energia dalle biomasse - parte a -...
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Energia dalle
Biomasse - Parte A
Tecnologie delle Energie Rinnovabili
Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica,
Chimica e dei Materiali
Università degli Studi di Cagliari
http://people.unica.it/danielecocco/
A.A. 2012-2013
Le Biomasse
Specie arboree ed erbacee derivanti da coltivazioni agricole e forestali;
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 (la cosiddetta “Frazione Umida” o FORSU).
Biomasse
Residuali
Coltivazioni
Energetiche
Biomasse ed effetto serra
Biomassa
Ossigeno
Energia
CO2
Ceneri
Energia solare
CO2
Acqua
Nutrienti
Il bilancio
teorico della
CO2
è in pareggio!
Fotosintesi
Conve
rsio
ne
La sostenibilità della filiera
Occorre valutare con attenzione il bilancio
energetico e ambientale dell’intera filiera!
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.
Il Processo di Fotosintesi
Radiazione
solare
incidente
Radiazione
attiva per la
fotosintesi
Radiazione
non attiva
Energia
Riflessa
Energia
Persa
Consumo
interno
Energia
solare
assorbita
Energia
convertita
Energia
netta
Rendimento teorico fotosintesi
0,5·0,8·0,3·0,6=0,072
100%
50%
50%
80%
20%
30%
70% 40%
60%
I processi di conversione
Tipologia del Processo
Rapporto C/N
Umidità Processo di conversione
Prodotto principale
Biochimico <30 >30% Fermentazione Digestione anaerobica Digestione aerobica
Bioetanolo Biogas Energia termica
Termochimico >30 <30% Combustione Gassificazione Pirolisi
Energia termica Gas di sintesi Gas di pirolisi, biooli
Fisico-chimico - - Estrazione di oli Transesterificazione Compattazione
Olio vegetale grezzo Biodiesel Pellets
Le filiere di conversione
Energia da biomasse
Bio-combustibili
•Etanolo
•Olio vegetale
•Biodiesel
Digestione anaerobica
•Biogas
Processi termochimici
•Combustione
•Gassificazione
•Pirolisi
Usi attuali delle Biomasse
Fonte: IEA, 2010
Le Biomasse nella UE
Le Biomasse nella UE
Energia Elettrica – Italia 2012
Le Biomasse in Italia
Fonte: GSE, “Biomasse – Rapporto Statistico 2009”
% di produzione elettrica da biomassa
Le Biomasse in Italia
Fonte: GSE, “Biomasse – Rapporto Statistico 2009”
Impianti di generazione elettrica
(esclusi impianti di co-combustione)
E in Sardegna?
Impianti qualificati IAFR in esercizio al 31.12.2010
Circa 127 MW in totale, di cui circa la metà relativa
ai due impianti a vapore ENEL di Portovesme che
operano in co-combustione biomasse-carbone (5% il
gruppo da 240 MW e 15% il gruppo da 340 MW) per
una capacità massima di circa 60-65 MW.
Fonte: GSE, 2011
E in Sardegna?
Impianti qualificati IAFR in esercizio al 31.12.2010
Una centrale a biomasse solide a Serramanna (13 MW);
Una centrale a olio di palma (due MCI da 17 MW);
Due impianti a biogas (Olbia e Villacidro) da FORSU;
Due impianti di termovalorizzazione dei RSU (Capoterra
4,7 MW e Macomer 2,1 MW);
Alcuni piccoli impianti a biogas, olio vegetale e
biomasse solide.
Fonte: GSE, 2011
Energia Termica – Italia 2008
Circa 1% dei
consumi finali
Fonte: IEA, 2010
Attenzione alle statistiche!
Fonte: ARPAL, 2007
La Direttiva “20-20-20”
Entro il 2020 l’UE dovrà ridurre del 20% le emissioni di gas
serra, ridurre del 20% i consumi finali di energia e
aumentare al 20% il contributo delle FER sui consumi finali
(di cui il 10% nei trasporti), rispetto ai valori del 2005.
Settore dell’Energia Elettrica
Dal Piano di Azione Nazionale
sulle FER (Giugno 2010)
Settore dell’Energia Elettrica
Le biomasse dovranno aumentare di oltre 2,5 volte rispetto
al 2005 (di circa 2 volte rispetto ad oggi)
Riscaldamento e Raffrescamento
La produzione dovrà crescere di 5 volte (circa 3 volte
rispetto ad oggi) e il maggiore contributo è previsto derivare
dalle biomasse, dalle Pompe di Calore e dal Solare
Settore dei Trasporti
Il consumo da FER dovrà crescere di circa 10 volte (circa
3-4 volte rispetto ad oggi) e il maggiore contributo deriverà
dai biocombustibili (ovvero Biodiesel e Bioetanolo)
Potenzialità in Sardegna
Coltivazioni
Energetiche
(oleaginose)
Potenzialità in Sardegna
B.1 – Sassari;
B.2 – Olbia-Tempio;
B.3 – Nuoro;
B.4 – Ogliastra e Cagliari;
B.5 – Cagliari
B.1
B.2
B.3
B.4
B.5 Bacino Residuo prodotto tal
quale (t/anno)
Potenza termica
(MWt)
B.1 21.445 10,8
B.2 9.523 4,8
B.3 23.560 11,8
B.4 16.233 8,1
B.5 22.825 11,4
Residui da Vite
e Ulivo
Potenzialità in Sardegna
B.1
B.2
B.3
B.4
B.1 – Carbonia-Iglesias e
Cagliari;
B.2 – Oristano, Medio
Campidano e Carbonia-Iglesias;
B.3 – Olbia-Tempio;
B.4 – Ogliastra.
Bacino t/anno
(tal quale)
Potenza
elettrica MWe
B.1 15.653 1,84
B.2 12.293 1,45
B.3 16.818 1,98
B.4 19.932 2,34
Biomasse
Forestali
Potenzialità in Sardegna
Reflui da
Allevamenti
Suini e Bovini
Proprietà delle biomasse
Umidità (sul secco o sul tal quale)
Potere calorifico inferiore e superiore
Composizione chimica (elementare e immediata)
Densità (volumica ed energetica)
Composizione e comportamento delle ceneri
Contenuto di olio (oleaginose) e di zuccheri (zuccherine)
Proprietà dei biocombustibili
Le proprietà sono determinate con riferimento a:
Acqua
Ceneri
Materia
combustibile
(C, H, O, N,
S, etc.
Sul secco
e privo di
ceneri
Sul
secco
Sul tal
quale
Caratterizzazione del legno
Caratterizzazione del legno
m3
i, Metro cubo
impilato o stero
(circa 0,7 m3),
ovvero 0,3-0,5 t
m3
m, Metro cubo sul
mucchio (circa 0,5
m3), ovvero circa
0,15-0,25 t
L’umidità delle biomasse
U= mA
mA+mS Umidità sul tal quale
U0= mA
mS Umidità sul secco
U= U0
1+U0
Rapporto massico RM=
mA+mS
mS
1
1-U
=
Il potere calorifico
Rappresenta la quantità di calore sviluppata dalla
combustione completa dell’unità di massa di
combustibile (kcal/kg, kJ/kg, kWh/kg, etc.) e viene
misurata attraverso i calorimetri
PCI0=PCS0 - mA·r
Rapporti
energetici
RH= PCI
PCI0
r
PCI0
=1-U·(1+
PCI=PCI0 - U·(PCI0 + r)
)
RE= (mA+mS)·PCI
mS·PCI0
=RM·RH
Rapporti caratteristici
0 10 20 30 40 50 60 70 80
Umidità U (%)
0
0.1
0.2
0.3
0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
0.9
1R
apport
i R
H, R
E e
RP
Rapporto RH
Rapporto RE
Rapporto RP
PCI0=18 MJ/kg
Composizioni tipiche
C H O N S Cl Ceneri PCI0
(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (MJ/kg)
Legna di abete 49,00 5,98 44,75 0,05 0,01 0,01 0,2 18,74 Legna di pioppo 48,45 5,85 43,69 0,47 0,01 0,10 1,43 18,19 Legna di faggio 51,64 6,26 41,45 - - - 0,65 18,63 Legna di quercia 49,98 5,38 43,13 0,35 0,01 0,04 1,61 18,33 Legna di eucaliptus
49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,13 0,72 18,23
Paglia di frumento 43,20 5,00 39,40 0,61 0,11 0,28 11,40 16,49 Paglia di riso 41,78 4,63 36,57 0,70 0,08 0,34 15,90 15,34 Stocchi di mais 43,65 5,56 43,31 0,61 0,01 0,60 6,26 16,52 Residui potatura vite
47,14 5,82 43,03 0,86 0,01 0,13 3,01 17,86
Residui potatura mandorlo
51,30 5,29 40,90 0,66 0,01 0,04 1,80 19,93
Lolla di riso 40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 0,12 18,34 15,27 Gusci di mandorla 44,98 5,97 42,97 1,16 0,02 - 5,60 18,17 Noccioli pesca 53,00 5,90 39,14 0,32 0,05 - 1,59 19,62 Noccioli oliva 48,81 6,23 43,48 0,36 0,02 - 1,10 21,12 Sanse esauste 32,73 5,29 37,82 - 0,64 - 12,52 15,50
Composizioni tipiche
Umidità Potere calorifico Densità apparente
(%) PCI (MJ/kg) (kg/mci) (kg/mcm)
Faggio fresco 50 7,9 669 464
Faggio essiccato 35 11,1 608 375
Faggio essiccato all’aria 18 14,6 482 283
Abete fresco 50 8,1 517 332
Abete essiccato naturale
35 11,3
436 265
Abete essiccato all’aria 18 14,9 345 202
Pellet 10 17,0 - 600
Segatura 10 17,0 - 202
Trucioli 10 17,0 - 120
Paglia frumento (balle) 15 14,4 135 -
Paglia colza (balle) 15 14,3 133 -
Paglia mais (balle) 15 14,8 139 -
Miscanto (balle) 15 14,9 140 -
Grano sfuso 15 14,2 - 760
La Produzione di Biomassa
Radiazione media disponibile
4-5 kWh/m2giorno
(1200-1600 tep/ha anno)
Produzione teorica di biomassa secca
200-250 t/ha anno (rendimento 7%)
Produzione massima sperimentata
30-60 t/ha anno di sostanza secca
Produzione effettiva sostanza secca
5-25 t/ha anno (rendimento 0,2-1,0%)
Composizioni tipiche
Caratteristiche dimensionali
La filiera delle legnose
Idrolisi
Compattazione, essiccazione
Combustione
Fermentazione e distillazione
Etanolo
Pellet, Cippato, ecc. Grezzi
Energia termica
Zuccheri
Ligno - cellulosiche
(Pioppo, Robinia,
Miscanto, Sorgo)
Trasporti, energia termica, energia elettrica
Energia elettrica e termica
Trasporti,
energia termi ca
Gassificazione Syngas
Pirolisi
Olio, Syngas,
Char
Ciclo a vapore, Stirling, ORC
Turbina a gas, fuel cell, etc.
Turbina a gas, fuel cell, etc.
Energia elettrica e termica
Energia elettrica e termica
La filiera delle oleaginose
Colza, girasole, soia, ecc.
Estrazione olio grezzo
Panello proteico
Transesterifica zione Biodiesel
Glicerina
Energia elettrica
Metanolo Solventi Energia elettrica
Olio
grezzo
Motore Diesel
Energia elettrica
Gas di scarico
Energia termica
La filiera delle zuccherine
Estrazione
Succo
Zuccherine (Canna, Sorgo, Barbabietola)
Liquefazione e Saccarificazione
Fermentazione e distillazione
Amidacee (Mais, Patate,
Frumento)
Zuccheri
Etanolo Trasporti, energia elettrica
e/o termica
Sorgo, Barbabietola
ecc.
Estrazione succo zuccherino
Residui
Fermentazione zuccheri
Distillazione e de-idratazione
Etanolo anidro
Energia termica
Energia elettrica Lieviti CO2 Acqua Vinasse
Energia elettrica
Succo ETOH
+ H2O
Impianto di cogenerazione
Energia termica
Combustibile fossile
Energia elettrica
Recupero esterno
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
La sostenibilità della filiera
Occorre valutare con attenzione il bilancio
energetico e ambientale dell’intera filiera!
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.
THE END