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Corso di Impianti Meccanici – Laurea Magistrale
Modulo 1.1 Biomasse
Sezione 1.1 Classificazione e caratterizzazione delle biomasse
ai fini dell’utilizzo a scopo energetico
Prof. Ing. Cesare Saccani
Prof. Ing. Augusto Bianchini
Dott. Ing. Marco Pellegrini
Department of Industrial Engineering (DIN) - University of Bologna1/105
Classificazione delle biomasse
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Impiantistica per la valorizzazione energetica delle
biomasse
Agenda
Le biomasse in Italia
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Classificazione delle biomasse
Le fonti energetiche rinnovabili sono risorse energetiche che hanno la capacità
di rinnovarsi in un tempo minore o uguale a quello in cui vengono consumate;
al contrario le fonti non rinnovabili, dette anche esauribili, sono quelle il cui
utilizzo ed impiego è limitato nel tempo a causa della loro irriproducibilità, o
comunque al loro lentissimo rinnovamento (ad esempio, combustibili di origine
fossile).
Si considerano fonti energetiche rinnovabili:
- l'irraggiamento solare;
- il vento;
- le biomasse;
- la geotermia;
- le maree e le correnti marine in genere;
- le precipitazioni utilizzabili tramite il dislivello di acque.
È utile sottolineare come le più importanti forme di energia rinnovabile presenti
sul nostro pianeta (ad eccezione di energia geotermica e delle maree) abbiano in
realtà origine dall'irraggiamento solare.
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Classificazione delle biomasse
Rispetto alle altre fonti di energia che derivano dal solare, la biomassa presenta
il grande vantaggio di immagazzinare l’energia proveniente dal Sole, per mezzo
della fotosintesi clorofilliana, sotto forma di energia chimica, che può essere
rilasciata in un secondo momento.
Al contrario, invece, la conversione di energia proveniente direttamente dal Sole
(fotovoltaico, solare termico) o dal vento (eolico) presenta le caratteristiche
sfavorevoli di imprevedibilità e discontinuità.
Come detto, quindi, la biomassa può essere considerata una risorsa
rinnovabile, a patto che il ritmo di impiego della stessa non superi la capacità di
rigenerazione delle formazioni vegetali. Occorre perciò valutarne con attenzione
il ciclo di vita (Life Cycle Assessment, LCA).
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Classificazione delle biomasse
Il LCA analizza dal punto di vista economico ed ambientale della filiera di
produzione, trattamento e valorizzazione della biomassa per determinarne
l’impatto reale dal punto di vista, in particolare, delle emissioni di gas serra
(misurate in termini di CO2 equivalente).
La biomassa può essere considerata una fonte energetica neutrale ai fini
dell’incremento delle emissioni di gas a effetto serra se durante il processo di
generazione la biomassa contribuisce alla sottrazione dell’anidride carbonica
atmosferica, compensando o superando l’anidride carbonica prodotta a seguito
della valorizzazione energetica della biomassa stessa.5/105
Classificazione delle biomasse
Come definire le biomasse?
Attualmente esistono in Italia molteplici definizioni di biomassa a livello
legislativo. Manca, pertanto, una definizione univoca di biomassa.
La normativa nazionale definisce la biomassa in maniera differente a seconda
dell’ambito specifico di applicazione della singola norma.
Ad esempio, differenze sostanziali si possono rilevare a seconda che si abbia a
che fare con una richiesta di autorizzazione per un impianto per la produzione di
energia elettrica alimentato a biomassa, oppure con una richiesta di
autorizzazione alle emissioni (per produzione di energia elettrica, termica o di
entrambe), piuttosto che nella gestione (movimentazione, riciclo, valorizzazione
energetica) di biomassa intesa come rifiuto o sottoprodotto.
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Classificazione delle biomasse
Ad esempio, la definizione di “biomassa” contenuta nella direttiva comunitaria
2001/77/CE (recepita da D.Lgs. 387 del 29 Dicembre 2003) in materia di
produzione di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili è la seguente:
“la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui
provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze
vegetali ed animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie
connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti
industriali ed urbani”.
In questa definizione rientrano una enorme quantità di materiali, molto differenti
tra loro, ma tutti aventi in comune una matrice di origine organica.
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Classificazione delle biomasse
Legno Sorgo Sansa
Girasole Reflui zootecnici Rifiuti8/105
Classificazione delle biomasse
Come classificare le biomasse?
BIOMASSA VEGETALE vs. BIOMASSA ANIMALE
BIOMASSA RESIDUALE vs. BIOMASSA DEDICATA
BIOMASSA SOLIDA vs. BIOMASSA LIQUIDA vs. BIOMASSA GASSOSA
ORIGINE DELLA BIOMASSA: comparto forestale o agroforestale; comparto
agricolo; comparto zootecnico; comparto industriale; rifiuti urbani.
MATRICE ORGANICA PREPONDERANTE: matrice lignocellulosica; matrice
amidacea-zuccherina o alcooligena; matrice oleaginosa; matrice zootecnica.
Differenzia la biomassa proveniente da
attività finalizzate ad altro scopo
(biomassa residuale) dalla biomassa
prodotta esclusivamente a fini
energetici (biomassa dedicata).
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Classificazione delle biomasse
Attenzione: esiste una correlazione tra tipologia di biomassa e modalità di
valorizzazione energetica della stessa.
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Classificazione delle biomasse
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Impiantistica per la valorizzazione energetica delle
biomasse
Agenda
Le biomasse in Italia
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Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Le caratteristiche fisiche rilevanti ai fini della valutazione di una biomassa come
combustibile sono le seguenti:
- Potere calorifico inferiore (PCI): esprime la quantità di calore che si sviluppa
con la combustione completa di 1 kg di biomassa, considerando l’acqua allo
stato di vapore a 100 °C, ossia considerando la sola quota parte di calore
effettivamente utilizzabile. Il PCI si misura in kJ/kg, kcal/kg o kWh/kg.
- Umidità (U): esprime la quantità di acqua contenuta in un kg di biomassa
umida.
- Densità (ρ): è il rapporto tra massa della biomassa (umida) e volume occupato.
Si misura in kg/m3.
- Rapporto C/N: è il rapporto ponderale tra Carbonio ed Azoto presente nella
biomassa. E’ un parametro fondamentale nella valutazione dei processi di
valorizzazione biochimica della biomassa.
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Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Le caratteristiche fisiche rilevanti ai fini della valutazione di una biomassa come
combustibile sono le seguenti:
- Produzione media: rappresenta la quantità di biomassa prodotta da un ettaro
di terreno. Si misura in ton/ha oppure in GJ/ha;
- Composizione chimica: la composizione influisce sui rendimenti di
combustione e sulle emissioni in atmosfera derivanti da processi di
combustione.
- Aria teorica di combustione: definisce la quantità di aria contenente
esattamente tanto ossigeno quanto necessario per bruciare in maniera
completa una quantità stabilita di combustibile. Si misura in kg di aria per kg di
combustibile. E’ anche detta stechiometrica.
- Eccesso d’aria: percentuale di aria alimentata in eccesso rispetto alla quantità
teorica o stechiometrica.
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Umidità (%)
PC
I (M
J/k
g)
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Vale la seguente relazione tra PCI e U:
Inoltre, all’aumentare dell’umidità cala bruscamente il rendimento di
combustione. La concentrazione limite di acqua che consente l’utilizzo di
biomassa come combustibile si attesta attorno a valori di umidità del 60%.
D’altro canto, evidenze sperimentali dimostrano come un minimo contenuto di
acqua (attorno al 5% di umidità) rappresenti la condizione migliore dal punto di
vista del rendimento di combustione.
PCI = (1-U)*PCIsecco + U*0
↓PCI = (1-U)*PCIsecco
PCIsecco
il PCI dell’acqua è zero!
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Aria teorica di combustione
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Parametro Pino Erba fienarola Stallatico secco Carbone
Umidità (U) 15% 15% 15% 0,8%
Potere calorifico superiore [MJ/kg] 18 16 11 30
Aria teorica di combustione [kga/kgc] 5,4 5,5 4,0 10,0
Parametro Benzina Diesel Olio vegetale Alcool etilico Gas naturale
Potere calorifico superiore
[MJ/kg]
47,2 45,7 41,2 29,7 53,6
Aria teorica di combustione
kga/kgc]
14,8 14,3 12,7 9,0 17.2
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Eccesso d’aria
Dipende dalle condizioni di funzionamento ed influenza grandemente il
rendimento di combustione e livello e tipologia di emissioni al camino.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
a) Caldaia semplice, a carica manuale alimentata con ciocchi
di legna;
b) Caldaia con carica dall’alto;
c) Caldaia caricata automaticamente con tecnologia di
combustione risalente agli anni ‘90;
d) Caldaia caricata automaticamente con tecnologia di
combustione migliorata a partire dal 1995.
Τ𝜆 𝜆𝑠𝑡
[mg/Nm3]
Emissioni di CO in mg/Nm3 in funzione del rapporto aria – combustibile (λ) rispetto allo stesso rapporto in condizioni
stechiometriche (λst) per:
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Biomasse di origine forestale o agroforestale
Relativamente alle principali caratteristiche analitiche che qualificano la
biomassa forestale e agroforestale a fini energetici, assume rilievo la
composizione chimica del legno. I principali polimeri costituenti la biomassa
legnosa sono:
- la lignina, che conferisce rigidità alla pianta, è presente in percentuali che
variano dal 20% al 30% del peso secco e ha un alto potere calorifico (circa
25.000 kJ/kg);
- la cellulosa, il principale componente del legno (costituisce circa il 50% del
peso secco), ha anch’essa un potere calorifico elevato (pari a circa 16.300
kJ/kg);
- l’emicellulosa, presente nella parete cellulare delle piante negli spazi lasciati
liberi dalla cellulosa, costituisce dal 10 al 30% del legno e ha un potere calorifico
più modesto.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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Biomasse di origine forestale o agroforestale
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Composizione
Cellulosa 50% della ss
Emicellulosa 10-30% della ss
Lignina 20-30% della ss
Caratteristiche fisiche ed energetiche
Umidità 25-60% sul tal quale
Densità di massa [kg/m3] 800-1.200
PCI 15.000-16.000 kJ/kg (3.600-3.800 kcal/kg)
ss = sostanza secca
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Biomasse di origine agricola
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
PCI
(kJ/kg ss)
17.200-17.600
17.200-17.600
13.800-14.200
15.500-15.900
16.700-18.000
16.700-18.000
18.000-18.400
18.400-18.800
18.000-18.400
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Biomasse di origine forestale o agroforestale: composizione di alcune biomasse
(percentuale in peso di sostanza secca, Demirbas-1997)
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Biomassa Cellulosa, [%] Emicellulosa, [%] Lignina, [%]
Gusci di Nocciola (hazelnut shells) 25.9 29.9 42.5
Paglia (straw) 28.8 39.1 18.6
Residui oliva (olive residues) 24.0 23.6 48.4
Legno di Betulla (birch wood) 45.8 31.8 21.9
Legno di Abete (fir wood) 49.8 20.7 27.0
Tutulo (corn cobs) 52.0 32.0 15.0
Scarti del Tè (tea waste) 30.2 19.9 40.0
Gusci di Noce (walnut shells) 25.6 22.7 52.3
Gusci di Mandorla (almond shells) 50.7 28.9 20.4
Girasoli (sunflowers) 48.4 34.6 17
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Biomasse di origine forestale o agroforestale. Contenuto di ceneri, volatili,
umidità e potere calorifico inferiore (Hi). (Demirbas-2004; 2005)
.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Composizione (% peso secco)
di alcune biomasse.
L'umidità è in % del peso totale,
mentre il potere calorifico (Hi) è
in MJ/kg.
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Le colture energetiche
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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Biomasse di origine agricola
Il Palm Kernel Shell (PKS) è una biomassa solida con basse ceneri e basso
contenuto di zolfo che residua durante il processo di produzione di olio grezzo
di palma. La polpa del frutto viene fusa tramite un trattamento di cottura a
vapore, mentre i gusci residui sono ulteriormente processati meccanicamente
per estrarre i semi o noccioli (kernel). Indonesia e Malesia sono le aree in cui si
concentra più dell’80% della produzione mondiale di olio grezzo di palma. Il
resto della produzione si divide tra Africa e Sud America.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Caratteristica Valore (*)
Umidità (% in peso) 9
Contenuto di ceneri (% in peso) 4
Densità in mucchio [kg/m3] 500
Potere calorifico inferiore [MJ/kg] 18,7
(* Fonte: A review on biomass as a fuel for boilers, 2011)
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Le colture energetiche
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Produzione di
sostanza fresca
[t/ha anno]
Umidità media
alla raccolta
[%]
Produzione di
sostanza secca
[t/ha anno]
PCI
(kJ/kg ss)
PCI
(kcal/kg ss)
PCI
[GJ/ha anno]
Sorgo da fibra 50-100 25-40 20-30 16.700-17.000 4.000-4.050 334-510
Kenaf 70-100 25-35 10-20 15.500-16.300 3.700-3.900 155-326
Miscanto 40-70 35-45 15-30 17.600-17.800 4.200-4.250 264-534
Canna comune 45-110 35-40 15-35 16.500-17.400 3.950-4.150 248-609
Panico 25-60 35-45 10-25 17.200-17.600 4.100-4.200 172-440
Pioppo 20-30 50 10-15 17.200-17.600 4.100-4.200 172-264
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Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Caratteristiche Palma Girasole Soia Colza
Massa volumica [kg/m3] 889 (a 15 °C) 914 (a 15°C) 916 (a 20°C) 916 (a 20°C)
Numero di cetano (*) 38 / 42 37 36 / 39 32 / 37,6
Potere calorifico superiore [MJ/kg] 39,2 39,6 39,6 39,7
Potere calorifico inferiore [MJ/kg] 36,5 37,7 36,8 37,4
Viscosità a 20°C [mm2] - - - 77,8
Viscosità a 38°C [mm2] - 37,1 32,6 37
Viscosità a 100°C [mm2] 8,3 - - -
Punto di intorbidamento [°C] (**) - 7,2 -3,9 -3,9
Punto di scorrimento [°C] (***) - -15 -12,2 -31,7
Punto di infiammabilità [°C] - 274 254 246
Punto di fusione [°C] 23 / 27 -18 -12 / -19 0 / - 2
Resa per ettaro [t(olio)/ha] 4 0,8 0,375 1
Resa per ettaro [litri(olio)/ha] 4500 952 446 1190
Caratteristiche medie dei principali oli vegetali
Resa per ettaro [GJ/ha] 146 30 14 45
(*) Il numero di cetano è un indicatore che rappresenta il comportamento del combustibile nella fase di accensione del
motore a combustione interna. Per il funzionamento di un combustibile all’interno di un motore si deve avere un numero
di cetano compreso fra 30 e 35.
(**) temperatura al di sotto della quale iniziano a formarsi cristalli di cera (cloud point).
(***) temperatura al di sotto della quale l’olio diviene semisolido (pour point).
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Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): la volatilità
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
OLIO DI SOIA
OLIO DI PALMA
OLIO DI COLZA
OLIO DI SEMI DI GIRASOLE26/105
Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): la volatilità
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
* CIF: Cost, Insurance & Freight
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Le colture energetiche – andamento dei prezzi (€/ton): il legame con il petrolio
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
OLIO DI SOIA
OLIO DI
PALMA
OLIO DI
COLZA
OLIO DI SEMI
DI GIRASOLE
BARILE DI PETROLIO
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Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Data la eterogeneità chimico-fisica delle biomasse riconducibili ad una
medesima categoria, al fine di uniformare le caratteristiche dei combustibili
impiegati nei processi di valorizzazione energetica sono state redatte nel tempo
normative tecniche che individuano le specifiche minime cui devono
corrispondere le biomasse per poter essere classificate come conformi a
determinate categorie di prodotto. Un esempio di questo processo di
standardizzazione è il pellet.
La normativa tecnica di riferimento:
Biocombustibili solidi: EN ISO 17225-1:2014
Biocombustibili liquidi (non per autotrazione): UNI 11163:2018
UNI EN 14214:2012
Biocombustibili liquidi e gassosi (per autotrazione): UNI EN 14214:2012
Direttiva 98/70/CE
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La normativa relativa alla classificazione dei combustibili solidi provenienti da
biomassa (EN ISO 17225-1:2014) definisce alcune categorie di prodotti, cui
corrispondono determinate caratteristiche fisiche e chimiche.
- Briquette;
- Pellet;
- Sansa esausta di olive;
- Chips di legno;
- Scaglie di legno;
- Legno in tronchi;
- Segatura;
- Corteccia;
- Paglia in balle.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Briquette Cippato Pellet
Origin 1.3.1.1 chemically untreated wood without bark
Traded form Pellets
Normative
(EN ISO
17225-1)
Dimensions in mm D06 or D08
Moisture in % as received M10
Ash in % of dry basis A0.7
Mechanical durability w-% of pellets after testing DU97.5
Amount of fines in % < 3.15 mm F1.0 or F2.0
Additives in % of pressing mass < 2 w-% of dry basis. Only products from the primarily
agricultural and forest biomass that are not chemically modified are
approved to be added as pressing aids. Type and amount of additive has
to be stated.
Informative Sulphur in % of dry basis S0.05
Net calorific value in MJ/kg as received E4.7 (≥4.7 kWh/kg = 16.9 MJ/kg)
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Nel dettaglio, la normativa tecnica definisce le caratteristiche chimico-fisiche del
combustibile ed i metodi di analisi per identificarle:
- terminologia, definizioni e descrizioni;
- specifiche e classi del combustibile – garanzia della qualità;
- campionamento, metodi e preparazione del campione, certificazione;
- densità della massa;
- sostanza volatile;
- ceneri e comportamento della fusione;
- distribuzione delle dimensioni delle particelle;
- densità;
- durabilità meccanica;
- potere calorifico e contenuto di umidità;
- ossigeno, carbonio, idrogeno e azoto;
- zolfo e cloro;
- elementi principali (Al, Si, K, Na, Ca, Mg, Fe, P and Ti);
- elementi secondari (As, Ba, Be, Cd, Co, Cr, Cu, Hg, Mo, Mn, Ni, Pb, Se,Te, Zn).
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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Estratto dalla EN
ISO 17225-1:2014
Tipologia
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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Formato
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Estratto dalla EN
ISO 17225-1:2014
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Estratto dalla EN ISO 17225-1:2014
Standard del formato
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
(in questo caso pellet)
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Estratto dalla EN ISO 17225-1:2014
Standard del formato
Mechanical durability, DU (w-% of pellets after testing) EN 15210-1
N.B. La “durability” è un parametro
utilizzato per quantificare la capacità del
pellet di rimanere intatto quando
movimentato. Viene misurato come
percentuale di materiale residuo integro
dopo essere stato agitato in maniera
meccanica o pneumatica (EN 15210-1).
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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Caratteristiche principali di pellet, briquette e cippato
Le caratteristiche principali, ovvero potere calorifico inferiore (PCI), percentuale
di ceneri e umidità in massa, densità in mucchio (bulk density), dei
biocombustibili prodotti in formati normalizzati (EN ISO 17225-1:2014) sono
riportati in tabella:
La classe A1 rappresenta combustibili con basso contenuto di inerti (quali
ceneri, azoto, cloro, …) mentre la classe A2 include materiali a più alto
contenuto di inerti.
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Biomassa PCI [MJ/kg] % ceneri in massa % umidità in massa Bulk density [kg/m3]
Pellet 16,5-19 (classe A1),
16,3-19 (classe A2)
≤ 0,7 (classe A1),
≤ 1,5 (classe A2)
≤ 10 (classe A1 e A2) ≥ 600
Cippato ≥ 13,0 (classe A1)
≥ 11,0 (classe A2)
≤ 1,0 (classe A1)
≤ 1,5 (classe A2)
≤ 25 (classe A1)
≤ 35 (classe A2)
≤ 200 (conifere, A1)
≤ 220 (conifere, A2)
≤ 280 (latifoglie, A1)
≤ 320 (latifoglie, A2)
Briquettes ≥ 15,5 (classe A1),
≥ 15,3 (classe A2)
≤ 0,7 (classe A1),
≤ 1,5 (classe A2)
≤ 12 (classe A1),
≤ 15 (classe A2)
n.d.
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Classificazione delle biomasse
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Impiantistica per la valorizzazione energetica delle
biomasse
Agenda
Le biomasse in Italia
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Le biomasse in Italia
Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:
- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);
- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);
- Rifiuti zootecnici;
- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.
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Le biomasse in Italia
Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:
- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);
- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);
- Residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse);
- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.
Faggio Abete Rosso Pino silvestre Quercia
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Le biomasse in Italia
Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:
- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);
- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);
- Residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse);
- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.
VinaccePanetti di sansa
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Le biomasse in Italia
Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:
- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);
- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);
- Residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse);
- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.
Pioppo SRF (Short Rotation Forestry)
SRF: coltivazione ad elevata densità di specie arboree caratterizzate da
rapidità di crescita destinate prevalentemente alla trasformazione
energetica41/105
Le biomasse in Italia
Nel contesto italiano, le principali risorse di biomassa sono:
- Residui agricoli (paglie di cereali, residui verdi);
- Residui forestali e della lavorazione del legno (frascumi, ramaglie, scarti);
- Residui agroindustriali e dell’industria alimentare (vinacce, sanse);
- Colture energetiche erbacee ed arboree dedicate.
Panico Cardo Sorgo da fibra Canna comune Miscanto
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Le biomasse in Italia
Stima delle superfici agricole utilizzate in Italia per la produzione di colture
energetiche (2011, fonte: Itabia).
L’impatto delle colture dedicate a scopo energetico sul consumo di superficie
coltivabile in Italia è trascurabile (inferiore all’1% della superficie agricola utile,
che è stimata in circa 13 milioni di ettari).
Coltura Superficie a coltura
energetica (ha)
Superficie totale
coltivata (ha)
Pioppo 5.000 70.000
Colture oleaginose, di cui
Girasole
Soia
Colza
30.000
14.100
9.900
6.000
280.000
Colture per biogas
(mais, sorgo, barbabietola, triticale)
40.000-60.000 -
Canna comune per bioetanolo 5.000 -
Totale: 110.000-130.000 ha
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Qual è il potenziale di produzione massimo di biomassa in Italia?
- Superficie Agricola Utile (SAU) italiana: 13.000.000 ha circa
- Domanda di energia primaria in Italia (Fonte: Enea, 2009): 180,2 Mtep/anno
- Densità superficiale energetica media da coltivazione dedicata: 200 GJ/ha/anno
1 Mtep = 42*10^6 GJ
- Potenziale energetico max in Italia da biomassa:
13.000.000*200/(42*10^6) = 61,9 Mtep/anno
Occorrerebbero circa 38.000.000 di ettari (=13.000.000*180,2/61,9) di
terreno coltivato con colture energetiche per soddisfare il fabbisogno italiano.
Le biomasse in Italia
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Le biomasse in ItaliaGli impianti in funzione nel 2012 in Italia per la produzione di elettricità da
bioenergia
(fonte: Itabia, 2013)
La produzione di energia elettrica da biomasse copre lo 0,8% del fabbisogno
nazionale di energia elettrica (fonte: Terna).
Tipologia di biomassa Impianti in funzione
Numero di impianti Potenza elettrica
installata (MWel)
Biomasse solide 222 650,2
Bioliquidi 540 1.041,2
Biogas (scarti agricoli e zootecnia) 1.299 945,7
Biogas da rifiuti e fanghi 414 442,6
Rifiuti 73 953,7
Totale 2.409 (*) 4.033,4
(*) Il numero totale di impianti è inferiore alla somma delle righe perché esistono impianti con più sezioni alimentati da
tipologie di biomassa diverse.
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Combustibile per riscaldamento Costo* €/MWh
GPL 250
Gasolio 123
Metano 82
Pellet in sacchi (15 kg) 65
Legna da ardere sfusa 40
Cippato 26
*Al consumatore finale, IVA e tasse incluse, trasporto escluso
Le biomasse in Italia
Consumo di biomassa legnosa in Italia nel 2013 per tipologia di impianto
(fonte: “Lo stato della bioenergia in Italia”, Itabia, 2015)
EE: Energia Elettrica.
CHP: Combined Heat and Power, cogenerazione.
(Fonte: Agriforenergy, 2015)
Tipologia impianto Legna da ardere Pellet Cippato
Stufe o camini domestici 83% 72% -
Caldaie domestiche 16% 24% -
Caldaie civili-industriali 1% 3% 17%
Caldaie industriali - 1% 4%
Teleriscaldamenti - - 9%
Centrali EE e CHP - - 70%
Totale (milioni di ton/anno) 19,3 3,3 4,7
46/105
Classificazione delle biomasse
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
Impiantistica per la valorizzazione energetica delle
biomasse
Agenda
Le biomasse in Italia
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Impiantistica
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Impiantistica
Combustione: reazione chimica che comporta l'ossidazione di un combustibile
da parte di un comburente (che in genere è rappresentato dall'ossigeno
presente nell'aria), con sviluppo di calore e radiazioni elettromagnetiche.
Nel proseguo del corso analizzeremo nel dettaglio il processo di combustione di
biocombustibili solidi, l’impiantistica che realizza il processo ed i problemi legati
alle emissioni in atmosfera.
Esistono altri processi per la valorizzazione energetica delle biomasse:
Pirolisi: processo di decomposizione termochimica di materiali organici ottenuto mediante la
somministrazione di calore e in completa assenza di un agente ossidante.
Gassificazione: processo termochimico in ambiente controllato (in particolare, contenuto di
ossigeno) che permette di convertire un combustibile solido contenente carbonio in un gas di
sintesi (syngas) usualmente composto da monossido di carbonio, idrogeno e altri composti
gassosi.
Fermentazione: processo anaerobico svolto da microrganismi a carico degli zuccheri.
Digestione anaerobica: degradazione della sostanza organica da parte di microrganismi in assenza
di ossigeno.
49/105
Impiantistica
50/105
Si possono distinguere le caldaie a biomassa in due categorie:
-caldaie a caricamento manuale;
-caldaie a caricamento automatico.
Le caldaie a carica manuale (tipicamente caldaie a ciocchi di legno) hanno
solitamente una potenza limitata a qualche decina di kW termici e trovano
impiego ottimale per il riscaldamento di case comprendenti uno o pochi
appartamenti. La tipologia di caldaia è a fiamma inversa, così chiamata per la
posizione della camera di combustione, situata al di sotto del vano nel quale
viene caricata la legna.
Impiantistica
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Impiantistica
Esempio di caldaia a fiamma inversa
1
2
3
4
5
4
6
1 – vano di carico
2 – camera di combustione
3 – ventilatore
4 – sistema di regolazione con sonda lambda
5 – scambiatore di calore
6 – recuperatore fumi
52/105
I modelli più avanzati si avvalgono di sistemi di regolazione a microprocessore e
raggiungono rendimenti termici di punta oltre il 90%.
Tra le innovazioni più significative, presenti anche in modelli di piccola potenza, vi è la
regolazione dell’aria di combustione in base al fabbisogno di ossigeno. Un apposito
strumento (sonda lambda) rileva il contenuto di ossigeno nei fumi e regola di
conseguenza in maniera costante la quantità di aria durante l’intero ciclo di
funzionamento della caldaia a legna, dall’accensione iniziale fino all’esaurimento del
combustibile.
Impiantistica
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Impiantistica
xxxEsempio di caldaia a fiamma inversa
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Impiantistica
Esempio di caldaia a fiamma inversa: P&ID
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Caldaia a fiamma inversa
Solitamente le caldaie a fiamma inversa sono provviste di una ventola per la
circolazione forzata dell’aria comburente. In alcuni modelli (ad aria soffiata), la
ventola è posta sul lato anteriore della caldaia e spinge l’aria all’interno
facendola fluire attraverso il combustibile fino allo scarico dei fumi. In altri
modelli (ad aria aspirata) la ventola è situata posteriormente sulla bocca di
uscita dei fumi e aspira i gas combusti creando una depressione in caldaia che
consente il richiamo dell’aria comburente dall’esterno.
Una parte dell’aria (detta primaria) viene introdotta in caldaia immediatamente
sopra la griglia sulla quale è appoggiata la legna. L’aria primaria consente
l’avvio della combustione (con una prima fase di gassificazione), con
formazione di uno strato di braci a contatto della griglia e lo sviluppo di gas
combustibili derivanti dalla pirolisi del legno (soprattutto monossido di carbonio
e idrogeno). I gas sprigionati vengono trascinati in basso attraverso la griglia e
giungono nella camera sottostante, dove l’aggiunta dell’aria secondaria
consente il completamento della combustione.
Impiantistica
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Caldaia a fiamma inversa
In generale, i fattori essenziali per ottenere una combustione ottimale sono:
- una corretta carburazione (rapporto aria/combustibile);
- temperatura elevata;
- turbolenza elevate nella camera di combustione;
- permanenza dei gas caldi nel focolare per un tempo (residence time)
sufficiente al completamento delle reazioni termochimiche di combustione.
L’inversione della fiamma consente di ottenere una combustione progressiva
della legna, che non prende totalmente fuoco nel vano di carico ma brucia
solamente quando giunge in prossimità della griglia.
Questo fa si che la potenza erogata dalla caldaia sia più stabile nel tempo e che
la combustione possa essere meglio controllata, aumentando il rendimento e
riducendo le emissioni inquinanti.
Impiantistica
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Esempio 1 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale
Impiantistica
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Esempio 2 – Caldaia a ciocchi
di legno a caricamento manuale
3
kW
kg
kW di
Impiantistica
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Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale
kW di
Impiantistica
litri x
60/105
Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale
Impiantistica
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Esempio 3 – Caldaia a ciocchi di legno a caricamento manuale
caldaia
Impiantistica
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Le caldaie a caricamento automatico si distinguono principalmente in:
- caldaie a cippato;
- caldaie a pellet.
Le caldaie a cippato utilizzano legno vergine ridotto in piccoli pezzi della
dimensione di qualche centimetro, caricato automaticamente per mezzo di
appositi dispositivi meccanici. Gli impianti a cippato sono totalmente
automatizzati e non hanno limiti dimensionali, potendo raggiungere potenze
anche di diversi MW termici. I rendimenti e il comfort sono gli stessi delle
caldaie a gas/gasolio. Per le caratteristiche di automazione e risparmio di
esercizio, gli impianti a cippato sono particolarmente indicati per il
riscaldamento di edifici di dimensioni medie o grandi, quali alberghi, scuole,
condomini, ospedali e centri commerciali.
Impiantistica
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Nel caso del cippato la combustione avviene generalmente in caldaie a griglia.
La griglia può essere:
- fissa, per bruciare materiali fini e a basso contenuto di umidità;
- mobile, per bruciare combustibili a pezzatura grossolana e ad alto contenuto di
ceneri ed umidità, quali le biomasse forestali fresche di taglio.
La caldaia a griglia fissa, sicuramente la più diffusa per la maggiore semplicità,
ha mostrato negli anni, oltre ad un’elevata affidabilità, anche alcuni limiti di
carattere funzionale possono essere sintetizzati come segue:
- una combustione non ottimale dovuta all’ammasso di ceneri o altri incombusti;
- una riduzione dell’efficienza della combustione, in quanto l’aria di
combustione primaria, immessa da opportuni fori praticati sulla griglia,
attraversa il letto di combustione, ma nelle zone a maggiore agglomerazione
non riesce a mescolarsi completamente con il combustibile;
- la pezzatura del cippato e la sua umidità tendono ad influenzare sensibilmente
l’efficienza della combustione.
Impiantistica
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Nel caso di caldaia con griglia fissa occorre che il combustibile abbia un’umidità
non superiore al 35÷40% sul tal quale e la pezzatura sia abbastanza fine ed il più
uniforme possibile. Pur con questi limiti intrinseci, le griglie fisse sono ancora
oggi ampiamente utilizzate ma con un limite di taglia; esse generalmente non
superano gli 800 kWt di potenza.
Bruciatore di
accensione
Aria
secondaria
Aria primaria
Impiantistica
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La caldaia a griglia mobile è caratterizzata da una continua movimentazione del
letto di combustione. Grazie a dei veri e propri scalini, il combustibile viene
trasportato verso il basso fino allo scarico. In questo modo si favorisce
l’evaporazione dell’umidità (si possono bruciare biomasse con umidità fino al
50÷55 % sul tal quale, contro il 35÷40 % nelle griglie fisse).
Inoltre, il continuo rimescolamento causato dal movimento della griglia, fa si
che l’aria di combustione raggiunga tutte le particelle di combustibile e la
temperatura del letto sia più uniforme, con il risultato che si producono meno
residui incombusti e la combustione risulta migliore con evidenti riflessi anche
sul rendimento complessivo dell’impianto (>80%).
Impiantistica
66/105
La caldaia a griglia mobile permette di ridurre i limiti delle griglie fisse e dunque
le rende assai più indicate per impianti di taglia media e grande alimentati con
combustibili meno standardizzati, soprattutto dal punto di vista dell’umidità, del
contenuto in ceneri e della pezzatura. Le potenze associabili a questa tipologia
di caldaia partono generalmente dagli 800 kW per raggiungere valori di molto
superiori, con applicazioni che vanno anche verso sistemi di teleriscaldamento
a servizio di più utenze.
Impiantistica
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Camera di combustione a griglia mobile a gradini
1. Ingresso del combustibile – coclea di alimentazione
2. Camera di combustione con raffreddamento ad acqua
3. Griglia a gradini raffreddata ad acqua
4. Zona di rimozione delle ceneri
5. Rimozione (automatica o manuale) delle ceneri dalla
griglia inferiore
6. Estrazione automatica delle ceneri della griglia
7. Accesso al meccanismo della griglia
8. Voltino ad irraggiamento
9. Massa refrattaria
10. Camera di combustione secondaria
11. Scambiatore di calore a tre giri di fumo
12. Sportello anteriore con dispositivo per la pulizia
automatica con aria compressa dei tubi della caldaia
13. Depurazione dei gas di scarico mediante multiciclone
separatore con estrazione automatica della cenere volatile
14. Ventilatore del gas di scarico
15. Sportello della griglia
- Percorso acqua
- Movimento griglia
- Percorso fumi
Impiantistica
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Nelle caldaie a caricamento automatico a pellet, grazie alla forma cilindrica e
liscia e alle piccole dimensioni del combustibile, che, una volta fluidificato,
ovvero permeato dall’aria, tende a comportarsi come un fluido, la
movimentazione del combustibile e il caricamento automatico viene agevolato.
Il trasporto per l’approvvigionamento può avvenire con autobotti, dalle quali il
pellet viene «pompato» direttamente nel serbatoio di stoccaggio dell’impianto.
L’elevata densità energetica e la facilità di movimentazione rendono il pellet il
combustibile vegetale più indicato per impianti di riscaldamento automatici di
tutte le dimensioni. Il pellet di legno può essere utilizzato anche nelle caldaie
progettate per cippato.
Impiantistica
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Negli impianti progettati per bruciare pellet l’accensione è automatica e molto rapida, per
mezzo di una resistenza elettrica. Nei sistemi più avanzati la regolazione dell’aria
comburente e del flusso di combustibile vengono effettuate automaticamente ad opera di
un microprocessore. Queste caratteristiche di semplicità d’uso e di automazione
conferiscono agli impianti di riscaldamento a pellet un elevato livello di comfort.
L’elemento qualificante per la sicurezza di una caldaia a pellet è costituito dai dispositivi
contro il ritorno di fiamma dal bruciatore verso il serbatoio. Il sistema più diffuso
consiste nell’interporre un tratto di caduta libera del pellet tra la coclea di trasporto e la
caldaia. Altri sistemi prevedono serrande tagliafiamma o valvole stellari.
Impiantistica
70/105
Impiantistica
xxx
1. Scambiatore di calore
2. Camera di combustione
3. Valvola tagliafuoco
4. Sistema rimozione ceneri
5. Estrattore combustibile
6. Sistema di controllo
7. Coclea alimentazione
Esempio di caldaia a pellet
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Impiantistica
Esempio di caldaia a pellet: P&ID
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Impiantistica
Caldaia a pellet
Braciere
Camera di
combustione
Scarico ceneri
Camera di
combustione
Braciere 73/105
Esempio di caldaia a pellet a condensazione
Impiantistica
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Negli impianti a caricamento automatico di taglie rilevanti è opportuno che
accanto al locale caldaia venga predisposto un locale (silo) per lo stoccaggio
del combustibile. Al fine di facilitare le operazioni di scarico del cippato e/o del
pellet dai mezzi di trasporto, il silo è situato spesso al di sotto del piano
stradale. Dal silo di alimentazione il combustibile viene estratto
automaticamente e convogliato, per mezzo di una coclea dosatrice, nella
caldaia, dove avviene la combustione.
Impiantistica
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Impiantistica
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
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Silo di stoccaggio da interno
(Capacità: 1,5 m3 – 15 m3)
È possibile stoccare il pellet in appositi sili posizionati all’interno dei
locali. Questi depositi sono progettati al fine di garantire uno
svuotamento ottimale e totale del combustibile; sul fondo è inoltre
prevista una coclea per l’alimentazione in caldaia. Il caricamento del
pellet avviene solitamente mediante autocisterna dotata di sistema
pneumatico.
Silo di stoccaggio interrato (Capacità: 8 – 11 m3)
Questa tipologia di stoccaggio permette di stoccare una grande
quantità di combustibile senza la necessità di aver disponibile spazi
interni. Allo stesso modo, tale configurazione permette di minimizzare
l’impatto visivo. Del silo rimane visibile solamente il coperchio
superiore che aperto permette il riempimento tramite autocisterna.
ImpiantisticaNella progettazione dell’impianto assume importanza fondamentale la scelta della tipologia di stoccaggio.
Dovendo garantire l’immagazzinamento di una quantità di combustibile tale da permettere il funzionamento
della caldaia in condizioni nominali per un certo intervallo temporale, il suo dimensionamento dipende dalla
taglia dell’impianto a cui è a servizio. Di seguito alcune tipologie in funzione della quantità stoccabile.
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Silo di stoccaggio da esterno
(Capacità: 5 m3 – 35 m3)
I sili di stoccaggio da esterno consentono elevate
capacità di carico. Solitamente presentano pareti in
lamiera zincata che evitano il deteriorarsi delle stesse a
causa di fenomeni di corrosione. Il pellet è trasferito alla
caldaia mediante una delle seguenti tecnologie: i)
sistema di trasporto pneumatico, ii) coclea.
Impiantistica
Silo di stoccaggio del tipo a balestre rotanti
(Capacità: 10 – 150 m3)
Questa tipologia è adatta sia per il pellet che per il
cippato di legna. Il funzionamento avviene mediante la
presenza di un agitatore composto da due balestre in
acciaio che, mosse da un motoriduttore, ruotano
trascinando il combustibile verso la coclea di
estrazione che presenta la sezione superiore aperta. Il
combustibile è poi inviato alla caldaia.
78/105
Silo di stoccaggio a piani mobili
(Capacità: 30 m3 – 700 m3)
Una tipologia di silo di stoccaggio è quello a piani mobili
che consente un’ottima adattabilità alle esigenze di
stoccaggio ed è solitamente utilizzato per cippato di
legno.
Questa tipologia di silo prevede la presenza di più
rastrelli mobili affiancati che vengono attuati
idraulicamente. I rastrelli infilano i profili metallici sotto la
biomassa trascinandolo verso l’estremità della struttura
del fondo silo ove è montata una parete metallica che lo
fa cadere nella coclea di estrazione. La coclea di
estrazione dunque trasferisce il combustibile verso la
coclea di alimentazione della caldaia.
Impiantistica
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Impiantistica
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
La centrale di cogenerazione a biomassa ligneo cellulosica, per produzione di energia
elettrica e teleriscaldamento presenta le caratteristiche riportate in tabella.
Tipologia combustibile Cippato di legno
Potenza nominale del generatore di vapore 2.000 kWth
Rendimento termico del generatore di vapore 90%
Potenza elettrica 300 kWe
Potenza termica resa 1.400 kWth
Stoccaggio della biomassa n.2 depositi coperti da 1296 m3 ciascuno
n.1 deposito all’aperto da 2160 m3 per un
capacità complessiva di 4752 m3
Nelle valutazioni seguenti si vuole:
1. Valutare il tempo di funzionamento a massimo carico della centrale garantito
dallo stoccaggio a disposizione
2. Valutare il consumo giornaliero e annuale e dunque l’impatto sul trasporto
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Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
Dati caratteristici della biomassa utilizzata:
• Tipologia combustibile: cippato
• Potere calorifico inferiore cippato (PCI): 13 MJ/kg
• Densità in mucchio del cippato (ρbd): 200 kg/m3
Contenuto energetico di 1 m3 di biomassa: = 𝑃𝐶𝐼 × 𝜌𝑏𝑑 = 2600𝑀𝐽
𝑚3 = 0,72𝑀𝑊ℎ
𝑚3
Lo stoccaggio energetico dell’impianto (4.752 m3) corrisponde dunque, dal punto di
vista energetico, ad una riserva pari a:
2600 × 4752 = 12355 𝐺𝐽 (ovvero circa 3.400 MWh).
A quanto ammonta il consumo di biomassa della centrale?
• Potenza nominale impianto (Pn): 2 MW
• Rendimento termico (ηth): 90%
Impiantistica
Potenza introdotta in camera di
combustione:
𝑷𝟎 = Τ𝑷𝒏 𝜼𝒕𝒉 = 𝟐, 𝟐 𝑴𝑾
81/105
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato• Potenza introdotta in camera di combustione (P0=Pn/ηth): 2,2 MW
• Ore annue di funzionamento (t): 7.500 h (dato di progetto)
Lo stoccaggio di cippato consente un tempo di funzionamento a massimo carico corrispondente
a:
=𝟑𝟒𝟎𝟎𝑴𝑾𝒉
𝟐,𝟐𝑴𝑾= 𝟏𝟓𝟒𝟓 𝒐𝒓𝒆
Pertanto, lo stoccaggio copre il 20% (1.545/7.500) circa del fabbisogno annuo di biomassa.
• Consumo annuo di cippato in volume: 𝑉𝑎𝑛𝑛𝑜 = Τ2,2 × 7500 0,72 = 22900 𝑚3 /anno
• Consumo giornaliero di cippato in volume:𝑉𝑑𝑖𝑒 = Τ22900 365 = 63 Τ𝑚3 𝑑𝑖𝑒
Quale impatto sul trasporto?
Impiantistica
Motrice: 8,00 x 2,44 x 2,60 = 50,75 m3 → 1,2 motrici al giorno;
Bilico: 13,60 x 2,44 x 2,60 = 86,28 m3 → 0,7 bilici al giorno;
Autotreno: (7,40+8,20) x 2,5 x 2,90 = 113,1 m3 → 0,6 autotreni al
giorno – ≈ 6 autotreni alla settimana (5 giorni lavorativi).82/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
La combustione delle biomasse produce quantità di inquinanti non trascurabili
soprattutto in impianti non ben progettati e controllati. I principali inquinanti da
considerare sono:
1. Particolato. La combustione di biomasse produce elevate emissioni di particolato,
anche al di sopra di 50 mg/m3 (11% volume di O2) [Nussbaumer, 2003]. Le
particelle emesse sono di tipo primario ultrafine e iperfine, quindi ben al di sotto
dei classici 10 μm (PM10). Le sorgenti sono due:• Fuliggine. Nell’intorno della particella durante il periodo di volatilizzazione si ha una
zona ricca di idrocarburi (in particolare i costituenti del tar). L’elevata temperatura
favorisce reazioni di pirolisi secondaria in fase gas con nucleazione di particelle solide
che attraversano il fronte di fiamma e aumentano di dimensioni aggregando altre
particelle inorganiche.
• Ceneri in quanto le biomasse hanno significativi contenuti di composti inorganici che
possono formare particelle solide.
Contenuto (mg/kg su base secca) di composti inorganici in alcune biomasse. [Obernberg e Thek, 2004].
83/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
Il particolato composto dalle ceneri volanti è suddiviso in due parti:
• Grossolano (d > 1μm) contenente Ca, Mg, Si, K e Al
• Fine (d < 1μm) la cui composizione è molto variabile.
Nelle ceneri è possibile ritrovare ossidi metallici come riportato in tabella.
Oltre agli ossidi, le ceneri possono contenere anche metalli tossici il cui livello può
essere significativo.
Contenuto (% peso di cenere) di ossidi metallici. [Demirbas, 2004]
Contenuto (mg/kg) di
metalli tossici nelle ceneri.
[Demirbas, 2005]
84/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
2. Incombusti. Si verificano quando la combustione non avviene in maniera
completa. Nel caso delle biomasse il problema principale non è dovuto alla
temperatura raggiunta o al tempo di permanenza bensì alla turbolenza (ossia al
mescolamento) tra aria e parti solide. I reattori a letto fluido, in questo contesto,
sono ovviamente preferibili ai letti fissi;
3. Ossidi di azoto. La formazione di ossidi di azoto avviene attraverso l’ossidazione
dell’azoto direttamente legato al combustibile che può raggiungere valori compresi
fra 0,1 – 2 % in peso. Meno importanti sono i meccanismi classici quali quello
termico (dovuto all’interazione tra azoto atmosferico e ossigeno) e quello prompt
(veicolato dalla interazione tra idrocarburi e azoto atmosferico) a causa delle
temperature elevate richieste (1200 – 1300 C) non sempre raggiungibili nella
combustione delle biomasse.
Dove C(N) e C(O) rappresentano un atomo di carbonio del residuo legato ad
un atomo di azoto e ossigeno rispettivamente.
La prima reazione è quella che origina NO, mentre la seconda spiega
l’accumulo di azoto nel char a partire dall’ossido di azoto formatosi nella
prima reazione. La terza è una reazione di riduzione di NO a azoto atmosferico.
85/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
3. Ossidi di azoto.
L’azoto legato può essere rilasciato
attraverso le sostanze volatili siano esse
gas o tar oppure trattenuto nel char. La
quantità di azoto che volatizza dipende dal
tipo di biomassa e dalle condizioni
operative:
• A bassa temperatura e per bassi
tempi di residenza, l’azoto rimane
legato al residuo carbonioso;
• Ad alte temperature l’azoto viene
rapidamente rilasciato.
Le biomasse trasferiscono in fase gas
l’azoto anche a temperature relativamente
basse (80% allo stato gassoso durante il
processo pirolitico a T = 850 – 900 K).
Concentrazione dell’azoto nel char
rispetto alla quantità iniziale al variare
della temperature di pirolisi, [Glarborg,
2003]
86/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
3. Ossidi di azoto.
Indipendentemente dal tipo di legame di partenza, se
la temperatura è sufficiente l’azoto viene attaccato da
diversi radicali e portato a formare NH e N. La
presenza o meno di un eccesso di aria è
responsabile dell’ossidazione a NO o della riduzione
a N2.Formazione di NO da azoto legato in funzione
dell’eccesso d’aria. [Glarborg, 2003]
Anche l’azoto legato al char subisce un’ossidazione
secondaria con formazione di NO con contributo
significativo alle emissioni complessive.
La quantità di azoto legato al char che viene ossidato
decresce all’aumentare della quantità di char.
Conversione dell’azoto legato al char a NO al
variare della quantità di residuo. [Glarborg, 2003]
87/105
Impiantistica
Energia da biomassa: impatto ambientale nullo?
Valori espressi al mg di inquinante per MJ di
combustibileCO COV* Particolato NOx CO2
Caldaie a legna di
vecchia generazione
A legna, con accumulo, 24 kW 5.900 1.500 103 67 0
A legna, carica legna grande16.400 4.800 2.200 28 0
A legna, carica legna piccola8.200 3.000 - 64 0
Caldaie a legna
moderne
Aria soffiata, fiamma inversa,
con accumulo707 14 27 125 0
Idem con legna umida 26% 507 33 25 111 0
Idem con legna umida 38% 3.781 690 89 101 0
Caldaie a pellet
Caldaia pellet, funzionamento a
potenza nominale30 1 13 - 0
Caldaia pellet, funzionamento
intermittente380 2 12 62 0
Caldaia a gasolio 2 1 12 37 60.000
Caldaia multi-combustibile gasolio, legna, pellet 9 32 6 41 -
*COV Composti Organici Volatili
88/105
Valori limite di emissione: Decreto Legislativo del 3/4/2006
Caso studio: campagna sperimentale
Impianti termici civili di potenza termica
nominale superiore a 0,035 MW (valore soglia)
Allegato IX – Parte V
Il tenore di ossigeno di riferimento è pari all’ 11% in volume nell’effluente gassoso
anidro. I valori limite sono riferiti al volume di effluente gassoso secco rapportato
alle condizioni normali (temperatura di 273,15 K, pressione di 101,3 kPa).
Impianti nuovi di combustione con potenza
termica nominale inferiore a 50 MW destinati
alla produzione di energia (combustibile solido)
Allegato I – Parte V
89/105
Appendice: risultati test sperimentali condotti su di una
caldaia a biomassa con diverse tipologie di combustibili
Impiantistica
90/105
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
91/105
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Misuratore di
portata
elettromagnetico
DiaframmaCelle di carico
Anemometro a
filo caldo
92/105
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa con
analizzatore fumi per CO, CO2, NO, SO e O2
ANALIZZATORE FUMI
PRELIEVO DEI FUMI
93/105
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino
di caldaia a biomassa: multi-impattore
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:
linea di campionamento per multi-impattore
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PM>10 μm 2,5 μm <PM<10 μm PM<2,5μm
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:
esempio di tre filtri prelevati da un multi-impattore
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Forno per condizionamento
filtri: 2 ore a 180°C
Essiccatore filtri: 4 ore sotto
vuoto a temperatura
ambiente
Bilancia di
precisione (5
cifre) per la
determinazione
dei pesi prima e
dopo i test
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
UTILIZZO DELLE BIOMASSE PROVENIENTI DALLE
COLTURE DEDICATE DEL COMPARTO AGRICOLO
MAIS SEMI DI
GIRASOLE
SEMI DI
SOIA
CARDO
● U: 17,4 %
● LHVumido:
15.491 kJ/kg
● U: 10,3 % ● U: 7,3 %
● LHVumido:
25.853 kJ/kg
● LHVumido:
14.558 kJ/kg
● U: 8,5 %
● LHVumido:
23.067 kJ/kg
● r: 1316 kg/m3 ● r: 577 kg/m3 ● r: 1179 kg/m3 ● r: 285 kg/m3
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
LHVUmido ηconversione max e
MAIS 14.558 kJ/kg 0,8 36 %
SEMI DI GIRASOLE
25.853 kJ/kg 0,7 22 %
SEMI DI SOIA
23.067 kJ/kg 0,6 22%
CARDO 15.491 kJ/kg 0,7 12%
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
PROBLEMI RISCONTRATI
Impossibile raggiungere
alte potenze
CARDORipetuto
spegnimento dell’
impianto
Dimensioni ridotte del braciere
Tipo di alimentazione: dal basso
Trinciatura
grossolana
Fiamma soffocata
BLOCCO DELLA
COCLEA
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Scambio termico col
fluido termovettore
difficoltoso
SEMI DI GIRASOLE
Presenza di residui oleosi nei fumi
Attaccamento della
fuliggine alle superfici di
scambio termico
PROBLEMI RISCONTRATI
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Impossibile raggiungere
alte potenze
SEMI DI SOIA
Combustione lenta
Impossibile aumentare la portata del
combustibile perché si avrebbe il rischio
soffocamento fiamma
PROBLEMI RISCONTRATI
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Valori espressi
in mg/Nm3
Granella di mais
Semi di girasole
Semi di soia
Valore limite
SO26 56 92 200
NO2249 184 70 500
CO 97 >500 >500 350
Valori limite enunciati nel
Decreto Legislativo del 3/4/2006
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Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi produzione ceneri in caldaia a biomassa
CENERI PESANTI
CLINKER
Composizione clinker: ossidi di potassio, silicati
Masse di ceneri fuse
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Impiantistica
Ceneri pesanti
[%] in peso
Ceneri da camera
fumi [%] in peso
Capacità di formazione
clinker
Tempo necessario per pulizia
caldaia
Mais 2,5 0,08 Elevata 40 min
Semi di girasole
4,6 0,25 Nulla 60 min
Semi di soia
8,7 0,15 Nulla 50 min
Cardo 2,6 0,09 Nulla 40 min
Campagna sperimentale – analisi produzione ceneri in caldaia a biomassa
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