UN PROGETTO PER LA RAZIONALIZZAZIONE DELLE POLITICHE DI SOSTENIBILITÀ ENERGETICA Seminario “La sfida della sostenibilità energetica per le imprese agricole” 9 Dicembre 2013 – Incubatore d’impresa Sviluppo Basilicata - Metapontum - Metaponto di Bernalda, Mt Valorizzazione Energetica delle biomasse Giacobbe Braccio Unità Tecnica Tecnologie Trisaia C.R. Enea Trisaia - SS Jonica 106, km 419 + 500 Giacobbe.braccio@enea.it

The EU targets by 2020 and 2050 Energia (Elettricità e Calore) Pacchetto Clima e Energia (2009/28/CE) Obiettivo: 20-20-20 20 % reduzione emissioni GHG (T < 2 °C) vs 1990 20 % riduzione consumi di energia 20 % aumento produzione da FER 10% aumento nel trasporto Energy Roadmap verso il 2050 “Low carbon economy” Riduzione emissioni GHG del 80 -95 % vs livelli del 1990 GREEN PAPER A 2030 framework for climate & energy policies (competitività, sostenibilità economica e la maturità delle tecnologie, 30 % di bioprodotti al 2030) Il quadro strategico delinea come obiettivi principali per il 2030 la riduzione delle emissioni di gas ad effetto serra, la garanzia dell’approvvigionamento energetico ed il sostegno alla crescita, alla competitività e all’occupazione, da realizzarsi secondo un approccio efficiente in termini di costi e fondato sull’impiego dell’alta tecnologia ktoe Energia (Elettricità e Calore) Carburanti x Trasporto Bioraffineria L’impiego delle Biomasse sarà cruciale per il conseguimento dei target EU al 2020 G.F. De Santi – Institute for Energy and Transport (IET-JRC) - 21st European Biomass Conference & Exhibition Copenhagen, 3 June 2013

Sviluppo delle energie rinnovabili - Obiettivi

Contatore Bioenergie Elettriche FER elettriche 4.505 M€/Y al 31/08/2013 ( Totale Bioenergie elettriche 2.167 M€/y) (FV= 6700 M€/Y Raggiunto il 6 giugno 2013) 4

Contatore Tariffa Omnicomprensiva Fonte : GSE Impianti da 600 kW a 1 MW 88.2 % Biomasse 4.7% Bioliquidi 5.0% Biogas 71.1 % 5

Contatore Certificati Verdi Impianti > 10 MW Fonte : GSE 82.5 % Biomasse 9.3% Bioliquidi 12.8% Biogas 4.4 % 6 3) Per gli impianti alimentati da rifiuti gli oneri sono riferiti solo all'incentivazione della parte biodegradabile

Incentivi alla produzione di energia da biomasse DM 6 luglio 2012 Allegato 1 – Vita utile convenzionale, tariffe incentivanti e incentivi per i nuovi impianti Esempi di tariffe 0÷300 kWe Nell’ipotesi più favorevole: A. Colture dedicate: 229 + 40 (CHP) + 30 (emissioni) = 299 €/MWh B. Sottoprodotti : 257 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 327 €/MWh Esempi di tariffe 300÷1.000 kWe A. Colture dedicate: 180 + 40 (CHP) + 30 (emissioni) = 250 €/MWh B. Sottoprodotti : 209 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 279 €/MWh

Biogas: sistema incentivante fissa e costante per 20 anni Fonte Tipologia Potenza kW Tariffa base CAR CAR teleriscald. Filiera tab 1 B Biomasse Riduzione Gas serra Emissioni Recupero Azoto 60% Recupero Azoto 30% Rimozione azoto 40% B I O G A S Prodotti di origine biologica 1<P<300 180 40   30 20 15 300<P<600 160 600<P<1000 140 1000<P<5000 104 P>5000 91 Sottoprodotti di origine biologica ( tab. 1 A) e rifiuti non provenienti da raccolta differenziata 236 10 206 178 125 101 Rifiuti per i quali la frazione biodegradabile è determinata forfetariamente 1<P< 1000 216 109 85

Trasformazioni energetiche Biomassa TERMOCHIMICI ESTRAZIONE OLI BIOLOGICI gassificazione pirolisi digestione anaerobica combustione esterificazione syn-gas fermentazione alcolica bio-olio syn-gas carbone bio-gas CALORE biodiesel etanolo 9

Tecnologie mature per valorizzazione energetica biomasse Combustione diretta: impiegata quasi esclusivamente per la produzione di energia elettrica tramite impianti di potenza media intorno ai 5-10 MW rendimento elettrico del 20-25% e consumi specifici di biomassa di circa 1-1,4 kg/kWh trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose e bioetanolo da specie zuccherine e amidacee): tecnologie di produzione da colture agricole dedicate ormai consolidate, produzione in costante aumento produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o agroindustriali 10

TECNOLOGIE VICINE ALLA MATURITA’ Gassificazione biomassa: Il processo consiste nella trasformazione di un combustibile solido in combustibile gassoso i componenti combustibili presenti nel gas prodotto sono CO, H, idrocarburi; Le tecnologie più diffuse sono quella a letto fisso e quella a letto fluido, la ricerca è focalizzata allo sviluppo di processi di gassificazione finalizzati a produrre gas di qualità e basso contenuto di catrami, nonché a tutta le sezioni di purificazione. Altro interesse forte per la gassificazione è la produzione di combustibili liquidi sun-diesel Produzione di bioetanolo da lignocellulosiche Tecnologie più distanti dalla maturità gassificazione per produzione di combustibili liquidi sun-diesel Pirolisi delle biomasse per produzione di biolii 11

Proprietà delle biomasse residuali Tipo P.C.I. [MJ/kg] ss Densità [kg/m³] Densità energetica [GJ/m³] Dimensioni tipiche [ø mm] Ceneri [%] Legno catasta 17-19 280-600 4,4-9,3 50-250 0,1-3 Cippato 200-300 3,1-4,7 5-30 Segatura 170-250 2,6-3,5 0,1-0,5 Paglia di frumento 17,6 40-350 0,6-5,2 2-5 7-9 Stocchi di tabacco 17,8 40-70 0,6-1 2-3 Potatura di olivo 90-200 1,4-3 10-80 4-5 Lolla di riso 18 110-130 1,6-1,9 2-4 16-19 Sansa esausta 19,7 400-500 6,6-8,4 0,1-4 4-6 Gasolio 42 Gas naturale 48 Carbone 29 Idrogeno 120 Potere calorifico di alcuni combustibili tradizionali [MJ/kg]: 12

Energia elettrica da biomasse lignocellulosiche gassificazione a letto fisso/MCI combustione con turbina ORC gassificazione a letto fluido con MCI combustione con turbina a vapore 100 500 1.000 2.500 5.000 400 50 10.000 50.000 800 4.000 8.000 20.000 40.000 80.000 400.000 potenza (kWel) necessità annua biomassa (tonnellate di sostanza secca) 13 13

La gassificazione della Biomassa: il processo “Frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica proveniente dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani” (Decreto Legislativo 28/2011). Gassificazione “Dry” (biomassa “secca” - % umidità <50 %p) Gassificazione Supercritica (% umidità >70 %p) Lignocellulosic Residues: Agricultural Residues (cereal straw, pruning), Forest Residues, Residues from food industry, Wood Residues (sawdust, chips), Organic fraction of MSW; Dedicated Energy Crops: Trees: poplar, willow, black locust (robinia pseudoacacia) trees Gassificante Agente Composizione Gas Secco (% v) PCI (MJ/Nm3) H2 CO CO2 CH4 N2 C2H4 Aria 9-10 12-15 14-17 2-4 56-59 < 1 3.8-4.6 Ossigeno 30-34 30-37 25-29 4-6 2-5 Vapore 32-41 24-26 17-19 10-12 2-3 12-13 Impieghi gas Combustibile Comb./Chemicals

La gassificazione della Biomassa: Le applicazioni MCI Turbina a Gas HT Fuel Cell Stirling Dipendentemente dal processo di produzione, si ottiene un gas di potere calorifico variabile, daI basso al medio PC, che si presta per la produzione di energia elettrica e calore, attraverso tecnologie convenzionali o avanzate. Il gas di medio PC si presta anche per la produzione di vettori energetici secondari (CH4, FT, MeOH, H2 etc.) e di chemicals.

La gassificazione della Biomassa: Conversione in Biofuels Biomass To Liquid (BTL) Consumo GN (2011) 77.9 Miliardi m3 3000 GJ/anno (90% importazione) SNG + Biogas da immettere in rete FT fuels production costs Biomass costs: 7.3 €/GJFT (4€/GJBM) SNG production costs Biomass cost: 4 €/GJ for the 100 and 1000 MWth; e.g. imported biomass) 2 €/GJ for the 10 MWth 15 €/GJFT confront. quando Oil price of ~60 $/bbl Prezzo GN: 6 €/GJ Necessary support for production of SNG Petrolio (2013) : 100- 110 €/bbl

La gassificazione della Biomassa: Produzione Elettrica Electric power supply (kW) Uso Finale  el (% LHV gas) Motore Stirling < 20 MCI (& ORC) 25-30 (35) Turbina a Gas (TG) 35 - 40 HTFC 50 -70 // gassificazione Provato R&S

Reattori da piccola a media taglia Quali tecnologie: Reattori da piccola a media taglia Letti Fissi Up-Draft Down-Draft Letti Fluidi Bollente Circolante A differenza dei primi dove nel reattore risiede solo la biomassa, i secondi operano in presenza di sabbia, un mezzo che aiuta a mantenere alta ed uniforme la temperatura. solitamente la sabbia è naturale. T. Bridgwater. Review Biomass for energy. J Sci Food Agric 86:1755–1768 (2006)

Gli impianti di gassificazione Biomasse in Italia Reattori a letto Fisso Up-Draft ; Down-Draft DownDraft // MCI Up-Draft // Stirling (no Gas Cleaning)

Gas Comb., H2, Syngas for BioFuels; SMG … Il ruolo dell’attività di R&S BIOMASSA Gas Comb., H2, Syngas for BioFuels; SMG … Step chiave alla Maturità tecnologica Maturità e fruibilità Tecnologia Design e modellazione reattori Gas cleaning e condizionamento Efficienza negli usi finali Integrazione e scale-up di impianto Integrazione FER (Biomasse e Solare) Ridurre i costi di produzione

IMPIANTI DI GASSIFICAZIONE ENEA TRISAIA Biomassa Ossigeno Vapore Syngas pulito SYNGAS COMPOSITION Fluidized bed –Internally recirculating enriched air/steam 1MWth Coupled with ICE for power generation %Vol. H2 32 CO 17 CH4 6.2 N2 0.9 CO2 20.9 H2O Fluidized catalitic bed – external recirculating Air/steam 550kWth Coupled with ICE or FC for power generation, Fisher Tropsch Biomassa Vapore Aria Syngas pulito Fumi di Combustione SYNGAS COMPOSITION %Vol. H2 34.1 CO 25.1 CH4 10.4 N2 9.6 CO2 20.8 Biomassa Syngas grezzo Aria Vapore UPDRAFT fixed bed Air/steam 200kWth Coupled with ICE for power generation, Fisher Tropsch SYNGAS COMPOSITION %Vol. H2 20 CO 21 CH4 4 N2 40 CO2 6 H2O 9 Gas grezzo Aria Zona di combustione DOWNDRAFT fixed bed Air/steam 150-450kWth Coupled with ICE for power generation SYNGAS COMPOSITION %Vol. H2 15 CO 22 CH4 3 N2 40 CO2 20

Gassificatore BFB con circulazione interna (1MWth ICBFB, Brevettato) Es.: Integrazione degli step di gassificazione & purificazione gas La tecnologia attualmente più consolidata per la purificazione del gas e’ del tipo ‘a valle’ (downstream). I costi per il trattamento del gas possono contribuire fino al 40 % del costo di investimento. Una possibilità di ridurre i costi, e al tempo stesso aumentare l’efficienza del processo e’ una integrazione spinta del gas cleaning & conditioning direttamente nel reattore di gassificazione Impianto Compatto Riduzione costi di investimento (20-30%) Ridotte perdite termiche Gassificatore BFB con circulazione interna (1MWth ICBFB, Brevettato)

Grazie per l’attenzione

L’impianto da 8MWth di Gussing Component Range (Vol-%) H2 35 - 45 CO 20 - 30 CO2 15 - 25 CH4 8 - 12 N2 3 - 5 Component Raw gas Clean gas Unit tar 1,500 - 4,500 10 - 40 mg/Nm3 particles 5,000 – 10,000 <5 NH3 1000 - 2000 <400 ppm H2S n.m. 20 - 40 Type of plant Demonstration plant Fuel Power 8000 kW Electrical output 2000 kW Thermal output 4500 kW Electrical efficiency 25,0 % Thermal efficiency 56,3 % Electrical/thermal output 0,44 Total efficiency 81,3 % Cost category Amount Unit Investment cost 10 Mio. EURO Funding (EU, National) 6 Operation cost / year 10 - 15 % of investm. costs Price for heat (into grid) * 2,0 €-cents/kWhth Price for heat (consumer )* 3,9 Price for electricity * 16,0 €-cents/kWhel 5 Mio.€/MWel (*feed-in tariff in Austria; April 2004) Importante flagship sulla gassificazione di Biomassa per la produzione CHP et al.