZIONE SYNGAS

Specie %Vol.

H2 20

CO 21

CH4 4

N2 40

CO2 6

H2O 9

COMPOSIZIONE SYNGAS

Specie %Vol.

H2 15

CO 22

CH4 3

N2 40

CO2 20

Gas grezzo

Aria

Zona di combustione

Biomassa

VaporeAria

Fumi di Combustione

Fixed bed

P= 30-80 kWe

Interconnected

fluidized bed gasifier

1 MWt

Up-draftt fixed-bed

gasifier

150 kWt

__compressed air

__ criogenic gases

__ hydrogen storage

ENEA’s technological platform for the biomass gasification

Molten carbonate fuel

cell

125 kWe

JOULE Plant – Fast

internally circulating

Fluidized bed gasifier

500 kWt

Caratteristiche di processo

Alimentazione Gusci Mandorle

Portata 30-40 Kg/h

Agente gassificatore Mix Steam-Air

Potenza Nominale 200 kWth

PRAGA PLANT - Updraft gasifier 150kWth

Water Gas

Shift CO2 separatorTorch

Finanziato dal MIUR – Importo progetto 5.112 K€ – Finito nel 2010

Sono stati effettuati test con biomasse a pressione

atmosferica: steam/biomass ~0.4.

Scrubber

Biodiesel

Generatore

Vapore Alimentazione

Filtri coalescenza

Tecnica analitica

Contenuto Tar

Totale (g/Nm3dry)

a Efficienza di

rimozione

(%wt)GasifierScrubbe

r

Gravimetrici 66.0 0.91 b) 98.6

Composizione %vol. secco

H2 21

CO 22,8

CO2 13,4

CH4 ~1

C3H8 <1

O2 <1

N2 41

PCI (kJ/Nm3dry) 5,7

Gassificatore

PartnersPartnersEnea TrisaiaEnea TrisaiaUnivUniv. di Napoli. di NapoliPolPol. di Milano. di MilanoPolPol. di Torino. di TorinoUnivUniv. Roma . Roma VergataVergataAnsaldo Ansaldo TecnoparcoTecnoparco

Gassificatore sviluppato in

collaborazione con

Vienna University of

Technology, Univaq, Louis

Univ Filter system

GASSIFICATORE

COMBUSTORE

Syngas

JOULE PLANT: Steam Gasification Pilot Plant of 500kWt

Exhausted gas

Doppio letto fluido

ricircolante FICFBGASSIFICATORE

Ricircolo Char

Biomassa

Input

Aria

Combustibile

ausiliario

Vapore

input

Composizione Olivina

%SiO2 41.9

%MgO 49.5

%Fe2O3 7.1

%Al2O3 1

%H2O+%CO2 0.5

AGENTE

FLUIDIZZANTE

Pulizia del syngas a caldo : Risultati Sperimentali

Syngas Input

Syngas purificatoAzoto Ingresso ai

filtri

FILTRI A

CANDELE

CERAMICHE

PALL

CORPORATION

Performance della sezione di pulizia a caldo

Concentrazione H2S in uscita ~ 40 ppmv

Efficienza di romozione dello zolfo 84%

Concentrazione HCl in uscita ~ 30 ppmv

Efficienza di rimozione del cloro 70%

Ciclone-efficienza rimozione

polveri (d=2 µm)95 %

Tars(g/Nm3) 10

Particolato in uscita 2,1 mg/Nm³

T=400°°°°C

Tin [°°°°C] 508

Tout [°°°°C] 476

CaO [kg/h] 0.57Recupero solidi

TORRE

ASSORBIMENTO

CICLONESyngas

T=508°°°°C

T=476°°°°C

CaO [kg/h] 0.57

Ca/(Cl+S) [molare] 4.3

H2Sin [ppmv] 250

HClin [ppmv] 105

H2Sout [ppmv] 40

HClout [ppmv] 36

SR [%] 84

ClR [%] 66

UNIQUE PLANT

Finanziato dal 7°°°°FP

Terminato: 2011

Finanziamento di 3.715.503 €

Principali vantaggi dell’UNIQUE:

• Pulizia del syngas internamente al reattore;

Brevetto

RM2008U000022

Letto fluido con ricircolo interno 1MWth

Aria arricchita/Vapore

Specie %Vol.

H2 32

CO 17

CH4 6.2

N2 0.9

CO2 20.9

H2O 32

Composizione del Syngas

• Pulizia del syngas internamente al reattore;

• Compattezza;

• Riduzione dei costi di investimento ed operativi

Syngas 385Nmc/h

Altre attività ENEA Trisaia

Il progetto è iniziato il 1st October 2011 e terminerà in Settembre 2015. 8.98M€ finanziati

BRISK consiste nello sviluppo di una piattaforma integrata per I processi di conversione termochimici attraverso l’uso di

infrastrutture di ricerca europee, finalizzate a fornire supporto in R&D per i processi innovativi al fine di conertire scarti

agricoli e/o agroindustriali in bioliquidi, biogas o combustibili solidi. L’anima del progetto è quella di evitare

frammentazione delle differenti facilities esistenti a livello europeo per i processi termochimici, mettendo a sistema

infrastrutture e competenza. Le facilities sono aperte anche a ricercatori non coinvolti nel progetto.

BRISK is funded by the

European Commission Seventh

Framework Programme

(Capacities)

BRISK - Biofuels Research

Infrastructure for Sharing

Knowledge

UNIfHY Biomass-to-hydrogen

Industria 2015: HY-Tractor

Il progetto è iniziato il 1st October 2010 e terminerà in September 2014.

HT- Tractor consiste nella costruzione di un trattore ecologico a fuel cells alimentato con syngas proveniente dalla

gassificazione delle biomasse residuali.

Trattore a Fuel Cell alimentato a syngas

HY-Tractor progetto finanziato dal

Ministero dello Sviluppo Economico per

4.51M€

UNIfHY Biomass-to-hydrogen

(BTH) thermal conversion process

Il progetto è iniziato il 1st October 2011 e terminerà in Settembre 2015. 2.97M€ finanziati

UNIfHY consiste nello sviluppo di un dimostratore su scala pilota per la produzione di idrogeno puro a partire da biomasse

lignocellulosiche mediante il processo di gassificazione realizzato e brevettato nell’ambito del progetto UNIQUE. Il sistema

prevede la WGS come stadio di riforma del monossido di carbonio ed uno stadio di adsorbimento mediante PSA.

Steam explosion

Processo bio-chimico

Cereali

granella

Idrolisi

fermantazione

bioetanolo

BIORAFFINERIA e LA CHIMICA VERDEI Processi per la trasformazione delle biomasse in combustibili liquidi e

chemicals

24

paglia gassificazione

pirolisi

H2 CO

Processo termo-chimico

F. tropsch

sundieselBio olio

Pianta oleaginosa Olio vegetale biodieseltransesterificazionespremitura

Cerealizuccherine

Progetti sui biocarburanti

Progetti con Chemtex

Industria 2015 PRIT7PQ – Progetto Biolyfe

Progetti in corso su etanolo da cellulosa

Il processo di produzione del bioETOH

25

Obiettivo : realizzare un impianto pilota da 40.000 tonnellate/anniedi etanoloProduttiva : 100 ettolitri /ettaroCosto = 0,5 €/litro

ZUCCHERI

(probiotici e dolcificanti)

FIBRE

MATERIALI BIODEGRADABILI

CO-PRODOTTI

Sourc

e: E

4te

ch, 2009

Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse

IEA IEA -- Status of Technologies Status of Technologies

BIOENERGY – A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05

Sourc

e: E

4te

ch, 2009

Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse

IEA IEA -- Status of Technologies Status of Technologies

BIOENERGY – A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05

1. Fischer-Tropsch2. Dimethylether

Il Centro di Innovazione Integrato Agrobiopolis

ObiettiviObiettivi

• Contribuire, alla crescita ed alla competitività del sistema agro-alimentare e agro-

industriale nazionale, con particolare riferimento alle Regioni Meridionali,;

• Sviluppare tecnologie per la produzione interesse industriale, anche di PMI “high-tech”.

• Trasferire e valorizzare industrialmente le tecnologie di trattamento già sviluppate e

sperimentate presso l’ENEA

- Genomica, Trascrittomica e Proteomica

- Fitopatologia Entomologia Biometria vegetale Microbiologia

- Diagnostica Alimentare

- Chimica analitica ed analisi NMR

- Metrologia chimica

FINEFINE

Ing. Giacobbe BraccioEmail: giacobbe.braccio@enea.itTel 0835-974387