Tecnologie di conversione delle biomasse: stato dell'arte e prospettive per l’industria agro-alimentare Cremona 18 marzo 2011 Ing. Giacobbe BRACCIO- Ing. Roberta ROBERTO (e-mail: giacobbe.braccio@enea.it ) tel 0835-974387

Sintesi Aspetti generali delle biomasse nel contesto nazionale Processi di conversione Tecnologie per produzione di energia elettrica e termica nel settore agricolo Attività di ricerca Enea 2

Obiettivo UE per ITALIA Le fonti rinnovabili devono raggiungere almeno il 17% dei consumi finali di energia al 2020 3 3

Riscaldamento e raffrescamento Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE

PIANO DI AZIONE PER LE RINNOVABILI 5

Elettricità Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE

Riscaldamento e raffrescamento Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE

Trasporti (ai fini dell’obiettivo 10%) Piano di azione nazionale per l’utilizzo delle Fonti Rinnovabili di cui alla Direttiva 2009/28/CE

Piano di azione nazionale per le energie rinnovabili BIOMASSE 2020 2005 Elettricità 1,8 Mtep ( 9,1) 0,4 Mtep riscaldameno/raffrescamento 5,5 Mtep (9,5) 1,65 Mtep Biofuels lordi 2,5 Mtep (2,9) 0,2 Mtep 2,25 Mtep TOTALE BIOMASSE 9,8 Mtep 6,94 Mtep TOTALE FR x ob. 17% 22,3 Mtep BIOMASSE RISPOSTE E MODELLI CON VALIDITÀ LOCALE 9

Censimento del Potenziale delle biomasse PARTNER DI PROGETTO Dipartimento di Economia e politica agraria Università di Napoli Federico II Dipartimento di Ingegneria Industriale CRB Università di Perugia Centro ricerche produzioni animali Spa Facoltà di Agraria Area Agronomia/Genetica Università di Bologna Agenzia Nazionale per le nuove Tecnologie, l’energia e lo sviluppo economico sostenibile

Portale WEB GIS sulla disponibilità delle Biomasse Bilancio Legno Forestale www.atlantebiomasse.enea.it Produttività Colture energetiche

www.atlante biomasse.enea.it Utilizzatori della piattaforma WEB GIS sulla disponibilità delle Biomasse RECEPITO ALL’INTERNO DELL’ACTION PLAN MSE PRESENTATO IL 30 GIUGNO 2010 PER L’IMPLEMENTAZIONE DELLA DIRETTIVA 2009/28/CE, LA 20-20-20 http://ec.europa.eu/energy/renewables/transparency_platform/action_plan_en.htm www.atlante biomasse.enea.it Green Power

Sanse + Vinaccia (kTEP) La disponibilità Biomasse in Italia (ENEA) REGIONI Paglie (kTEP) Potature (kTEP) Sanse + Vinaccia (kTEP) Totale Foreste (kTEP) Piemonte 949,67 47,71 26,93 111,07 Valle D'Aosta 0,08 0,74 0,17 0,47 Lombardia 1.385,77 17,32 9,43 104,82 Veneto 668,48 158,91 41,52 39,39 Trentino-Alto Adige 0,58 27,98 7,19 15,15 Friuli-Venezia Giulia 227,13 24,41 6,20 28,19 Liguria 1,62 8,38 2,99 41,76 Emilia-Romagna 596,38 172,49 34,79 102,40 Toscana 277,43 102,89 35,42 158,04 Marche 206,60 25,05 9,42 13,99 Lazio 167,36 107,29 31,50 48,63 Umbria 164,79 44,11 7,63 29,07 Abruzzo 87,83 125,69 30,55 26,03 Molise 62,62 13,63 16,13 18,94 Campania 121,41 124,06 36,59 51,87 Basilicata 173,22 21,63 6,43 28,26 Puglia 467,21 352,33 205,36 20,10 Calabria 81,27 438,19 105,51 66,58 Sicilia 280,45 258,84 103,53 11,07 Sardegna 99,62 52,34 15,99 28,14 TOTALE KTEP 6.019,50 2.123,98 733,28 943,97

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]: 14

Processi Conversione Biomasse a Fini Energetici Biomassa Estrazione Oli Termochimici Biologici M%<50 C/N>30 M%>50 C/N<30 M% ~35 C/N>35 Digestione Anaerobica Fermentazione Alcolica Coltivazioni & Residui Lignocel. Coltivazioni Oleaginose e Residui & Residui Lignocel., Amido e Zuccheri Residui Vegetali Fermentabili, (Liquami Animali) Pirolisi Gassificazione Combustione

Tecnologie utilizzabili Energia elettrica da biomasse Tecnologie utilizzabili gassificazione a letto fisso downdraft con MCI combustione con turbina ORC gassificazione a doppio 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) 16 16

Processi Termochimici Conversione Biomasse Biomassa Termochimici Combustione Gassificazione Pirolisi Processi CO2 + H2O + Ceneri Gas + CO2 + H2O + Ceneri Char + Gas + H2O + Oli + Ceneri ER  1 ER ~ 0.255 ER = 0 Equivalence Ratio O2 eff/O2 stech T > 1800°C T ~ 800-900°C T ~ 500°C Prodotti Gas: CO, H2, Idrocarburi leggeri (CH4, C2H4, C2H6…)

Gassificatori a Letto Fisso UpDraft DownDraft CrossDraft Review: Biomass for energy. Tony Bridgwater. J Sci Food Agric 86:1755–1768 (2006)

Turbec T100 100kWe + 165kW risc o 95kW raffr Facility alla gassificazione delle biomasse per la produzione di energia elettrica e calore co-tri generativo IVECO 82100 2200giri/min 40kWe MCFC 125kWe Turbec T100 100kWe + 165kW risc o 95kW raffr 19

Sviluppo di processi per l’ottenimento del syngas: Centro Ricerche ENEA di Trisaia COMPOSIZIONE SYNGAS Biomassa Ossigeno Vapore Syngas pulito LETTO FLUIDO Aria arricchita/vapore 1MWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI Specie %Vol. H2 32 CO 17 CH4 6.2 N2 0.9 CO2 20.9 H2O LETTO FLUIDO RICIRCOLANTE Aria/vapore 500kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI, FC o alla produzione di biocombustibili da F/Tropsh Specie %Vol. H2 34.1 CO 25.1 CH4 10.4 N2 9.6 CO2 20.8 Biomassa Vapore Aria Syngas pulito Fumi di Combustione Biomassa Syngas grezzo Aria Vapore LETTO FISSO UPDRAFT Aria/vapore 150kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI Specie %Vol. H2 20 CO 21 CH4 4 N2 40 CO2 6 H2O 9 COMPOSIZIONE SYNGAS Gas grezzo Aria Zona di combustione LETTO DOWNDRAFT Aria/vapore 150-450kWth Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI Specie %Vol. H2 15 CO 22 CH4 3 N2 40 CO2 20 COMPOSIZIONE SYNGAS

Tecnologie mature per utilizzo termico cogenerativo delle biomasse in agricoltura 21

diverse soluzioni tecnologiche e possibili configurazioni Impianti a biomassa (combustione diretta) Conversione energetica della biomassa - COMBUSTIONE DIRETTA: apparecchi ad uso termico (da pochi kWt a diversi MWt) impianti cogenerativi (da 0,5 MWt) impianti per la produzione di energia elettrica legna da ardere bricchette cippato di legna pellet caminetti, termo-caminetti, stufe caldaie diverse soluzioni tecnologiche e possibili configurazioni (potenza richiesta, tipo di combustibile, localizzazione impianto)

Impianti cogenerativi e trigenerativi Impianti a biomassa (combustione diretta) Impianti cogenerativi e trigenerativi produzione di energia termica (caldo e/o freddo) e di energia elettrica < 100 kWel tecnologie non pienamente mature e affidabili (combustione +: motori Stirling, microturbine); 200÷2000 kWel combustione +: motori a vapore a vite, turbine a vapore, ciclo ORC (ciclo Rankine con fluidi organici); > 2000 kWel combustione +: turbine a vapore + cicli ad assorbimento per la refrigerazione/climatizzazione

Impianti a biomassa (combustione diretta) Moderne caldaie (dotate di sistemi di regolazione a microprocessore e sensori): rendimenti > 90% aria primaria aria secondaria sistemi di controllo e regolazione cenere

Impianti cogenerativi e trigenerativi Impianti a biomassa (combustione diretta) Impianti cogenerativi e trigenerativi Misure per ottimizzare la combustione  aumentare il rendimento e ridurre le emissioni: qualità del combustibile (NO incenerimento domestico e utilizzo di biomassa qualsiasi) corretto dimensionamento/scelta della potenza qualità e prestazioni dell’apparecchio (rendimento, controllo ottimizzato della combustione, sistemi di regolazione, sistemi di pulizia) qualità dell’impianto (progettazione, accumulo termico, impianto idraulico) installazione corretta conduzione e manutenzione

Legno cippato Impianti a biomassa (combustione diretta) scaglie di legno di dimensioni variabili standardizzate prodotte con macchine cippatrici da: residui di potature boschive, agricole o urbane; sottoprodotti da segherie e da lavorazione del legno, legname coltivato (SRF). Può essere trasportato mediante coclee, nastri trasportatori o spintori ed è immagazzinabile in depositi e silos. potere calorifico: 8÷16 MJ/kg %M (ca. 10 MJ/kg con 40% umidità M); costo indicativo 5÷12 €/t (30%M). 3 kg cippato = 1 litro gasolio 1,23 Nmc CH4 26 26 26

Impianti a biomassa (combustione diretta) Costo di esercizio relativo ai diversi combustibili (riferito al calore utile) 27 27 27

Biogas da fermentazione anaerobica BIOGAS: miscela di gas prodotta dalla decomposizione, in assenza di ossigeno, di materiale organico di varia natura metano (50-80%), anidride carbonica (25-40%), varie impurità (H2S, CO, H2, vapore acqueo e altri gas) (0,01%) E. elettrica e calore: motore endotermico a biogas + recupero calore (circuito olio, fumi, circuito di raffreddamento) reflui zootecnici, fanghi di depurazione, frazione organica RSU, residui delle attività agro-industriali

Sintesi impianti cogenerativi di piccola taglia MCI a biocombustibili (biodiesel, bioetanolo, olii vegetali tal quali) MCI accoppiati a gassificatori (syngas) o digestori (biogas) Turbine e microturbine a gas TG Cicli ORC Motori Stirling Motori a vapore etc 29

http://www.enea.it http://www.trisaia.enea.it AGENZIA NAZIONALE PER LE NUOVE TECNOLOGIE, L’ENERGIA E LO SVILUPPO ECONOMICO SOSTENIBILE SEZIONE BIOMASSE Centro Ricerche TRISAIA http://www.enea.it http://www.trisaia.enea.it 30