La combustione di biomasse per la generazione elettrica Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
Francesco De Luca
Enel Divisione Ingegneria e Ricerca
Le biomasse: una risorsa energetica rinnovabile e programmabile
Milano, 29 Maggio 2012
Il Gruppo Enel nel Mondo
0 – 500 MW Potenza installata
500 – 1000 MW 1000 – 2000 MW 2000 – 10000 MW > 10000 MW
• Potenza installata totale= 97 GW
• Nazioni= 40
• Clienti= 61 milioni
Milano, 29 maggio 2012 2 Biomasse: Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
Uso: Pubblico
Enel KPI generazione 2010
Fonte: Dati di Sostenibilità Enel 2010
Incremento % vs 2009
• La capacità rinnovabile installata del Gruppo Enel in tutta Europa e nelle Americhe (idroelettrica, geotermica, eolica, fotovoltaica e biomasse) ha già superato i 34 GW su una capacità totale del Gruppo di 97,3 GW. Nel settore delle energie rinnovabili, Enel Green-Power si conferma leader mondiale del settore.
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Uso: Pubblico
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Scenari di sviluppo per le Biomasse in Europa
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Uso: Pubblico
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• L’obiettivo in EU al 2020 è quello di raggiungere 43.2GW di capacità installata a biomassa, a fronte dei 23.6GW del 2010 e 15.7GW del 2005. In Italia si prevede un raddoppio della energia prodotta rispetto al 2010.
National Ren. Energy Action Plans
Produzione di elettricità da biomasse in EU (Eurelectric 2011)
• Il previsto spostamento dei consumi energetici verso l’elettrico rende essenziale il tema dell’efficienza di conversione.
Vision for 2020 and 2050
Linee Strategiche del Gruppo Enel per la crescita nel settore delle biomasse
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Uso: Pubblico
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• Perseguire l’Innovazione Tecnologica, monitorando le tecnologie emergenti e caratterizzando
con pilot-tests quelle prossime allo stadio commerciale; individuando nuove tecnologie con
elevati potenziali di crescita su cui investire.
• Stringere accordi di partenariato con le Associazioni Agricole (ANB, Terrae, CAI, ...),
riguardanti rispettivamente la riconversione del settore bieticolo-saccarifero verso la
produzione di energia, lo sviluppo di progetti di cooperazione nel settore delle agro-energie
finalizzati alla realizzazione di impianti a biomassa.
• Adozione delle Best available Technologies attraverso la progressiva conversione degli assets
di generazione verso sistemi di sempre maggior efficienza (p.e. high-efficiency coal plants,
innovative RES plants, renewable energy storage).
Progetti a biomasse realizzati in Italia “grande generazione”
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Uso: Pubblico
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• Sulcis-2 CFBC: Tecnologia a letto fluido circolante, capacità di 320 MWe, operante in co-
combustione carbone-cippato di legna, in esercizio dal 2006, impianto progettato e realizzato
per questo assetto di funzionamento; efficienza 40%.
• Fusina 3/4: Tecnologia a polverino di carbone, capacità di 320 MWe cad., operanti in co-
combustione carbone-RDF, in esercizio in tale assetto dal 2004, adeguamento tecnologico di
impianti già esistenti; efficienza 35%.
• CTE “Mercure”: Teconologia a letto fluido bollente, capacità 35 MWe, operante con sola
biomassa legnosa, retrofit di una centrale a olio combustibile, entrata in esercizio attesa a
fine 2012; efficienza 26%.
Programmi di Ricerca e Sviluppo Integrazione, efficienza e sostenibilità
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Uso: Pubblico
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• BIOmasse-GEOtermia: Surriscaldamento del fluido geotermico con il calore ottenuto dalla
combustione di biomassa.
• Mini-Biomasse: Sviluppo e realizzazione di Impianti (Power e/o Heat&Power) che utilizzano
la biomassa disponibile presso aziende partner (agricole e consorzi), basati su tecnologie
efficienti e di semplice gestione.
• Scouting e Sviluppo Tecnologico: Selezione, valutazione e caratterizzazione di tecnologie
emergenti per la generazione su piccola scala c/o l’Area Sperimentale di LI.
• Assessment delle risorse: Valutazione della disponibilità e della catena del valore di biomasse
forestali e di coltivazioni dedicate, Verifica dei criteri di sostenibilità per lo sviluppo di filiere
locali di approvvigionamento.
Esperienze di co-combustione Enel in Italia Combustione mista carbone-biomassa in letto fluido
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Uso: Pubblico
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Sulcis
Centrale Termoelettrica del Sulcis • Sulcis 2, 340 MWe, Letto Fluido Circolante • Sulcis 3, 240 MWe, Polverino di carbone
SU 3 SU 2
Area Biomassa
Stoccagigo Biomassa
Sulcis-2 co-combustione in letto fluido Caratteristiche principali dell’Impianto
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Uso: Pubblico
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• Tipo di caldaia: Letto fluido circolante - Alstom Power – costituito da 3 sezioni (A, B e C), ognuna con un ciclone dedicato
• Contributo termico della biomassa: 15%
• Portata di biomassa alimentata in caldaia: max 45 t/h
• Efficienza netta: 40 %
• Sistema di Depolverazione fumi: filtro a maniche
• Assorbimento della SO2 con calcare all’interno del letto
• Basse emissioni di Nox th grazie alle basse Temp del letto (850• C)
• Limiti di emissione autorizzati: NOx 200 mg/Nm3
SO2 200-400* mg/Nm3
Dust 40 mg/Nm3
• In funzione della quantità di carbone domestico utilizzato
• Capacità del Sistema di ricezione della biomassa: 2 x 60 t/h
• Capacità dello stoccaggio giornaliero: 2 x 500 mc
• Capacità di Stoccaggio di lungo periodo: 24.000 t
Sulcis-2 co-combustione in letto fluido Principali risultati
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Uso: Pubblico
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• Riduzione di consumo di carbone
• Riduzione delle emissioni di CO2
• Accesso ai Certificati Verdi
• La tecnologia CFBC assicura un’ampia flessibilitò nei confronti del tipo di carbone e di biomassa che possono essere alimentati
• La co-combustione si è dimostrata una valida opportunità per il territorio locale grazie allo sviluppo di attività di produzione e fornitura di biomassa
kt/anno di cippato
Esperienze di co-combustione Enel in Italia Fusina 3&4 co-firing carbone-RDF
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Uso: Pubblico
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Fusina
FS 3 & 4
Edificio RDF
FS 1 & 2
Centrale termoelettrica di Fusina •Fusina 1 & 2, 165/171 MWe, Polverino di carbone •Fusina 3 & 4, 320 MWe, co-combustione Polverino di carbone-RDF
Fusina 3&4 co-combustione carbone-RDF Caratteristiche principali dell’impianto
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Uso: Pubblico
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• Tipologia Caldaia: Tangentially fired, dry-bottom boiler
• Combustibile primario: Polverino di carbone
• Combustibile secondario: RDF (Refused Derived Fuel)
• Efficienza netta: 35% • Caratteristiche vapore: 1050 t/h, 178 bar, 540 • C
• Apporto termico RDF: 5% (max 70.000 t/a totali)
• Iniezione del RDF in caldaia: miscelazione con il polverino a valle dei mulini e quindi iniezione attraverso gli stessi bruciatori
• Limiti di emissione autorizzati:
NOx 200 mg/Nm3
SO2 200 mg/Nm3
Dust 20 mg/Nm3
CO 30 mg/Nm3
NOx 185 mg/Nm3
SO2 200 mg/Nm3
Dust 20 mg/Nm3
CO 30 mg/Nm3
TOC 10 mg/Nm3 HCl 10 mg/Nm3
Media mensile
Media giornaliera (co-combustione)
Gruppi #3&4
Piani di alimentazione di RDF
Fusina 3&4 co-combustione carbone-CDR Principali caratteristiche del RDF
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Uso: Pubblico
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RDF utilizzato è di classe “Normal Quality”
Moisture (%w.)
Ash (%w.)
Sulphur (%w.)
Chlorine (%w.)
LHV (kcal/kg)
Normal Q. High Q.
Hg (ppm)
Intervalli Fusina
25 18 < 15
20 15 13 - 20
0,6 0,3 0,15 – 0,60
0,9 0,7 0,6 – 0,9
3.600 4.800 3.600 – 5.500
7 4 1,4 – 6,9
UNI 9903-2004
Separatore di materiali metallici e amagnetici
Mulini a lame per RDF 4x12,5 t/h
Vasca di ricezione del RDF (>30t/h)
Piattaforma di scarico dei camion in ingresso
Sistema di ricezione e pretrattamento del RDF in centrale
Fusina 3&4 co-combustione carbone-CDR Vantaggi principali
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Uso: Pubblico
Milano, 29 maggio 2012 Biomasse: Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
Quantità Massima annua di RDF autorizzata : 35.000 t Portata massima di RDF autorizzata per ogni Gruppo: 4,5 t/h
2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010(*)
1.200
18.400
27.000 32.100
22.500
55.000
38.000 (*) aggiornati al 30/10/2010
RDF plant revamping
70.000 t 9 t/h
Decrease of energy demand
• La pratica della co-combustione su impianti già esistenti rappresenta una delle scelte più efficaci per il recupero energetico dei rifiuti urbani, con costi di investimento (per adeguamento impianti) contenuti, produzione diretta di energia elettrica e senza la necessità di realizzare nuovi impianti.
• La tecnica della co-combustione carbone-RDF consente una elevata efficienza di conversione (35%), superiore del 40% rispetto ad un inceneritore (efficienza media 25%), assicurando, inoltre, un altissimo livello di protezione ambientale (controllo delle emissioni).
• L’utilizzo di questa tecnologia per il recupero energetico gioca un ruolo chiave nella realizzazione dei piani di gestione dei rifiuti e, sostituendo significative quote di combustibile fossile, contribuisce attivamente alla riduzione delle emissioni di CO2.
Progetti di combustione “solo biomassa” in Italia Retrofit CTE “Mercure”
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Uso: Pubblico
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Mercure
Centrale termoelettrica del Mercure •Sezione #2, 35 MWe, 100% biomassa legnosa
• Tipo caldaia: Letto fluido Bollente
• Potenza elettrica netta: 35 MW
• Rendimento netto: 26%
• Combustibile : (cippato di legno)
• Consumo di biomassa: 350.000 t/y
Riconversione a solo biomassa della CTE Mercure Principali interventi e Obiettivi
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Uso: Pubblico
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Istallazione nuovo combustore a letto fluido
Installazione Nuovo sistema di pulizia fumi
Ripristino delle torri evaporative
Ripristino impianto trattamento acque
Ripristino sistema movimentazione lignite
Bonifiche e demolizioni
Manutenzione macchinario principale
• Generare energia elettrica da biomasse nel rispetto della normativa italiana vigente e con costi di investimento contenuti.
• Riduzione delle emissioni di CO2 , accesso ai Certificati Verdi.
• Riattivare il sito produttivo Enel di Mercure.
• Valorizzare e potenziare il patrimonio e le attività agro-forestali locali, riutilizzare i residui delle lavorazioni del legno, ottimizzare il ciclo agro-alimentare.
Programmi di Ricerca e Sviluppo BIO–GEO: Integrazione Biomasse-Geotermia
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Uso: Pubblico
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Cornia
Cornia 2 Geothermal power plant •Situazione attuale: P ≈20 MWe, vapor saturo, 110 t/h, 153 • C, 5.2 bar •Situazione futura: P ≈25 MWe, 110 t/h, 380• C, 4.7 bar
BIO–GEO: Integrazione Biomasse-Geotermia Caratteristiche principali e vantaggi del Progetto
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Uso: Pubblico
Milano, 29 maggio 2012 Biomasse: Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
Vapore in
• Tipo caldaia: Griglia mobile
• Potenza caldaia: ≈16 MWth
• Potenza elettrica netta: 5 MWe
• Rendimento netto: 31%
• Combustibile : cippato di legno
• Consumo di biomassa: ≈5 t/h
• Costi di investimento limitati
• Incremento di energia prodotta:
≈40 GWh/a
• Possibilità di utilizzare il
macchinario elettrico esistente
Schema di flusso del surriscaldatore a biomassa
Progetto di Ricerca: Biomasse Valutazione risorse e Piccola generazione
Obiettivo strategico del progetto
Presidio degli sviluppi scientifici, tecnici e normativi nei campi della produzione e trasformazione energetica di
biomasse a supporto del business aziendale nei diversi Paesi di interesse.
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Uso: Pubblico
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Source: E4tech, 2009
Densification
Biomass to heat
Combustion
Gasification
Cofiring
BASIC R&D DEMONSTRATION EARLY COMMERCIAL COMMERCIAL
TORREFACTION PYROLISIS PELLETTIZATION
SMALL SCALE GASIFICATION
COMBUSTION IN BOILERS
STIRLING & EXTERNALLY FIRED
CYCLES
ORGANIC RANKINE CYCLES
COMBUSTION + STEAM CYCLES
INTEGRATED GASIFICATION
FUEL CELLS IGCC & IGGT
GASIFICATION + STEAM CYCLES
INDIRECT COFIRING
PARALLEL COFIRING
DIRECT COFIRING
Biomass to power & CHP Biomass to heat Biomass densification
Source: E4tech, 2009
Densification
Biomass to heat
Combustion
Gasification
Cofiring
BASIC R&D DEMONSTRATION EARLY COMMERCIAL COMMERCIAL
TORREFACTIONPYROLISIS PELLETTIZATION
SMALL SCALE GASIFICATION
COMBUSTION IN BOILERS
STIRLING & EXTERNALLY FIRED
CYCLES
ORGANIC RANKINE CYCLES
COMBUSTION + STEAM CYCLES
INTEGRATED GASIFICATION
FUEL CELLSIGCC & IGGT
GASIFICATION + STEAM CYCLES
INDIRECT COFIRING
PARALLEL COFIRING
DIRECT COFIRING
Biomass to power & CHP Biomass to heat Biomass densification
Mappa delle tecnologie per la generazione di piccola taglia
Progetto Biomasse Tecnologie di piccola taglia per Power e H&P
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Uso: Pubblico
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• Tecnologia: Externally Fired MicroGas-Turbine (EFMGT);
• Caldaia a griglia alimentata a biomassa legnosa (cippato);
• Pel = 80 kW; Pth = 250 kW;
• Consumo biomassa = 150 kg/h;
• ηel = 17%; ηcomplessivo =70%;
• Possibilità di scale-up fino a 500-600 kWel.
Microturbine
Heat generator
Recuperator
Air
Electricity
Exhausts Biomass
Mixer-pre-heater
Combustion chamber
T
Exh.
Air
Impianto EFMGT installato c/o l’Area sperimentale di Livorno
Schema di processo
Progetto Biomasse Test tecnologie emergenti su scala pilota - Pyroboiler
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Uso: Pubblico
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Caratteristiche Pyroboiler
Flessibilità massima sul combustibile;
Taglia di potenza < 1 MWe;
Medio costo investimento;
La biomassa passa attraverso il tamburo rotante dove l’alta temperatura la decompone in gas di pirolisi e char
Il syn-gas di pirolisi entra in un boiler dove viene combusto
Il char completa la combustione riscaldando il tamburo rotante
Sistema adatto a biomasse residuali, difficili da utilizzare con altri sistemi di conversione (residui lavorazione legno come cortecce, pollina e deiezioni animali polverulente, …)
Conclusioni Vantaggi competitivi nel settore delle Biomasse
Creazione di
nuove filiere
agro-energetiche
- Sviluppo dell’agricoltura locale, diversificando le possibilità di
scelta degli agricoltori
- Ricadute in termini occupazionali
- Recupero di terreni marginali non coltivati
- Tutela della biodiversità, arricchimenti della fauna e della
microfauna
Retrofit di
Impianti obsoleti
- Riduzione dei costi di investimento rispetto a nuovi impianti
- Disponibilità di nuova capacità produttiva in tempi rapidi
22 Milano, 29 maggio 2012 Biomasse: Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
Co-combustione
con carbone
- Elevata efficienza di conversione
- Riduzione delle emissioni di SO2 e metalli
- Riduzione delle emissioni di CO2
Attività di Ricerca
e Sviluppo
- Sviluppo di know-how proprietario da sfruttare per le
valutazioni di prefattibilità di iniziative di business del Gruppo
- Supporto alle Divisioni per l’ottimizzazione/sviluppo dei
progetti già realizzati
Grazie per l’attenzione
Francesco De Luca Enel - Divisione Ingegneria e Ricerca Area Tecnica Ricerca E-mail: [email protected] Tel: +390831255676
Uso: Pubblico
23 Milano, 29 maggio 2012 Biomasse: Progetti di Ricerca ed esperienze di utilizzo in Enel
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