VALUTAZIONI SULL’UTILIZZO DELLE BIOMASSE FORESTALI PER … · combustibili Etanolo da cereali...

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La sostenibilità ambientale nell’impiego energetico delle biomasse Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari [email protected] http://people.unica.it/danielecocco/ VALUTAZIONI SULL’UTILIZZO DELLE BIOMASSE FORESTALI PER LA COGENERAZIONE DIFFUSA Auditorium Centro Ricerche Sotacarbo - Carbonia, 6 Maggio 2014

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La sostenibilità ambientale nell’impiego energetico

delle biomasse

Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari [email protected] http://people.unica.it/danielecocco/

VALUTAZIONI SULL’UTILIZZO DELLE BIOMASSE FORESTALI PER LA COGENERAZIONE DIFFUSA

Auditorium Centro Ricerche Sotacarbo - Carbonia, 6 Maggio 2014

Crescono i consumi energetici ….

I consumi di energia sono raddoppiati in meno di 35 anni e sono tutt’ora basati per oltre l’80% su fonti fossili

FER: tutto (o quasi) viene dal Sole

•Energia del vento e del mare (10-20 volte i consumi mondiali)

•Energia idraulica (circa 1-2 volte i consumi mondiali)

•Energia chimica delle biomasse (circa 1-2 volte i consumi mondiali)

Costante Solare: 1370 W/m2

Il Sole invia sul suolo terrestre una quantità di energia pari a circa 5000 volte i consumi mondiali annui. Una piccola frazione di questa energia viene convertita in biomasse,

energia eolica e del moto ondoso e energia idraulica

Serve il contributo di tutte le FER

FER: le Biomasse

Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, etc.);

Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.);

Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali, etc.);

Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.);

Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), il cosiddetto “umido”.

Biomasse

Residuali

Coltivazioni

Energetiche

Le tecnologie consolidate

Molte altre filiere e processi (gassificazione,

pirolisi, etanolo da legnose, olio vegetale da

microalghe, etc.) sono ancora in fase di sviluppo

Bio-combustibili

Etanolo da cereali (USA) e canna da zucchero (Brasile)

Olio vegetale da colza, girasole e

palma

Digestione anaerobica

Biogas da FORSU, residui vegetali e

coltivazioni erbacee

Combustione Caldaie a pellet e a cippato

Energia termica e elettrica

Combustibili per MCI

Energia elettrica da

MCI

L’impatto ambientale

Emissioni gassose (Polveri, NOx, CO,..)

Effluenti liquidi

Residui solidi

Rumore

Combustibile

Aria

Altri impatti •Impatto visivo •Occupazione del suolo •Emissioni elettromagnetiche •altro …...

Calore

Impianti a vapore a Biomassa

Gli impianti a vapore alimentati con biomasse sono molto simili a quelli convenzionali alimentati con combustibili fossili, ma più piccoli (10-20 MWe

contro 250-400 MWe) e con minori rendimenti (25-27% contro 38-42%). Possono operare in cogenerazione con penalizzazioni sulla potenza elettrica.

La linea di trattamento dei gas di scarico

Ceneripesanti

Acque reflue

CALDAIAFGD

Carbone

Fumi

Aria

SorbenteNH3

SCR

Cenerileggere

ESP

A) CONFIGURAZIONE “HIGH-DUST”

Ceneripesanti Acque

reflue

CALDAIAFGD

Carbone

Fumi

Aria

SorbenteNH3

SCR

Ceneri leggere

ESP

B) CONFIGURAZIONE “LOW-DUST”

PA

PA

Ceneripesanti

Acque reflue

CALDAIAFGD

Carbone

Fumi

Aria

SorbenteNH3

SCR

Cenerileggere

ESP

C) CONFIGURAZIONE “TAIL-END”

PAGGH

Metano

LEGENDA

FGD Sistema di desolforazione ESP Precipitatore elettrostaticoPA Preriscaldatore d’aria SCR Rimozione selettiva cataliticaGGH Scambiatore gas/gas

Gli impianti a vapore a biomassa, rispetto agli impianti convenzionali, richiedono di solito minori trattamenti per il rientro nei limiti di emissione (SO2 200 mg/m3, NOX 400

mg/m3, CO 100 mg/m3, Polveri 30 mg/m3) talvolta è sufficiente il solo filtro per la rimozione delle polveri e il

sistema di riduzione degli NOx)

La filiera degli oli vegetali

Colza, girasole, soia, ecc.

Estrazione olio grezzo

Panello proteico

Transesterificazione Biodiesel

Glicerina

Energia elettrica

Metanolo Solventi Energia elettrica

Olio

grezzo

Motore Diesel

Energia elettrica

Gas di scarico

Energia termica

Il Biodiesel è un ottimo sostituto del gasolio nei motori Diesel per autotrazione, mentre i meno raffinati oli

vegetali grezzi sono utilizzabili da motori Diesel industriali di medio-grande potenza (da 100 kW a oltre 10 MW)

Limiti di emissione in atmosfera

Dlgs 152/2006 (Limiti per i grandi impianti di combustione)

SO2

(mg/Nm3) NO2

(mg/Nm3) Polveri

(mg/Nm3)

Combustibili liquidi

(fumi con il 3% di O2)

50<P<100 MW

100<P<300 MW P>300 MW

850

500 - P 200

400

200 200

50

30 30

Tabella 8.9 – Valori limite di emissione per i grandi impianti di combustione di nuova

realizzazione alimentati con combustibili liquidi.

SO2

(mg/Nm3) NO2

(mg/Nm3) Polveri

(mg/Nm3)

Combustibili gassosi

(fumi con il 3% di O2)

Gas in genere

Gas liquefatto Gas da forni a coke

Gas da altiforni

Gas siderurgici

Gas naturale 100-300 MW

Gas naturale P>300 MW

35

5 400

200

200

200 200

200

150

100

5

10

30

Tabella 8.10 – Valori limite di emissione per i grandi impianti di combustione di nuova realizzazione alimentati con combustibili gassosi.

Per i motori alimentati con olio vegetale, l’unico dispositivo indispensabile per il trattamento dei gas di scarico è di solito quello per la riduzione degli NOx ed

eventualmente per l’ossidazione del CO.

La filiera del biogas

Digestore

Stoccaggio biogas

Concime liquido

Compost Substrato digerito Acqua

calda Motore

Biogas

Energia elettrica

U

Substrato

Co-substrato

Fumi

Torcia

Centrifuga

Limiti di emissione in atmosfera

Dlgs 152/2006 (Limiti per gli impianti a biogas)

Anche per i motori alimentati con biogas, l’unico dispositivo indispensabile per il trattamento dei gas di scarico è di solito quello per la riduzione degli NOx ed

eventualmente per l’ossidazione del CO.

CO

NOX

(come NO2)

Carbonio organico (COT)

Cloro (come HCl)

Motori a combustione

interna (fumi con il 5% di O2)

P < 3 MW

P > 3 MW

800

650

500

450

150

100

10

10

Turbine a gas fisse (fumi con il 15% di O2)

P < 8 MW

8 MW < P < 15 MW

15 MW < P < 50 MW

P > 50 MW

100

80

60

50

150

80

80

60

50

50

5

5

5

5

Altri sistemi di

combustione (fumi con il 3% di O2)

P < 3 MW

P > 3 MW

150

100

300

200

30

20

30

30

Tabella 8.4 – Limiti di emissione per gli impianti di combustione con potenza termica inferiore a 50 MW alimentati con biogas, valori espressi in mg/Nm3.

La filiera delle Biomasse

Energia solare

Coltivazione biomassa

Residui

Trasporto prodotto

Conversione industriale

Energia utile

Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc.

Emissioni Emissioni

Combustibili

Sotto-prodotti

Emissioni

Materiali, ecc.

Combustibili, energia el.

Le biomasse sono l’unica FER che necessita di un “combustibile” non disponibile gratuitamente ma che deve essere coltivato/raccolto,

trasportato e pre-trattato (in compenso può essere facilmente accumulato e usato quando necessario).

Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell’intera filiera

La sostenibilità della filiera

Biomassa

Ossigeno

Energia

CO2

Ceneri

Energia solare

CO2

Acqua

Nutrienti

Il bilancio

teorico della

CO2

è in pareggio!

Fotosintesi

Co

nve

rsio

ne

L’Analisi del Ciclo di Vita (LCA)

“La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti sull’ambiente, ovvero l’uso delle risorse

e le conseguenze ambientali delle emissioni, lungo tutta la vita del prodotto (o del servizio),

dalla estrazione delle materie prime, alla produzione, uso, trattamento di fine vita, riciclo

e smaltimento finale, secondo un approccio denominato dalla culla alla tomba”.

(UNI EN ISO 14040 e 14044, Ottobre 2006).

Le fasi di uno studio LCA

1. Definizione degli scopi e

degli obiettivi

LCA

3. Analisi degli impatti

4. Interpretazione e miglioramento

2. Analisi di inventario

Analisi LCA di filiera

Trasporto Impianto a

vapore

Gasolio e

lubrificante

Cippato

Emissioni Emissioni

Produzione

macchine

Lubrificante,

Chemicals

Produzione

macchine

Raccolta e

Cippatura

Produzione

macchine

Gasolio e

lubrificante

Emissioni

Energia

Elettrica

Energia

Termica

Coltivazione Trasporto Estrazione

Olio

Motore

Diesel

Gasolio e

lubrificante Fertilizzanti

Produzione

macchine Diserbanti

Energia

Elettrica

Semi Olio

Emissioni Emissioni Emissioni

Energia

Elettrica

Panello

Produzione

macchine Lubrificante Produzione

macchine

Gasolio e

lubrificante

Produzione

macchine

Energia

Termica

Definizione delle categorie di impatto

Esaurimento delle materie prime;

Esaurimento delle fonti energetiche

Riscaldamento globale;

Impoverimento dello strato di ozono;

Acidificazione;

Eutrofizzazione;

Tossicità per l’uomo;

……

Queste categorie di impatto si inquadrano in tre grandi aree tematiche: l’esaurimento delle risorse, la

conservazione dell’ambiente e la tutela della salute.

Definizione delle categorie di impatto

1. Le categorie di impatto ambientale prese in esame (es. consumo di energia primaria, riscaldamento globale, potenziale di acidificazione, etc.);

2. I corrispondenti indicatori di categoria (es. MJ di energia primaria, kg di CO2 equivalente, kg di SO2 equivalente);

3. I modelli di caratterizzazione (es. potenziale di riscaldamento globale a 100 anni, potenziale di acidificazione).

In uno studio LCA occorre preliminarmente definire quali impatti esaminare e come essi devono essere computati, indicando:

Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)

Coltivazione Trasporto Estrazione

Olio

Motore

Diesel

Gasolio e

lubrificante Fertilizzanti

Produzione

macchine Diserbanti

Energia

Elettrica

Semi Olio

Emissioni

Emissioni Emissioni Emissioni

Energia

Elettrica

Panello

Produzione

macchine Lubrificante Produzione

macchine

Gasolio e

lubrificante

Produzione

macchine

Energia

Termica

Assunzioni di base: condizioni climatiche Sardegna, resa media 1800 kg/ha, 44% in olio, spremitura meccanica

(80% di resa), distanza media di trasporto 50 km, rendimento motore Diesel 44%.

Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)

Consumo Energia Primaria: 11515 MJ

Consumo Evitato di Energia: 26780 MJ

Risparmio Netto di Energia: 15265 MJ (57% circa)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Motore Diesel

8945 MJ 105 MJ 315 MJ 2150 MJ

1800 kg 615 kg

2850 kWh

Semi Semi Olio

Bilancio Energetico Globale (MJ primari)

Produz. Evitata

26780 MJ

Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)

Emissioni dirette: 1673 kgCO2eq

Emissioni evitate: 1780 kgCO2eq

Risparmio netto: 107 kgCO2eq (6% circa)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Motore Diesel

1032 kgCO2eq

6 kgCO2eq

5 kgCO2eq

630 kgCO2eq

1800 kg 615 kg

Semi Semi Olio

Riscaldamento globale (GWP 100 anni)

2850 kWh

Produz. Evitata

1780 kgCO2eq

Esempio: Filiera delle oleaginose (colza)

Emissioni dirette: 17,5 kgSO2eq

Emissioni evitate: 8,3 kgSO2eq

Risparmio netto: -9,2 kgSO2eq (+ 110 % circa!!)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Motore Diesel

15,6 kgSO2eq

0,1 kgSO2eq

0,1 kgCO2eq

1,7 kgSO2eq

1800 kg 615 kg

Semi Semi Olio

Potenziale di acidificazione

2850 kWh

Produz. Evitata

8,3 kgSO2eq

Esempio: Filiera pianta intera (cardo)

Trasporto Impianto a

vapore

Gasolio e

lubrificante

Balle

Emissioni Emissioni

Produzione

macchine

Lubrificante,

Chemicals

Produzione

macchine

Energia

Elettrica

Energia

Termica

Coltivazione Trasporto Estrazione

Olio

Motore

Diesel

Gasolio e

lubrificante Fertilizzanti

Produzione

macchine Diserbanti

Energia

Elettrica

Semi Olio

Emissioni Emissioni Emissioni

Energia

Elettrica

Panello

Produzione

macchine Lubrificante Produzione

macchine

Gasolio e

lubrificante

Produzione

macchine

Energia

Termica

Esempio: Filiera pianta intera (cardo)

Consumo Energia Primaria : 10129 MJ

Consumo Evitato Energia: 93786 MJ

Risparmio Netto Energia: 83657 MJ (89 % circa)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Sezione Potenza

750 + 10000 kg

Semi + Paglie Semi Olio

Paglie

7070 MJ 1668 MJ 101 MJ 1290 MJ

Bilancio Energetico Globale (MJ primari)

9855 kWh

Produz. Evitata

93786 MJ

Esempio: Filiera pianta intera (cardo)

Emissioni dirette: 1266 kgCO2eq

Emissioni evitate: 6232 kgCO2eq

Risparmio netto: 4966 kgCO2eq (80% circa)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Sezione Potenza

853 kgCO2eq

99 kgCO2eq

2 kgCO2eq

312 kgCO2eq

750 + 10000 kg

Semi + Paglie Semi Olio

Riscaldamento globale (GWP 100 anni)

Paglie

9855 kWh

Produz. Evitata

6232 kgCO2eq

Esempio: Filiera pianta intera (cardo)

Coltivazione Trasporto Estrazione Olio

Sezione Potenza

750 + 10000 kg

Semi + Paglie Semi Olio

Paglie

20,6 kgSO2eq

0,6 kgSO2eq

0,1 kgCO2eq

60 kgSO2eq

Potenziale di acidificazione

Emissioni dirette: 81,3kgSO2eq

Emissioni evitate: 29,2 kgSO2eq

Risparmio netto: -52,1 kgSO2eq (+ 78 % circa!!)

9855 kWh

Produz. Evitata

29,2 kgSO2eq

Esempio: Biomasse Residuali

Trasporto Impianto a

vapore

Gasolio e

lubrificante

Cippato

Emissioni Emissioni

Produzione

macchine

Lubrificante,

Chemicals

Produzione

macchine

Raccolta e

Cippatura

Produzione

macchine

Gasolio e

lubrificante

Emissioni

Energia

Elettrica

Energia

Termica

Manca la fase della coltivazione (che incide per il 75-80% sul totale delle emissioni dirette), sostituita da quella di

raccolta e cippatura, anche se può essere rilevante la fase di trasporto fino all’impianto a vapore.

Esempio: Biomasse Residuali

Consumo Energia Primaria: 2960 MJ

Consumo Evitato Energia: 85910 MJ

Risparmio Netto Energia: 82950 MJ (96 % circa)

Raccolta e Cippatura

Trasporto Sezione Potenza

10000 kg

Cippato

860 MJ 1450 MJ 650 MJ

Bilancio Energetico Globale (MJ primari)

9028 kWh

Produz. Evitata

85910 MJ

Esempio: Biomasse Residuali

Raccolta e Cippatura

Trasporto Sezione Potenza

10000 kg

Cippato

94 kgCO2eq

86 kgCO2eq

260 kgCO2eq

Riscaldamento globale (GWP 100 anni)

Emissioni dirette: 440 kgCO2eq

Emissioni evitate: 5709 kgCO2eq

Risparmio netto: 5269 kgCO2eq (92% circa)

9028 kWh

Produz. Evitata

5709 kgCO2eq

Esempio: Biomasse Residuali

Potenziale di acidificazione

Emissioni dirette: 62,7 kgSO2eq

Emissioni evitate: 26,7 kgSO2eq

Risparmio netto: -36,0 kgSO2eq (+ 135 % circa!!)

Raccolta e Cippatura

Trasporto Sezione Potenza

10000 kg

Cippato

2,2 kgSO2eq

0,5 kgSO2eq

60 kgSO2eq

9028 kWh

Produz. Evitata

26,7 kgSO2eq

La sostenibilità nella attuale normativa Decreto MSE 6 Luglio 2012

Sono previste diverse tipologie di biomasse: a) prodotti di origine biologica b) sottoprodotti di origine biologica c) rifiuti con frazione biodegradabile determinata a forfait d) rifiuti non provenienti da raccolta differenziata;

Per i bioliquidi, gli incentivi sono subordinati al rispetto dei criteri di sostenibilità della direttiva 2009/30/CE;

Il Decreto 6 luglio 2012 prevede premi per:

a) impianti con potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di

gas serra (10 €/MWh) e biomasse da filiera (20 €/MWh);

b) impianti con ridotte emissioni inquinanti (30 €/MWh);

c) impianti operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da

10 a 40 €/MWh).

Criteri di sostenibilità dei Biocarburanti Dlgs n. 55 del 31 Marzo 2011

Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

Risparmio emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

Le Biomasse: opportunità e criticità

Le biomasse possono certamente concorrere all’incremento della produzione energetica da fonti rinnovabili (FER), nel cui ambito costituiscono una fonte programmabile;

Gli impianti a biomassa necessitano di un combustibile non disponibile gratuitamente e quindi possono determinare elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio;

Le filiere di conversione energetica non sono tutte uguali e il bilancio energetico e ambientale è molto favorevole soprattutto nel caso di filiere corte, di utilizzo di biomasse residuali e di applicazioni cogenerative;

Il problema della competizione fra coltivazioni ad uso energetico e alimentare deve essere governato, specie su larga scala e sul medio-lungo periodo.