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C.2 Biomassa 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07 Con alcune eccezioni, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice.

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1 C.2 Biomassa 1 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Con alcune eccezioni, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica. Sono da escludere le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici. Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, di natura estremamente eterogenea.

2 C.2 Biomassa 2 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dellenergia solare. Tramite lenergia solare le piante riescono a convertire la CO 2 atmosferica in materia organica, attraverso il processo di fotosintesi. In questo modo vengono fissate complessivamente circa 2·10 11(*) tonnellate di carbonio allanno, con un contenuto energetico dellordine di 70·10 3 Mtep. La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente trasformandoli in combustibili solidi, liquidi o gassosi. (*) Prof. Ing. Francesco Martelli

3 C.2 Biomassa 3 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Possiamo distinguere le seguenti tipologie di biomasse: Residui forestali e del legno, derivati da attività di segherie, industrie di trasformazione, manutenzione boschiva Sottoprodotti agricoli, paglie, stocchi, sarmenti di vite ramaglie di potatura Residui agroindustriali, sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso, provenienti di industrie alimentari Colture energetiche, finalizzate alla produzione di biomasse sia erbacce (girasole, colza, barbabietole, canna da zucchero,etc.) Residui industrie zootecniche, letame, liquami Rifiuti urbani Residui del legnoSottoprodotti agricoli Colture energetiche

4 C.2 Biomassa 4 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Immagazzinabile-Stoccabile Convertibile in combustibili solidi, gassosi o liquidi con buoni poteri calorifici Sfruttamento di zone inutilizzate dallagricoltura e conseguente creazione di occupazione nelle zone rurali Ciclo emissioni di CO 2 - le piante la riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi) Vantaggi Abbondante – si trova in quasi ogni parte della terra, dove siano presenti alghe, alberi, letame... Fonte di Energia Rinnovabile – grazie alla possibilità del rimboschimento

5 C.2 Biomassa 5 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica superficie minima di ha produzione superiore a 17 ÷ 25 t per ha La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione Sistema di gestione (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura della risorsa Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità (bulk density) si è studiato che cè convenienza economica se la distanza tra approvvigionamento e impianto non supera le 100 miglia (160 km) Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali/meteo Produzione non costante durante lanno Contenuto di umidità variabile Svantaggi

6 C.2 Biomassa 6 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno), lutilizzo di questa fonte però ha un forte grado di disomogeneità. Nei paesi del Terzo Mondo complessivamente ricavano il 38% del loro fabbisogno dalle biomasse, 48 milioni TJ/anno, in alcuni di questi si riesce a raggiungere anche il 90%, tramite combustione del legno, paglia e rifiuti animali.

7 C.2 Biomassa 7 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Nei Paesi Industrializzati, le biomasse costituiscono il 3% del fabbisogno con 7 milioni TJ/anno. USA il 3,2% del fabbisogno 3,2 milioni di TJ/anno la seconda fonte rinnovabile dopo lidroelettrica Europa il 3,5% complessivo di cui in ordine: - Francia - Germania - Svezia - Finlandia - Portogallo - Belgio massimi produttori minor produzione

8 C.2 Biomassa 8 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Nel 2004 lutilizzo di biomassa per usi energetici era pari a 2741 PJ (1Peta = ). Il legno risulta essere la forma di biomassa più utilizzata. I residui solidi industriali occupano invece il secondo posto. Fonte: Eubionet2

9 C.2 Biomassa 9 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

10 C.2 Biomassa 10 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

11 C.2 Biomassa 11 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

12 C.2 Biomassa 12 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

13 C.2 Biomassa 13 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Varia notevolmente in relazione al tipo di biomassa e allo stoccaggio applicato. In molti casi un pretrattamento di essiccatura prima dellinserimento in camera di combustione Contenuto elevato di umidità: Riduzione della temperatura di combustione Aumento del tempi di residenza Aumento di volume dei gas prodotti nella combustione Aumento (in fase di progetto) delle dimensioni della camera di combustione Aumento costi di investimento Diminuzione dellefficienza Si può compensare adottando sistemi di recupero del calore, scambiatori Aumento costi di investimento Umidità Il tasso di umidità ha un ruolo importante, poiché l'acqua richiede un elevato calore di vaporizzazione:

14 C.2 Biomassa 14 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Le principali applicazioni della biomassa sono: Produzione di energia tramite la trasformazione dei combustibili ottenuti dalla biomassa per produzione di calore ed energia elettrica Sintesi di carburanti ottenuti da biomasse per la trazione automobilistica e navale Sintesi di prodotti in analogia a quelli ottenibili dai combustibili fossili, lubrificanti, materie plastiche, colle,... McNeil Station 50MWh wood-fire, Burlington (Vermont,USA)

15 C.2 Biomassa 15 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Pirolisi Cofiring Gassificazione Combustione Digestione Anaerobica Digestione Aerobica Processi biologici o biochimici Processi termochimici

16 C.2 Biomassa 16 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Processi Termochimici Sono processi basati sullazione del calore necessario a trasformare la materia in energia, si utilizzano per i prodotti e per i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%. Le biomasse più adatte a subire tale tipo di processi sono: Legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc..) Sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei frumenti) Scarti di lavorazione ( lolla, pula, gusci, noccioli..)

17 C.2 Biomassa 17 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A COFIRING Viene sostituita una porzione (circa il 15 – 20%) del carbone con biomassa, possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella stessa caldaia o utilizzando alimentazioni separate, permette la riduzione della CO 2 ed SO 2 (anidride solforica). Consiste nellutilizzare la biomassa come combustibile complementare al carbone o al gas naturale.

18 C.2 Biomassa 18 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Nel caso di combustione con gas naturale non è particolarmente interessante sotto il profilo delle prestazioni termodinamiche e del contenimento dei costi, richiede: gassificazione delle biomasse interventi di adattamento dei parametri di funzionamento e modifiche strutturali del TG, a causa del basso potere calorifico del syngas e della diminuzione di temperatura di fiamma complesso equipaggiamento di pulizia del syngas, per soddisfare le elevate specifiche di purezza richieste dalla turbina. Linteresse per questa soluzione è legato soprattutto alla possibilità che essa offre di risparmiare gas naturale e conseguentemente ridurre le emissioni di CO 2.

19 C.2 Biomassa 19 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Pirolisi È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante lapplicazione di calore a temperature comprese fra i 400 – 800°C, in completa o parziale assenza di ossigeno. Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un combustibile dal potere calorifico di 4 – 7 MJ/Nm3. I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni differenti in funzione del tipo di processo utilizzato ( pirolisi lenta, veloce o convenzionale)

20 C.2 Biomassa 20 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La pirolisi del Legno viene fatta in tre stadi: 1. disidratazione: legna + calore legna secca + vapor acqueo 2. pirolisi: legna secca + calore carbone vegetale + pece + gas (CO, CO 2, H 2 O, CH 4 ) 3. combustione: carbone + ossigeno + H 2 O CO + H 2 + CO 2 + calore La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tasso di umidità non deve superare il 20%. Lessiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando la biomassa per un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppure mediante l'impiego di forni, con apporto di calore ad una temperatura intorno ai 100°C, per evitare possibili accensioni del vegetale.

21 C.2 Biomassa 21 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si ottengono prodotti diversi, a seconda delle temperature raggiunte. Produzione di gas a temperatura di 600°C e sino a °C composto da H 2, CO, CO 2 (questultime in percentuali sempre più basse), con potere calorifico di circa 3000 kcal/Nm 3 Carbonizzazione per valori sino a °C, che origina carbone di legna corrisponde al 30-35% del materiale secco di partenza (il carbone di legna ha un contenuto di carbonio compreso nel campo 75÷85%, ed un potere calorifico di circa 6000/7000 kcal/kg),

22 C.2 Biomassa 22 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A GASSIFICAZIONE È un processo endotermico a due stadi per mezzo dei quali il combustibile (biomassa o carbone) è convertito in gas a basso o medio potere calorifico 4000 – KJ/Nm 3. Prima stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a temperatura inferiori a i 600°C da un insieme di reazioni complesse. Questi componenti sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO 2, nerofumo e vapor acqueo. Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengono vaporizzate in una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parte incombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire il calore necessario per le reazioni endotermiche di gassificazione.

23 C.2 Biomassa 23 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A La gassificazione degli RSU ha come prodotto un gas di sintesi (syngas) che alimenta la turbina a gas dell'impianto a ciclo combinato. Ciò con le seguenti principali finalità: La gassificazione può contribuire allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e/o all'utilizzo del combustibile da rifiuti 1.rimuovere le barriere tuttora esistenti sull'applicazione delle tecnologie di gassificazione degli RSU; 2.favorire la diffusione dei cicli combinati a gas che restano una delle tecnologie ambientalmente più valide per la produzione di elettricità; 3.ampliare il ricorso alle fonti rinnovabili (il tasso di rinnovabilità degli RSU è correntemente indicato nel 66%) 4.evitare il ricorso al conferimento di discarica degli RSU.

24 C.2 Biomassa 24 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

25 C.2 Biomassa 25 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A COMBUSTIONE Ad esempio paglie di cereali, residui di piante da fibra tessile ( cotone, canapa...), residui di piante oleaginose (ricino, catramo...), residui legnosi di piane da frutto e di piante forestali, residui dellindustria agro alimentare. Si tratta della combustione diretta in apposite caldaie, di legname in tutte le sue forme.

26 C.2 Biomassa 26 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

27 C.2 Biomassa 27 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Tra i materiali più noti citiamo i Pellets scarti dell'industria del legno (segatura, polveri ) ottenuti dalla sfibratura e polverizzazione dei residui legnosi, in seguito pressati in apposite macchine per formare cilindretti di diverse lunghezze e spessori, hanno un potere calorifico kcal/kg APPLICAZIONI Abitazioni private Uso industriale Teleriscaldamento

28 C.2 Biomassa 28 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Mercato dei pellets in Europa Fonte: Eubionet2

29 C.2 Biomassa 29 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

30 C.2 Biomassa 30 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Siamo di fronte ad un impianto di riscaldamento ad acqua classico, in cui al posto della caldaia a tubi di fumi che adotta come combustibile gasolio o gas metano, si utilizza un camino. In funzione delle dimensioni del camino si possono avere maggiori quantità di acqua calda prodotta ad esempio un termocamino di 0.44 m 3 può fornire 25 kcal con una portata evolvente di 600 l/h. % di umiditàPotere calorifico kcal/kg 15% % % % % %2300 Potere calorifico della legna (Fonte: Unical) Le temperature di esercizio si aggirano tra i 65°C ed i 70°C. Il termocamino è una caldaia a tubi dacqua, sfrutta il calore dei fumi caldi provenienti dalla combustione diretta del legname o dei pellets o del cippato, per scaldare lacqua.

31 C.2 Biomassa 31 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Il termocamino è regolato da un quadro elettrico che controlla tutti i parametri della caldaia, comandando una valvola a tre vie. Come si può vedere dalla figura il resto dellimpianto è analogo a quello di un normale riscaldamento domestico. Allavvio del camino la valvola a tre vie impedisce che lacqua vada ai radiatori sino a che non ha raggiunto la temperatura necessaria. Questa soluzione può essere inserita anche in un impianto di riscaldamento già preesistente.

32 C.2 Biomassa 32 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Processi biologici o biochimici Permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi, micro-organismi naturali, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse il cui rapporto C/N si inferiore a 30 e lumidità alla raccolta superiore al 30%. Si utilizzano le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali ( foglie e steli di barbabietola, ortive, patata,…), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione,…), nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate.

33 C.2 Biomassa 33 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Digestione Anaerobica La digestione anaerobica è un insieme di processi biologici mediante i quali le sostanze organiche possono essere "digerite" in un ambiente privo di ossigeno, arrivando alla produzione di: Gas combustibile biogas costituito per il 50 – 70% da metano e per la restante parte da CO 2 il potere calorifico medio è dellordine di KJ/m 3. Fanghi humificati e mineralizzati, il materiale organico, originariamente putrescibile, e stato trasformato in un prodotto metastabile ed innocuo, soggetto a decomposizione molto lenta contenente elementi nutritivi principali quali: azoto, fosforo e potassio. Utilizzati come fertilizzanti

34 C.2 Biomassa 34 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono suddivisi in: Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C. Tali batteri sono sempre presenti nella massa organica originale, si sviluppano in ambiente chiuso, e trasformano i composti organici in CH 4 e CO 2, utilizzando gli enzimi come catalizzatori biologici. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati con deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica dei residui solidi urbani.

35 C.2 Biomassa 35 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Digestione Aerobica Consiste nella metabolizzazione delle sostanza ad opera di batteri, che convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO 2 e H 2 O e producendo un elevato riscaldamento del substrato. Il calore prodotto può essere trasferito allesterno per mezzo dei uno scambiatore a fluido. Tale processo viene utilizzato per il trattamento delle acque di scarico.

36 C.2 Biomassa 36 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Lapplicazione delle biomasse nella produzione elettrica è possibile attraverso due tipi di approcci tecnologici: post-combustione post-combustione e rigenerazione

37 C.2 Biomassa 37 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Questo tipo di tecnologia si adatta al ripotenziamento degli impianti esistenti già esistenti, con turbine a gas di basso rendimento (intorno al 30%) o con temperature dei gas in uscita basse (inferiori per esempio a 750 K). Laumento di temperatura che i gas subiscono mediante postcombustione delle biomasse, è utile per innalzare la temperatura di ingresso nel GVR e migliorare lefficienza di scambio termico nel GVR e soprattutto lefficienza complessiva del ciclo di recupero. Post-combustione di biomasse (o syngas ottenuti dalla combustione delle biomasse), La combustine delle biomasse viene utilizzata per incrementare la temperatura dei gas di scarico della turbina, prima dellingresso nel GVR.

38 C.2 Biomassa 38 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Postcombustione delle Biomasse

39 C.2 Biomassa 39 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Questa soluzione è più interessante sotto il profilo dellefficienza termodinamica, del risparmio di gas naturale, ed è particolarmente adeguata alla progettazione di nuovi impianti. La postcombustione, consentendo un aumento della temperatura dei gas alluscita dalla turbina, migliora lo scambio termico nel GVR e le prestazioni della turbina a vapore La rigenerazione, cioè lutilizzo di parte del calore prodotto dalle biomasse per aumentare la temperatura dellaria in ingresso alla camera di combustione, permette di aumentare lefficienza del turbogas Post-combustione e rigenerazione

40 C.2 Biomassa 40 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A

41 C.2 Biomassa 41 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Valutazione Economiche La difficoltà di sviluppo del settore dello sfruttamento energetico delle biomasse è legata principalmente al superamento delle barriere non-tecniche (finanziamenti dei costi di investimento alquanto elevati, Politica Agricola Comunitaria, diffusione delle informazioni). Il costo dell'energia da biomassa è, attualmente, ancora generalmente maggiore di quello derivante dalle fonti fossili, ma vi è una tendenza verso la competitività, in tempi ragionevolmente brevi, da sostenere e valorizzare. In tutti i casi, tuttavia, il gap di costo tra le fonti rinnovabili e quelle fossili, sarebbe invertito se venissero considerati nell'analisi costi-benefici gli aspetti ambientali ed i costi sociali connessi alla combustione dei materiali fossili. (fonte: Min. Ambiente) tipologiabiomassaTradizionale Cofiring2,1 $/kWh2,3 $/kWh Impianto a Gas 9 $/kWh4-5 $/kWh Attualmente il cofiring con il carbone offre i vantaggi di bassi costi, di basso rischio, piccoli investimenti economici rispetto alla capacità di generazione e un periodo di payback al massimo di due anni.

42 C.2 Biomassa 42 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Valutazione Economiche Prezzi di vendita dicembre 2004

43 C.2 Biomassa 43 Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A Valutazione Economiche Prezzi di vendita giugno 2005


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