Conversione energetica della biomassa:opportunità e prospettive

Paolo SilvaProfessore associato Dipartimento di energia Politecnico di Milano

BIOMASSA:OPPORTUNITA’ PER LO SVILUPPO SOSTENIBILE?

VENERDI’ 5 GIUGNO 2015 – TAIO (TN), SALA CONVEGNI C.O .CE.A.

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� Fonti di energia rinnovabile: classificazione

� Consumi energetici mondiali e situazione futura

� Risorsa energetica biomassa

� Calore per riscaldamento

� Cogenerazione di energia elettrica e calore

� Emissioni

Indice della presentazione

1. FONTI RINNOVABILI:- IDRAULICA

- BIOMASSE- EOLICA - SOLARE- GEOTERMICA- MAREE, CORRENTI MARINE, MOTO ONDOSO

2. FONTI NON RINNOVABILI:- Combustibili fossili:

- PETROLIO

- GAS NATURALE- CARBONE

- NUCLEARE

Le Fonti di Energia PrimariaLe Fonti di Energia Primaria

ENERGIA PRIMARIA

Gli Usi Finali di EnergiaGli Usi Finali di Energia

USI DIRETTI:

- PROCESSI INDUSTRIALI- TRASPORTI- RISCALDAMENTO- MATERIE PRIME per INDUSTRIA

CHIMICA

CONVERSIONE INENERGIA ELETTRICA

Energia idraulica

Energia solare

Energia eolica

Biomasse

Energia delle maree

Energia Geotermica

Energia delle correnti marine

Energia delle onde

+

+

+

Consumi mondiali di Energia PrimariaConsumi mondiali di Energia Primaria

EFFETTOEFFETTO SERRASERRA

In sintesiIn sintesi……

Esiste un “Problema Energetico”

- RISORSE LIMITATE, IN ESAURIMENTO- CONCENTRAZIONE RISORSE (problematiche

economiche, socio-politiche)- ACCESSO ALLE RISORSE (occorre consentire lo

sviluppo economico dei paesi del terzo mondo)- IMPATTO AMBIENTALE (effetto serra e inquinamento)

RISPARMIO ENERGETICO FONTI RINNOVABILI

Energia da biomassaEnergia da biomassa

CALORE ED CALORE ED

ENERGIA ELETTRICAENERGIA ELETTRICA

10Biomasse vegetali e animali

Produttori primari(organismi auto-trofi)

Erbivori Carnivori

Batteri

Materiainorganica

calore

respirazione

energia, materia organica

materia inorganica

materia organica morta

11Motivi di interesse

1) Biomasse sono una fonte di energia rinnovabile2) Emissioni nette di CO2 ~ zero3) Producibili in quantità adeguate nella maggior parte dei Paesi

del mondo4) Relativa facilità di stoccaggio5) Rivalutazione del materiale organico non utilizzato (residui) o

di scarti che pongono problemi di smaltimento (e.g. deiezioni animali)

6) Opportunità di reddito per l’agricoltura7) Incentivazione alla tutela di boschi e aree verdi8) Possibilità di creare occupazione nelle aree a rischio di

spopolamento (e.g. Comunità Montane)

12Processi e tecnologie per la produzione di energia

(sorgo da fibra, canna, cardo, miscanto, switchgrass, canapa)

SOSTANZA SECCA

CONVERSIONE TERMO-CHIMICA

PIROLISI

GASSIFICAZIONE LIQUEFAZIONE

COMBUSTIONE

OLIO CALORE

CONVERSIONE BIOLOGICA

(colza, girasole, soia)OLIO

ESTRAZIONE DELL'OLIO

OLIO VEGETALE

ESTERE + GLICERINA

AMIDO ZUCCHERO

FERMENTAZIONE

DISTILLAZIONE

LEGNO CELLULOSA

IDROLISI ACIDA O ENZIMATICA

BIOMASSA INSILATA

DIGESTIONE ANAEROBICA

BIOGAS

COMBUSTIBILE PER I TRASPORTI

ELETTRICITA' (E/O CALORE)

COLTUREENERGETICHE

SOSTANZA SECCA

(frumento, orzo, mais, sorgo da granella e zucchero,

barbabietola) CARBOIDRATI

ETANOLO SYNGAS

OLIO CARBONE

GAS

ESTERIFICAZIONE

Energia primaria in Italia-2012

FONTE: BP – Statistical review of world energy 2012

Il settore civile e terziario è un area strategicamente importante per i consumi energetici � 56.9 Mtep(la maggior parte dei consumi sono per riscaldamento/climatizzazione ).

Foreste in Italia 14

� 9.1 Mha di foreste (2012) - 33.6% pubbliche, 66.4% private

� Foreste alpino-montano-collinari (95%, bassa accessibilità)

� Incremento annuo (2012): 32,5 Mm3

� Prelievi (2012): 7,74 Mm3 24% dell’incremento65% � legno da energia35% � legno da industria

(Fonte: N. Andrighetto, D. Pettenella, 2014; Eurostat, 2013, AIEL 2013)

Gestione forestale sostenibile 15

rischio incendi

dissesto idrogeologico

creazione ricchezza eoccupazione

(aree montane)

Stesso bilancio di CO2

MA…grazie al beneficio energetico

� risparmio di CO2

Utilizzo del legno per riscaldamento 16

� Ogni 1.000 kWh di calore utile prodotto con il legno in sostituzione di metano e gasolio � risparmio 250-300 kg CO 2

� Ogni 10.000 litri di gasolio che sostituiamo con interventi di efficienza energetica e l’uso di biocombustibili legnosi prodotti localmente, lasciamo sul territorio non meno di 10.000 €/anno a sostegno dell’economica locale

� In Italia con il legno produciamo l’80% dell’energia termica rinnovabile , 27 milioni di t/a, circa il 16,5% dei consumi per riscaldamento (9.24 Mtep)

COGENERAZIONE: Definizione 17

Produzione combinata di energia elettrica e calore (combined heat and power , CHP), entrambi intesi come effetti utili.

Può essere effettuata utilizzando un “motore” (es. a combustione interna a pistoni, a turbina a gas, a turbina a vapore….) che genera energia elettrica, dal quale si recupera anche calore altrimenti disperso.

Il “motore” a seconda delle tipologie può essere alimentato con combustibili fossili (gas naturale, oli combustibili) o mediante biocombustibili rinnovabili (biogas, biocombustibili liquidi) o di risulta (RSU e derivati).

Combustibile 100

Motore

Energia elettrica 35

Recupero termico 55

Perdite termiche 10

RendimentoTotale 90%

Vantaggio energetico della cogenerazione18

Combustibile

Ec

Impianto cogenerativo

Energia elettrica

Calore

Perdite

EE

Et

Centrale elettrica

Caldaia

Combustibile

Ec,e

Combustibile

Ec,t

Caso cogenerativo

Caso base, produzione separata

Ee

� Si ottiene un vantaggio quando Ec nel caso cogenerativo è minore di Ec,e+Ec,t , a parità di effetti utili Ee e Et per l’utente finale

Perdite

Paolo Silva – Taio (TN), 5 Giugno 2015

Vantaggio energetico della cogenerazione19

Paolo Silva – Taio (TN), 5 Giugno 2015

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Thermal power from Thermal Oil

Thermal power to cogeneration

Electric Power

Thermal and electrical losses

100 % 79%

18 %

3%

21ESAMINIAMO TRE DIVERSI ESEMPI

• Primo esempio: un impianto che produce solo elettricità, senza recuperare il calore (rendimento elettrico = 33%) Energia primaria risparmiata = 0.33/0.525 = 63%

• Secondo esempio: un impianto che produce solo calore (rendimento termico = 80%)Energia primaria risparmiata = 0.80/0.90 = 89%

• Terzo esempio: un impianto di cogenerazione (rendimento elettrico = 18%, rendimento termico 62%)Energia primaria risparmiata = 0.18/0.525 + 0.62/0.90 = 103%

22EMISSIONI

1. Qualità del biocombustibile: legna, cippato, pellet , …

2. Comportamento del gestore dell’apparecchio

3. Progettazione, installazione e manutenzione impian to

4. Impianto fumario: installazione, manutenzione

5. Qualità del generatore: rendimento, fattori emissione, sistemi di

abbattimento

23EMISSIONI – Particolato da piccoli impianti termici

24EMISSIONI – Particolato da impianti più grandi

25EMISSIONI – Particolato da impianti più grandi

Elettrofiltri e filtri a maniche

26EMISSIONI – Particolato da impianti più grandi

Elettrofiltri e filtri a maniche

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� Biomassa: risorsa locale (valore socio-economico)

� Emissione nulla di CO2

� Combustione a griglia: ottima se utilizza tecnologie moderne di

combustione e abbattimento

� Cogenerazione da biomassa: metodo per massimizzare i benefici

energetici e ambientali

Conclusioni

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Grazie per l‘attenzione

Paolo SilvaDocente Dipartimento di energia Politecnico di Milano