Parte 1

Corso di Energetica A.A. 2015/2016
Conversione energetica delle biomasse
Prof. Ing. Renato Ricci
Dipartimento di Ingegneria Industriale e Scienze Matematiche
Università Politecnica delle Marche
Indice degli argomenti
i.
Biomasse e Biocombustibili: definizioni
ii. Principali tipologie impiantistiche
iii. Bionergie: lo scenario italiano attuale
iv. Biomassa: concetti generali
v. Valutazione della Biomassa
vi. Combustione diretta
vii. Gassificazione
viii. Tecnologia di Gassificazione
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Biomasse e Biocombustibili: definizioni
BIOMASSA VEGETALE
Sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
BIOMASSA ai sensi del D. Lgs. 387/2003
Parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente
sostanze vegetali ed animali), e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e
l’acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde urbano, nonché la parte biodegradabile
dei rifiuti industriali ed urbani.
BIOCOMBUSTIBILI
Combustibili solidi, liquidi o gassosi derivati direttamente dalle biomasse, oppure ottenuti a seguito di un
processo di trasformazione strutturale del materiale organico.
L’accesso al meccanismo degli incentivi è vincolato al rispetto di criteri di sostenibilità ambientale fissati
a livello europeo.
1.
BIODIESEL
6.
CIOCCHI
2.
BIOETANOLO
7.
BALLE DI PAGLIA
3.
CIPPATO
8.
BIOGAS
4.
PELLETS e SCARTI di LAVORAZIONE 9.
5.
BRICCHETTE e TRUCIOLI
GAS DI SINTESI
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Biomasse e Biocombustibili: definizioni
BIOMASSA VEGETALE
Sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
BIOMASSA ai sensi del D. Lgs. 387/2003
Parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente
sostanze vegetali ed animali), e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e
l’acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde urbano, nonché la parte biodegradabile
dei rifiuti industriali ed urbani.
BIOCOMBUSTIBILI
Combustibili solidi, liquidi o gassosi derivati direttamente dalle biomasse, oppure ottenuti a seguito di un
processo di trasformazione strutturale del materiale organico.
L’accesso al meccanismo degli incentivi è vincolato al rispetto di criteri di sostenibilità ambientale fissati
a livello europeo.
1.
BIODIESEL
6.
CIOCCHI
2.
BIOETANOLO
7.
BALLE DI PAGLIA
3.
CIPPATO
8.
BIOGAS
4.
PELLETS e SCARTI di LAVORAZIONE 9.
5.
BRICCHETTE e TRUCIOLI
GAS DI SINTESI
4
Principali tipologie impiantistiche
1. Impianti tradizionali con forno di combustione della
biomassa solida, caldaia che alimenta una turbina a
vapore accoppiata ad un generatore.
2. Impianti con turbina a gas alimentata dal syngas
ottenuto dalla gassificazione di biomasse.
3. Impianti a ciclo combinato con turbina a vapore e
turbina a gas.
4. Impianti termoelettrici ibridi, che utilizzano
biomasse e fonti convenzionali (co-combustione).
5. Impianti, alimentati da biomasse liquide, costituiti da
motori a combustione interna (MCI) accoppiati a
generatori (gruppi elettrogeni).
La tecnologia delle bioenergie non
necessariamente prevede il ricorso
a soluzioni impiantistiche dedicate
ed esclusive.
Spesso vengono mutuate tecnologie
già ampiamente diffuse da ambiti
similari ed affini.
5
Principali tipologie impiantistiche: impianti a Biogas
Nel caso, molto comune, di impianti alimentati da biogas prodotto dalle discariche controllate di rifiuti
urbani, le parti principali dell’impianto sono le seguenti:
1. sezione di estrazione del biogas da discarica (pozzi di captazione, linee di trasporto, collettori di
raggruppamento);
2. sezione di aspirazione e condizionamento del biogas da discarica (collettore generale, separatori di
condensa, filtri, aspiratori);
3. sezione di potenza per la produzione dell’energia elettrica (gruppi elettrogeni) e torcia (dispositivo di
sicurezza per bruciare l’eventuale biogas non combusto nella sezione di potenza).
La valorizzazione energetica della biomassa non avviene per combustione diretta della stessa, bensì
mediante un processo di trasformazione della materia che estrae biogas dalla frazione organica del
materiale.
6
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Consumi di energia in Italia da FER nel biennio 2012-2013
Le FER ricoprono un ruolo di primo piano
nell’ambito del sistema energetico nazionale,
avendo ormai raggiunto ampia diffusione in
tutti i settori d’impiego (Elettrico, Termico e
Trasporti).
2013:
- 20,7 Mtep (+5,7% rispetto al 2012);
- FER: 16,7% dei consumi finali lordi di
energia
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili (GSE, 2013)
7
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Consumi di energia in Italia da FER nel biennio 2013-2014
Le FER ricoprono un ruolo di primo piano
nell’ambito del sistema energetico nazionale,
avendo ormai raggiunto ampia diffusione in
tutti i settori d’impiego (Elettrico, Termico e
Trasporti).
2014:
- 20,2 Mtep (-2,4% rispetto al 2013);
- FER: 17,1% dei consumi finali lordi di
energia (valore superiore al target
sottoscritto per il 2020 del 17%);
Quasi la metà dei consumi si concentra nel
settore Termico, grazie soprattutto al forte
contributo delle bioenergie (biomassa solida
per riscaldamento residenziale).
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili (GSE, 2014)
8
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Consumi di energia in Italia da FER nel biennio 2013-2014
Ripartizione per fonte e settore
Ripartizione per fonte
Il contributo delle bioenergie risulta evidente: considerando tutti i settori di impiego esse raggiungono il 48% dei
consumi da FER e l’8.2% dei consumi totali.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili (GSE, 2014)
9
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Consumi di energia in Italia da FER 2005-2014
Nel 2014 la quota di consumi finali lordi di energia coperti dalle FER è risultata del 17,1%, un valore superiore
al target assegnato all’Italia dalla Direttiva 2009/28/CE (17%) e apparentemente non
distante dall’obiettivo individuato dalla Strategia Energetica Nazionale (19-20%).
Tale risultato raggiunto nel 2014, tuttavia, è da collegare non a un ulteriore incremento dei consumi, ma
principalmente agli effetti della crisi economica sui consumi finali lordi.
La possibilità di mantenere la quota dei consumi finali coperta da rinnovabili su tali livelli dipenderà
dunque, oltre che dal trend di diffusione delle FER stesse nei prossimi anni, anche dall’andamento dei consumi
(*)Rapporto statistico – Energia da fonti rinnovabili (GSE, 2014)
energetici totali a valle dalla crisi economica.
10
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Evoluzione della produzione elettrica
da fonti rinnovabili in Italia
Evoluzione della produzione
elettrica da bioenergie in Italia
Dal 2000 al 2014 la produzione elettrica da bioenergie ha registrato un tasso medio di crescita annuo del
19%. Nel 2014 le quote di produzione più alte sono state quelle del biogas (43,8%) e delle biomasse solide
(33%).
Particolarmente incisivo negli ultimi anni, sulla produzione elettrica totale da bioenergie, è stato il contributo
del biogas passato dai 1.665 GWh del 2009 ai 8.198 GWh nel 2014.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili: settore elettrico (GSE, 2014)
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Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Evoluzione della potenza e della numerosità degli impianti a bioenergie
A fine 2014 la maggior parte degli impianti italiani alimentati da bioenergie è risultato di piccola taglia (< 1
MW) e il contributo delle bioenergie nella produzione elettrica da FER ha raggiunto l’8%.
Il 42,8% dell’energia elettrica ottenuta dalle bioenergie nel 2014 è stata prodotta da impianti con potenza > 10
MW, il 41,1% da plant di capacità < 1 MW.
Gli impianti alimentati da bioenergie, installati in Italia a fine 2014, sono 2482, il 2,9% in più rispetto al 2013.
2000-2014: tasso medio annuo di crescita 13,9%.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
12
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Evoluzione della potenza e della numerosità degli impianti a bioenergie
Contributo delle biomasse alla produzione di energia in alcuni paesi europei
Enciclopedia degli idrocarburi ENI
A fine 2014 la maggior parte degli impianti italiani alimentati da bioenergie è risultato di piccola taglia (< 1
MW) e il contributo delle bioenergie nella produzione elettrica da FER ha raggiunto l’8%.
Il 42,8% dell’energia elettrica ottenuta dalle bioenergie nel 2014 è stata prodotta da impianti con potenza > 10
MW, il 41,1%
da plant di
capacità
< 1 MW.
Il primato
della
Finlandia
a livello europeo è giustificabile in ragione del notevole
contributo
apportato
dalla biomassa
Determinano
risultato al 2013.
Gli impianti
alimentati
da bioenergie,
installatiprodotta
in Italia dalla
a finesilvicoltura.
2014, sono 2482,
il 2,9% questo
in più rispetto
sia l’elevata superficie boschiva finlandese (70% del territorio nazionale) che il ridotto
2000-2014:
tasso medio
annuo
di crescita
13,9%.
numero
di abitanti
(circa
5.5 milioni
di abitanti).
(*)Rapporto statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
13
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale
del numero di impianti
alimentati da bioenergie
a fine 2014
L’attuale scenario italiano si caratterizza
per un’evidente disomogeneità nella
distribuzione del numero di installazioni.
La Lombardia è al primo posto (26,5%),
seguita dal Veneto (13,9%).
Muovendosi da Nord a Sud il numero
di impianti cala in maniera sistematica.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
14
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale
della potenza degli impianti
alimentati da bioenergie
a fine 2014
Primeggiano la Lombardia e l’Emilia
Romagna, che insieme detengono il
37,8% della potenza complessiva
installata nel territorio nazionale.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
15
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale della produzione da bioenergie
La quota di produzione associata alla valorizzazione energetica della frazione biodegradabile dei RSU
è fortemente variabile a livello nazionale. Uno dei fattori che marcano tale disuniformità risiede
nell’efficacia della raccolta differenziata: da questo punto di vista, la Lombardia è la regione più
virtuosa d’Italia, seguita da Emilia Romagna e Veneto.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
16
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale
della produzione
da RU biodegradabili
a fine 2014
La Lombardia detiene il primato della
produzione energetica nazionale da RU
biodegradabili (43,3% del totale
nazionale),
I valori di produzione sono nulli per
Valle d’Aosta, Umbria, Abruzzo e Sicilia.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
17
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale
della produzione da biogas
a fine 2014
L’Italia settentrionale fornisce l’82,1%
del totale nazionale.
Al primo posto la Lombardia, con il
33%
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
18
Bionergie: lo scenario italiano attuale (*)
Distribuzione regionale
della produzione da bioliquidi
a fine 2014
La Puglia, arrivando da sola ad una
quota del 31,5% dell’intera produzione
nazionale, segna una discontinuità
rispetto agli scenari delineati in
precedenza.
(*)Rapporto
statistico – Energia da fonti rinnovabili:
settore elettrico (GSE, 2014)
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Bionergie: lo scenario italiano futuro
Situazione attuale
Le FER coprono circa il 17% della domanda nazionale di Energia primaria: 1/3 di questa quota è in
capo alle bioenergie.
Obiettivi al 2020
Il Piano di Azione Nazionale per le energie rinnovabili (PAN), recependo gli impegni vincolanti della
Direttiva CE 28/2009 di sostituzione delle fonti fossili con quelle rinnovabili entro il 2020, assegna alle
bioenergie un ruolo di primaria importanza.
Obiettivi al 2020 (i valori si riferiscono al monte complessivo di produzione da FER che deve essere
raggiunto entro il 2020):
- 19% dei consumi di energia elettrica
- 54% dei consumi di energia termica
- 87% dei consumi di energia nel settore dei trasporti
Potenziale nazionale
Gli obiettivi al 2020 sottostimano il potenziale realisticamente disponibile in Italia. Ad oggi, il target di
9,8 Mtep fissato dal PAN è stato raggiunto per oltre il 60%; esso risulta di gran lunga inferiore al
potenziale stimato di 26,5 Mtep (ITABIA 2009).
Le bioenergie, programmate in una corretta ottica di sistema, sono in grado di contribuire al
sostegno dei settori connessi al commercio delle tecnologie ed alla produzione della materia prima.
Le filiere agroenergetiche offrono una concreta possibilità di nuova linfa per aziende agricole e
forestali.
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Concetti Generali
Il termine biomassa è stato introdotto per indicare tutti quei materiali di origine organica (vegetale o
animale) che non hanno subito alcun processo di fossilizzazione e sono utilizzati per la produzione di
energia.
Le biomasse rientrano fra le fonti rinnovabili in quanto la CO2 emessa per la produzione di energia non
rappresenta un incremento dell’anidride carbonica presente nell’ambiente, ma è la medesima che è
stata assorbita per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell’atmosfera attraverso i normali
processi degradativi della sostanza organica. L’utilizzo della biomasse ha quindi l’effetto di accelerare il
ciclo del carbonio. La differenza con i combustibili fossili è pertanto molto profonda: il carbonio
immesso in atmosfera è carbonio fissato nel sottosuolo che non rientra più nel ciclo del carbonio. In
questo caso si va a rilasciare in atmosfera vera e propria “nuova” CO2.
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Concetti Generali
Tipologie di Biomasse
• Biomasse Forestali
Per biomassa forestale si intende l’insieme dei
prodotti di scarto ottenuti dal taglio dei boschi.
La biomassa forestale oggi può essere utilizzata
per alimentare caldaie ad altissimo rendimento,
fino al 90%, rendendola economicamente
competitiva con molti combustibili fossili.
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Concetti Generali
Tipologie di Biomasse
• Biomasse Forestali
Per biomassa forestale si intende l’insieme dei
prodotti di scarto ottenuti dal taglio dei boschi.
La biomassa forestale oggi può essere utilizzata
per alimentare caldaie ad altissimo rendimento,
fino al 90%, rendendola economicamente
competitiva con molti combustibili fossili.
• Agroenergie
Le agroenergie comprendono la biomassa
coltivata specificatamente per fini energetici.
In alcuni paesi si stanno sperimentando
coltivazioni pilotate di vegetali a crescita veloce
da utilizzare per produrre energia, ad esempio per
alimentare piccole centrali elettriche come già
avviene negli USA, in India e in Giappone.
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Concetti Generali
Tipologie di Biomasse
• Biocarburanti
Dalla fermentazione di specie vegetali ricche di
zuccheri, come canna da zucchero, barbabietole e
mais, spesso prodotte in quantità maggiori al
fabbisogno alimentare, si può ricavare l'etanolo o
alcool etilico, che può essere utilizzato come
combustibile per i motori a combustione interna,
in sostituzione dei combustibili tradizionali. Dalle
coltivazioni oleaginose (girasole, colza, soia) si
può ricavare per spremitura il cosiddetto
biodiesel.
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Concetti Generali
Tipologie di Biomasse
• Biogas
Oltre ai vegetali coltivati, anche i rifiuti vegetali e
liquami di origine animale possono essere
sottoposti a digestione o fermentazione
anaerobica. La biomassa viene chiusa in un
digestore nel quale si sviluppano microorganismi
che con la fermentazione dei rifiuti formano il
cosiddetto biogas. Successivamente, si effettua un
trattamento depurativo del biogas prima del suo
sfruttamento energetico (produzione di energia
elettrica e/o termica)
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Concetti Generali
Tutti i più importanti scenari energetici includono l’energia prodotta da biomassa come la principale
fonte di approvigionamento energetico del futuro.
Esistono vari tentativi di stima del potenziale dell’energia prodotta da biomassa che differiscono fra loro in
maniera sostanziale per i seguenti motivi:
• natura complessa della produzione della biomassa
• difficoltà nella stima della disponibilità della risorsa
• ampio range di tecnologie per la conversione energetica
Nonostante l'importanza delle bioenergie, sorprendentemente sono disponibili poche informazioni
attendibili e dettagliate sul consumo e la fornitura di biomassa, e non esiste un sistema standardizzato
per le misure e le procedure contabili.
Questa grave mancanza di informazioni è di impedimento per i responsabili politici ed i pianificatori nel
formulare soddisfacenti politiche energetiche sostenibili.
I metodi utilizzati per valutare la disponibilità di biomassa variano in funzione degli aspetti di seguito
indicati:
- scopo a cui sono destinati i dati
- dettaglio richiesto
- informazioni già disponibili per il particolare sito di interesse
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Valutazione della Biomassa
Elementi chiave per una valutazione della disponibilità di biomassa
• Definire finalità e obiettivi
Definire chiaramente la finalità e gli obiettivi della valutazione.
• Identificare il destinatario della valutazione
Aver bene presente i destinatari dei dati che si stanno producendo. Ad esempio, decisori politici, progettisti e project
manager necessitano di informazioni espresse in modi diversi e con differente livello di dettaglio.
• Determinare il livello di dettaglio
Decidere il grado di approfondimento richiesto per i dati. I responsabili politici, ad esempio, possono essere più
interessati ad informazioni aggregate; i progettisti, molto probabilmente, richiederanno informazioni molto
dettagliate, dati disaggregati.
Nei casi in cui sono necessari dettagli molto spinti bisogna indicare per ogni tipo di biomassa disponibilità,
accessibilità, convertibilità, per l’uso attuale e per le tendenze future.
• Ricerca dei dati esistenti
La FAO (Food and Agriculture Organization) è la principale fonte di dati sulla disponibilità delle biomasse; i
dati di biomassa legnosa in particolare, sono pubblicati, per esempio, nel World’s Forest Inventories.
La FAO e altre agenzie solitamente derivano le loro informazioni da relazioni sui paesi, molte delle quali non
sono state aggiornate per un considerevole periodo di tempo, con la conseguenza che non sempre è possibile
ricostruire un quadro fedele; le ragioni di ciò derivano, ad esempio, dalla carenza di risorse e da pregiudizi contro
le bioenergie. Inoltre, i dati disponibili sono stati prodotti principalmente per fini commerciali (valutazione di
legno industriale). In molti paesi in via di sviluppo, le informazioni sulle scorte di crescita e sul rendimento sono
incomplete e generalmente imprecise.
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Valutazione della Biomassa
Principali problematiche legate ai dati disponibili sulle biomasse legnose
• La maggior parte dei dati pubblicati sulle biomasse legnose non considera alberi al di fuori delle foreste e dei
boschi e, quindi, ignora che la raccolta di legna da ardere è concentrata principalmente al di fuori delle zone
boschive.
• I dati pubblicati ignorano anche alberi di piccolo diametro e arbusti, che sono fra le fonti più importanti.
Così, per quanto riguarda la fornitura di combustibile, aree di grandi dimensioni vengono talvolta trascurate.
• La mancanza di metodi standard per documentare la fornitura o il consumo di biomasse potrebbe rendere
difficile il confronto o l’integrazione di dati provenienti da indagini precedenti.
• Decidere la tecnica di misura della biomassa
Ai fini della progettazione di un impianto a biomasse, è necessario ottenere più di una conoscenza empirica della
disponibilità di combustibile, utilizzando precisi criteri scientifici. In futuro, la necessità di metodi standardizzati
per la misurazione di biocarburanti crescerà, sostenuta dalla diffusione di nuove applicazioni industriali che
utilizzano la biomassa per il proprio esercizio. Esistono vari metodi e tecniche per la misurazione della biomassa,
in funzione del volume, del peso o della lunghezza.
Il settore forestale commerciale misura tradizionalmente la biomassa legnosa in funzione del volume. Tuttavia, i
combustibili da biomassa presentano tipicamente una pezzatura di forma irregolare (ad esempio, piccoli rami,
ramoscelli, legno spaccato, steli, ecc), ragion per cui il volume è un metodo di misura inappropriato. Se ne
deduce che, per la conversione energetica delle biomasse, il metodo di misurazione più appropriato è il peso.
28
Valutazione della Biomassa
La dendrometria (dalle parole greche “dendron”, albero, e “mètron”, misura) è la scienza che studia le
tecniche di calcolo dei valori biometrici relativi ad un albero o ad un bosco.
Le principali tecniche dendrometriche si basano su approcci di tipo statistico e geometrico.
DBH = diameter at breast height
29
Valutazione della Biomassa
Uno dei principali metodi per la stima del volume legnoso si basa sull’utilizzo dei protopiti
dendrometrici. Il fusto dell’albero viene assimilato ad un paraboloide di rivoluzione generato dalla
rotazione di una parabola avente come asse di simmetria l’asse del fusto ed il vertice coincidente con la sua
sommità.
Il volume di un fusto si esprime come il volume del cilindro avente per base quella del fusto e per
altezza l’altezza del fusto moltiplicata per il coefficiente di forma assoluto.
V   R f0
2
f0 
1
2r  1
r  0 cilindro
r  1 3 paraboloide semicubico (b)
r  1 2 paraboloide apollonico (c)
r  2 3 paraboloide cubico (d)
(e)
r  1 cono
(f)
r  3 2 neioloide
Si dimostra che, dati l’altezza h0 del fusto e due diametri D1 e D2 misurati
alle altezze h1 (prossima al suolo) e h2 (intermedia tra h1 e la sommità del
fusto), si ha:
h0  h2
D2
r
h0  h1
D1
30
Valutazione della Biomassa
Ipsometro di Blume-Leiss
Lo strumento, impiegato per il calcolo dell’altezza di
un albero, opera preferenzialmente a distanze
prefissate di 15, 20, 30 o 40 m da esso.
Lo strumento, robusto e leggero, è costituito da un
pendolo oscillante provvisto di un fermo di sblocco
attivato dall’operatore. L’operatore prima traguarda
verso la base dell’albero, rilascia il blocco per poi
riattivarlo a misura completata, e legge l’altezza
rilevata segnata sulla scala corrispondente alla
distanza di rilievo. Successivamente, traguarda la
cima dell’albero e ne rileva l’altezza. A seconda della
posizione relativa dell’operatore rispetto all’albero, le
due altezze rilevate sono sommate o sottratte, e
successivamente corrette in base alla pendenza del
terreno.
31
Valutazione della Biomassa
Remote Sensing
• Tecniche ottiche: sono stati sviluppati appositi indici di valutazione della densità di biomassa basati sulla
notevole capacità di assorbimento nel rosso e sulla forte riflettività nell’IR vicino.
• Polarimetric SAR (Synthetic Aperture Radar (SAR)): è una tecnica a micronde che si basa sulla valutazione
della riflessione da parte della superficie terrestre.
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Valutazione della Biomassa
Remote Sensing
• Tecniche ottiche: sono stati sviluppati appositi indici di valutazione della densità di biomassa basati sulla
notevole capacità di assorbimento nel rosso e sulla forte riflettività nell’IR vicino.
• Polarimetric SAR (Synthetic Aperture Radar (SAR)): è una tecnica a micronde che si basa sulla valutazione
della riflessione da parte della superficie terrestre.
• Lidar (Light Detection and Ranging): misura l’altezza della vegetazione con grande accuratezza (fino al
millimetro), ed è pertanto considerata la miglior tecnica di valutazione della vegetazione. Presenta un grosso
limite legato alla ridotta risoluzione spaziale.
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Valutazione della Biomassa
Remote Sensing
• Tecniche ottiche: sono stati sviluppati appositi indici di valutazione della densità di biomassa basati sulla
notevole capacità di assorbimento nel rosso e sulla forte riflettività nell’IR vicino.
• Polarimetric SAR (Synthetic Aperture Radar (SAR)): è una tecnica a micronde che si basa sulla valutazione
della riflessione da parte della superficie terrestre.
• Lidar (Light Detection and Ranging): misura l’altezza della vegetazione con grande accuratezza (fino al
millimetro), ed è pertanto considerata la miglior tecnica di valutazione della vegetazione. Presenta un grosso
limite legato alla ridotta risoluzione spaziale.
• SRTM (Shuttle Radar Topography Mission): è un
programma internazionale promosso dalla NASA che
è riuscito ad ottenere un modello digitale di
elevazione del suolo terrestre su una scala quasi
globale, dai 56°S ai 60°N di latitudine, con
l’obiettivo specifico di generare il più completo
database topografico digitale del globo terrestre ad
alta risoluzione. La tecnica impiegata è conosciuta
come Interferometric Synthetic Aperture Radar.
34
Valutazione della Biomassa
Remote Sensing
SRTM (Shuttle Radar Topography Mission)
35
Concetti Generali
Filiere di produzione per i vettori energetici da biomasse
La conversione energetica
della biomassa può essere
destinata alla sola produzione
elettrica o alla produzione
combinata
di
energia
elettrica e calore (CHP).
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Concetti Generali
Filiere di produzione per i vettori energetici da biomasse
Processi termochimici
• Combustione diretta
• Gassificazione (pirolisi)
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Concetti Generali
Filiere di produzione per i vettori energetici da biomasse
Processi biochimici
• Digestione anaerobica
• Trasformazione idrolitica
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Combustione diretta
Impianti a Biomasse a Combustione Diretta
L’energia termica recuperata dalla combustione diretta della biomassa viene utilizzata per processi
produttivi industriali oppure per generare energia elettrica attraverso cicli a vapore.
La produzione di energia tramite cicli a vapore non sempre consente di ottenere elevati rendimenti di
generazione elettrica: per impianti di media e grande taglia i rendimenti si aggirano attorno al 25%,
risultando nettamente inferiori nel caso di piccola taglia.
t  0.25
Pe  10MWe
Wc: potere calorifico superiore
Wcm: potere calorifico inferiore
Il PCI della biomassa è legato, oltre che al suo quantitativo d’acqua, al contento di C, H e rispecchia le
caratteristiche chimiche dei componenti presenti (lignina, cellulosa, resine).
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Combustione diretta
Impianti a Biomasse a Combustione Diretta
Cippato di legno: è un termine che deriva dall’inglese "chip", che significa “scaglia”; viene prodotto con
macchine cippatrici sminuzzando il legno in scaglie di dimensioni variabili, con lunghezza e spessore di
pochi centimetri. Questa frammentazione del legno permette il caricamento automatico nei forni di
combustione.
Il potere calorifico di questo combustibile dipende dal tipo di legno utilizzato e dalla umidità residua.
40
Combustione diretta
Impianti a Biomasse a Combustione Diretta
Impianto a biomasse
situato nel comune di
Strongoli ed alimentato
a cippato di legno.
Potenza installata:
46,0 MW
Producibilità annua:
260.000 MWh.
41
Gassificazione
Impianti di Gassificazione della Biomassa
La biomassa, prima di essere introdotta nel reattore che ne avvia il processo di gassificazione,
è opportunamente pretrattata per risultare idonea alle successive trasformazioni
termochimiche, in modo da regolarne la pezzatura ed il grado di umidità: quest’ultimo viene
controllato attraverso un impianto di essiccamento che sfrutta il calore proveniente dal reattore
di gassificazione in cui ha luogo l’intero processo.
Nel reattore vero e proprio la gassificazione
avviene essenzialmente in tre stadi successivi:
• Pirolisi
• Ossidazione
• Riduzione
42
Gassificazione
Pirolisi
Rappresenta il primo stadio della gassificazione, ed è un processo di decomposizione termochimica del solido organico,
ottenuto mediante l’apporto di calore, a temperature comprese tra 400-800°C in completa assenza di agente
ossidante.
Gas di Pirolisi: N2, CO2, CO, CH4, H2, + IDROCARBURI come ETANO e ETILENE, vapor
d’acqua
Prodotti pirolisi
Frazione Liquida: SOSTANZA ORGANICHE: acidi, alcoli, aldeidi, chetoni, esteri e composti
fenolici, aventi un basso peso molecolare medio rispetto a quello della
biomassa. La frazione liquida è detta tar.
Frazione Solida: solidi organici non convertiti, carbonio solido residuo proveniente dalla
decomposizione della biomassa, materiali inorganici (cenere).
La frazione solida della biomassa è detta char.
I prodotti della pirolisi sono molteplici e non facilmente determinabili; essi dipendono dai metodi di
pirolizzazione.
43
Gassificazione
Ossidazione
Ossidazione: il secondo stadio del processo di gassificazione è un processo di combustione parziale dei prodotti di
pirolisi e della biomassa fresca. In questa fase, infatti, una parte delle sostanze carboniose prodotte nel primo stadio e
parte della biomassa fresca sono bruciati con aria in difetto rispetto alla condizione stechiometrica, con l'unico
scopo di fornire il calore necessario alle reazioni endotermiche di gassificazione.
Le tipiche reazioni esotermiche che avvengono nella fase di ossidazione sono descritte come segue.
• Combustione del carbonio solido
1
C  O2  CO
2
C  O2  CO2
H 0  123KJ
H 0  406KJ
• Combustione del monossido di carbonio
1
CO  O2  CO2
2
H 0  283KJ
• Combustione dell’idrogeno
1
H 2  O2  H 2O
2
H 0  242 KJ
44
Gassificazione
Riduzione
Riduzione: il terzo stadio della gassificazione comprende un elevato numero di reazioni, sia esotermiche che
endotermiche, che hanno luogo generalmente in una zona del gassificatore, denominata letto di riduzione, in cui è
presente carbonio solido che reagisce con i prodotti della pirolisi e dell'ossidazione. Le reazioni tipiche che avvengono
nel terzo stadio sono di seguito elencate.
• Gassificazione del carbonio con biossido
C  CO2  2CO
H 0  160 KJ
C  H 2O  CO  H 2
H 0  283KJ
C  2 H 2O  CO2  2H 2
H 0  78KJ
2C  2 H 2O  CO2  CH 4
H 0  11KJ
• Gassificazione con acqua
• Gassificazione con idrogeno
C  2 H 2  CH 4
H 0  87 KJ
45
Gassificazione
Riduzione
• Gassificazione con idrogeno
CO  H 2O  CO2 + H 2
H 0  41KJ
• Processo diretto per la metanazione ed inverso per lo steam reforming
CO  3H 2  CH 4  H 2O
H 0  206 KJ
2CO  2 H 2  CH 4  CO2
H 0  248 KJ
CO  4 H 2  CH 4  2 H 2O
H 0  217 KJ
Infine, si ha la separazione delle frazioni prodotte che può avvenire in maniera diretta (per caduta o per diversità
delle fasi) o indiretta (per azione meccanica attraverso lavaggi e centrifughe). In particolare si ha la separazione nelle
seguenti fasi:
i.
Fase Gassosa (Syngas): composta sostanzialmte da CO, CH4, H2 CO2, N2, ossidi d’azoto e composti azotati quali
HCN e NH3.
ii. Fase Liquida: composta da acqua, idrocarburi pesanti, metalli alcalini (Na, K).
iii. Fase Solida: composta dal carbonio residuo che non ha preso parte alle reazioni, ceneri, insieme ad altre
sostanze come ossidi di alluminio, silicio ecc.. Il carbone prodotto può essere riutilizzato per rigenerare il letto
di riduzione. Nella fase solida si trovano anche depositi di particolati che, a seconda delle dimensioni, possono
essere presenti anche in sospensione nella fase liquida e nella fase gassosa.
46
Gassificazione
Riduzione ed effetti indesiderati
In aggiunta è presente una fase semisolida o semiliquida oleosa di catrame vegetale. Esso costituisce un prodotto
indesiderato in quanto, anche se ha rispetto al catrame bituminoso meno idrocarburi aromatici e cancerogeni,
presenta abbondanti costituenti fenolici, composti azotati e ossigenati, comunque tossici.
La produzione di catrame è massima con bassi tempi di residenza e moderate temperature 500÷600 °C; ciò è
dovuto alla lentezza delle reazioni di decomposizione del catrame stesso al di sotto dei 600 °C.
E’ preferibile quindi che venga minimizzata la formazione di catrame già nello stadio della pirolisi e vengano favorite,
nello stadio successivo, le reazioni in fase gassosa del catrame, in particolare quelle di cracking.
La completa distruzione del catrame può essere ottenuta solo utilizzando alte temperature, almeno al di sopra di
1000 °C, che però comportano problemi di fluidizzazione, oppure mediante l’impiego di appositi catalizzatori, che
nel reattore vengono di fatto resi inefficaci per la presenza di residui solidi carboniosi. In definitiva, dal gassificatore
esce un gas di sintesi contenente comunque catrame e altri prodotti indesiderati oltre al carbone ed alle ceneri, per la
cui eliminazione si rende necessario un adeguato trattamento di pulitura e smaltimento.
Syngas (Gas di sintesi)
La composizione tipica del Syngas proveniente dalla
gassificazione varia a seconda dell’agente ossidante
impiegato, della tipologia di biomassa e del tipo di
tecnologia di gassificazione utilizzata.
Anche il potere calorifico (PCS) del Syngas è influenzato
notevolmente dalla tipologia di biomassa e dall'agente
ossidante. Valori tipici oscillano in un ampio intervallo, (4 15 MJ/Nmc).
47
Gassificazione
Problematiche Syngas
Oltre a CO, H2 , CH4 , CO2, N2 il syngas contiene contaminanti, la cui concentrazione deve essere ridotta al minimo
per non danneggiare o influenzare il successivo trattamento e/o utilizzo, e per limitare l’emissione di questi in
atmosfera.
I principali contaminanti sono:
• contaminanti gassosi (principalmente H2S, SO2, NOx, HCl ed altri composti clorati)
• composti carboniosi condensabili (tar)
• metalli pesanti (Hg, ecc.)
• alcali e polveri
Il livello di depurazione che è necessario raggiungere dipende dall’utilizzazione finale a cui il syngas è destinato.
Un livello di depurazione non troppo spinto (depolverazione) può essere sufficiente nel caso di un suo utilizzo come
gas riducente per processi industriali o come combustibile in forni per la produzione di cemento o laterizi.
Una depurazione maggiore è necessaria nel caso di generazione di energia elettrica con motori volumetrici a
combustione interna (depolverazione e desolforazione), o con turbine a gas e celle a combustibile ad alta temperatura
(depolverazione e rimozione specie solforate ed alcaline).
La massima purezza è indispensabile quando il syngas è utilizzato in tutti i processi che fanno uso di catalizzatori
selettivi: produzione di metanolo o di altri idrocarburi combustibili (generalmente indicati col nome di synfuels),
ammoniaca o idrogeno destinato alle celle a combustibile a bassa temperatura.
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Gassificazione
Considerazioni sulla gassificazione
• La gassificazione è industrialmente utilizzata anche per la produzione di elettricità utilizzando cicli combinati
integrati di gassificazione (Integrated Gasification Combined Cycle - IGCC).
• La gassificazione (a prescindere dal tipo di combustibile finale prodotto) e i successivi processi correlati non
emettono né sequestrano gas serra quali il diossido di carbonio. Essa NON influenza il ciclo del carbonio.
• Ovviamente la combustione del syngas o dei combustibili prodotti portano alla formazione di anidride carbonica.
Tuttavia la gassificazione della biomassa può avere un ruolo significativo nell'ambito dell'energia rinnovabile, in
quanto la produzione di biomassa rimuove l'emissione di CO2 in atmosfera.
• Le tecnologie che portano alla produzione di biogas e biodisel hanno anch’esse un bilancio neutro di CO2 nell’ambito
del ciclo di vita del carbonio. La gassificazione presenta, però, una maggiore versatilità in termini di materie prime
utilizzabili ed in termini di combustibili producibili. La gassificazione, inoltre, risulta estremamente efficiente
nell’estrazione di energia dalla biomassa.
• Secondo alcuni studi la gassificazione della biomassa è una delle tecnologie più versatili ed economiche
nell'ambito delle energie rinnovabili.
•Attualmente la gassificazione delle biomasse su scala industriale è poco diffusa nel mondo. Il Renewable Energy
Network Austria (RENET) si è fatto promotore di diversi impianti dimostrativi di gassificazione delle biomasse,
incluso un impianto a doppio letto fluido che, sfruttando legno di ridotta pezzatura, fornisce dal 2002 alla città di
Güssing 2 MW di elettricità e 4 MW di energia termica.
49
Tecnologia di Gassificazione
Classificazione dei gassificatori
I gassificatori per biomasse possono essere classificati a seconda del metodo utilizzato per la conversione (metodi
indiretti e diretti), oppure in funzione della condizione di pressione che si instaura all’interno del sistema. La
gassificazione indiretta, usa un vettore termico, come la sabbia, per trasferire calore dal bruciatore alla camera di
gassificazione. Nella gassificazione diretta, invece, il calore alla camera è fornito dalla combustione di una parte
delle biomasse.
I gassificatori possono operare a pressione atmosferica o possono essere pressurizzati: nel funzionamento a
pressione atmosferica la configurazione d’impianto e la gestione delle ceneri sono relativamente semplici; mentre il
funzionamento in pressione, seppure più complesso e più costoso, permette di ottenere un gas di sintesi più pregiato,
e di recuperare energia dall’eventuale espansione del gas stesso.
Nelle tabelle che seguono sono elencate le diverse architetture di gassificatore, e le caratteristiche del Syngas in
funzione della particolare tecnologia di gassificazione impiegata.
Gassificatore
Atmosferico
Pressurizzato
Acronimo
A letto fluido circolante
C.F.B. (Circulating Fluidized Bed)
A letto fluido bollente
B.F.B. (Bubbling Fluidized Bed)
A letto fisso controcorrente
U.G. (Updraft Gasifier)
A letto fisso equicorrente
D.G. (Dawndraft Gasifier)
A letto trascinato
E.B.G. (Entrained Bed Gasifier)
A ciclone
C.G. (Cyclonic Gasifier)
50
Tecnologia di Gassificazione
Effetto del gassificatore sulle caratteristiche del Syngas
51
Tecnologia di Gassificazione
Letto fisso in equicorrente
Il gassificatore a letto fisso equicorrente (D.G.) consiste in un letto fisso costituito da combustibile in cui il flusso di
gassificante viene immesso in equicorrente verso il basso col combustibile. È necessario riscaldare la parte
superiore del letto bruciando piccole quantità di combustibile oppure utilizzando una fonte di calore esterna.
L'efficienza energetica è paragonabile a quella del gassificatore in contro-corrente. Dato che in questo genere di
impianto il catrame prodotto deve passare attraverso un letto caldo di carbone, il gas prodotto è più pulito di quello
ottenuto in contro-corrente.
Drying zone
Pyrolysis zone
Combustion zone
Reduction zone
1. La biomassa viene essiccata mediante il calore prodotto nel reattore.
2. La biomassa pirolizza producendo syngas, tar e char.
3. Parte dei prodotti della pirolisi e la biomassa bruciano con aria per
fornire il calore richiesto.
4. I gas prodotti reagiscono con il residuo carbonioso solido per
produrre ulteriore CO e H2.
5. Il residuo carbonioso solido e le ceneri cadono attraverso la griglia
inferiore.
Tra i vantaggi del gassificatore a letto fluido equicorrente vi è
sicuramente la semplicità della struttura, la versatilità nei confronti
della biomassa, il discreto livello di pulizia del gas prodotto, in
particolare nei confronti degli idrocarburi pesanti. Ciò è dovuto alle
temperature più elevate del gassificatore, rispetto al caso
controcorrente, che permettono di scindere gli idrocarburi mediante
azione termica (cracking termico). Tra gli svantaggi, invece, c'è la
necessità di utilizzare biomassa con un ridotto tasso di umidità e
l’elevata temperatura del syngas, per cui bisogna prevedere una
sezione di recupero termico.
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Tecnologia di Gassificazione
Letto fisso controcorrente
Il gassificatore a letto fisso controcorrente (U.G.) consiste in un letto fisso costituito dal combustibile attraverso il
quale si fa passare il flusso di gassificante (vapore, ossigeno e/o aria) contro-corrente. Le ceneri vengono rimosse
anidre o sotto forma di scoria fusa.
1. Il syngas caldo che sale essicca la biomassa che scende verso il basso.
2. La biomassa essiccata pirolizza ad alta temperatura, i gas prodotti alimentano il
syngas che sale, mentre il carbonio solido scende.
3. Il carbonio solido si riduce reagendo con i prodotti di combustione per
produrre ulteriore CO e H2.
4. Parte della biomassa fresca e il residuo carbonioso solido bruciano con aria.
5. Le ceneri si separano e cadono sul fondo.
I vantaggi di questa tecnologia risiedono nella versatilità, nella possibilità di
processare biomasse ad elevato contenuto di umidità, nella semplicità della
struttura, che comunque risulta robusta, nell’elevata efficienza termica, nella
bassa temperatura di uscita del syngas e nella possibilità di coprire una vasta
gamma di potenze.
Se da un lato la temperatura non troppo elevata del syngas riduce le perdite nella
sezione di clean-up, tra gli svantaggi va ricordato che non vi è la possibilità di
disporre di una fonte di calore interna da utilizzare per la produzione del
vapore necessario al processo di gassificazione (manca una sezione di recupero
termico). Inoltre, data l’elevata quantità di idrocarburi pesanti, è necessario
dotare il sistema di una sezione di lavaggio del syngas, con incremento dei costi
complessivi.
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Tecnologia di Gassificazione
Letto fluido bollente e circolante
I gassificatori a letto fluido bollente (B.F.B.) prevedono un intimo contatto tra la fase solida della biomassa e
quella gassosa dell’agente ossidante. Il moto all’interno del reattore distribuisce i reagenti in tutto il volume,
eliminando i gradienti di temperatura.
La tecnologia a letto fluido circolante (C.F.B.) permette, tramite il ricircolo del gas di sintesi, del carbonio residuo e
dell’inerte impiegato come catalizzatore, di aumentare il grado di purezza e il contenuto energetico del gas di
sintesi.
La immagini che seguono mostrano le due tipologie di gassificatori a letto fluido bollente e circolante.
Gassificatore a letto fluido bollente
Gassificatore a letto fluido circolante
Syngas
Biomassa
Agente ossidante
Ricircolazione dei prodotti
della gassificazione
Ceneri
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Tecnologia di Gassificazione
Gassificatore a letto trascinato
Gassificatore a Ciclone
I gassificatori a letto trascinato (E.B.G.) sono generalmente
adatti per grandi potenze e sono ancora in via di sviluppo.
In essi la biomassa ridotta in polvere, miscelata
generalmente a vapore, viene risucchiata all'interno del
reattore dall'agente ossidante in ingresso. La figura mostra
lo schema di un gassificatore a letto trascinato. Le
temperature di gassificazione sono molto elevate e questo
consente di abbattere in modo consistente i problemi dovuti
alla formazione di catrame: infatti il carbonio viene
convertito completamente e viene realizzata una bassissima
produzione di tar. Tale tipologia di gassificatori, d'altro canto,
richiede biomassa finemente polverizzata, e ciò implica
tecnologie complesse, costose e non facilmente gestibili.
I gassificatori a ciclone (C.G.) sono stati recentemente oggetto di
sperimentazione per un utilizzo con biomasse. Essi sono
sostanzialmente dei gassificatori a letto fluido in cui la disposizione
particolare dei condotti di alimento dell'agente ossidante provoca
una sorta di vortice all'interno della camera di reazione. Per mezzo
di questo vortice interno si ha una migliore separazione della cenere e
dei metalli alcalini, ed il syngas in uscita non richiede particolari e
costosi trattamenti di purificazione. Attualmente però sono in fase
di sviluppo dei combustori secondari che dovrebbero riuscire a
mantenere stabile la fiamma, che rappresenta, attualmente, il punto
debole per lo sviluppo di questa tecnologia. I gassificatori a ciclone
risulterebbero avere una buona richiesta di mercato se venissero
commercializzati, per via della loro semplicità costruttiva, ma
attualmente non sono presenti produzioni di serie di questo tipo di
gassificatori.
Simulazione numerica
del flusso vorticoso
all’interno della camera
di reazione di un
gassificatore a ciclone.
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Tecnologia di Gassificazione
Prospetto riassuntivo
Sistema di contatto
e principali caratteristiche
Vantaggi
Limitazioni
Letto fisso downdraft (equicorrente)
Solido e gas verso il basso
Livelli molto bassi di catrame
Moderato livello di particolati
Semplice, costruzione robusta
Alta conversione del carbonio
Basso trascinamento di ceneri
Alto tempo di residenza solidi
Limitata possibilità di scale-up
Bassa capacità specifica
Alta umidità della biomassa
Deposito di ceneri sinterizzate
Letto fisso updraft (controcorrente)
Solido verso il basso, gas verso l’alto
Livelli molto alti di catrame
Moderato livello di particolati
Semplice, costruzione robusta
Buone possibilità di scale-up
Alta efficienza termica
Alto tempo di residenza solidi
Bassa capacità specifica
Alta umidità della biomassa
Deposito di ceneri sinterizzate
Letto fluido bollente
Il gas passa attraverso un letto bollente
Solido inerte nel reattore
Basso livello di catrame
Alto livello di particolati
Buon controllo della temperatura
Buone possibilità di scale-up
Alta capacità specifica
Possibile uso di catalizzatore nel letto
Scarsa versatilità nella scelta della
biomassa
Perdita di carbonio nelle ceneri
Letto fluido circolante
Particolati separati e riciclati
Basso livello di catrame
Alto livello di particolati
Buon controllo della temperatura
Buone possibilità di scale-up
Aumentato range di particolato
Alte portate di reazione
Alta conversione del carbonio
Costruzione semplice
Non è possibile l ’uso di catalizzatore
nel letto
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Tecnologia di Gassificazione
Prospetto riassuntivo
Sistema di contatto
e principali caratteristiche
Vantaggi
Limitazioni
Letto fluido trascinato
Alimentazione fine trasportata da gas ad
alta velocità
Assenza di inerti solidi
Basso livello di catrame
Livello di particolati molto alto
Molto buona la possibilità di scale-up
Alta conversione del carbonio
Pretrattamento costoso
Pratico solo oltre 10 t/h
Scorie nelle ceneri
Materiali di costruzione costosi
Scarsa versatilità nella scelta della
biomassa
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