Antonio Molino: Esperienze ENEA nella valorizzazione

LE PROSPETTIVE DELLA VALORIZZAZIONE ENERGETICA E
MATERICA DELLE BIOMASSE AGROFORESTALI
Esperienze ENEA nella valorizzazione energetica delle biomasse
attraverso processi di gassificazione
Antonio Molino – ENEA
ENEA, Techincal Unit for Technologies Trisaia
National Task Leader for the IEA International Energy Agency, task 33:
Bioenergy - Thermal Gasification Biomass
[email protected]
Napoli 11 ottobre 2013
Attività ENEA nel campo delle biomasse
Atlante nazionale sulle biomasse
Attività sperimentali sulle coltivazioni energetiche
Attività sull’utilizzo di energia termica delle biomasse
Tecnologie e processi per produzione di energia elettrica distribuita
Biocombustibili:
o Bioetanolo da biomasse lignocellulosiche
o Biofuels da syngas (BTL)
o Biodiesel da microalghe
o biometano
o Idrogeno
Life Cycle Analysis on biofuels production
Localizzazione attività di ricerca ENEA sulle biomasse
Combustione biomasse
Biodiesel da microalghe
Digestione anaerobica
LCA – Digestione anaerobica
Atlante sulle biomasse
Coltivazioni energetiche
Processi termochimici
Biocarburanti di 2° gen
Biometano .
Produzioni e consumi nazionali di energia elettrica
Bilancio elettrico Nazionale anno 2013
Richiesta nazionale di elettricità: 330,5 TWh
25,5% produzione da Energie Rinnovabili;
Source: GSE National Manager of the Energy Services
NATIONAL ENERGY POTENTIAL:
Current Status of biomass gasification power plants
BIOMASS GASIFICATION PLANT
THAT ARE OPERATIONAL IN ITALY
ONLY SOLID BIOMASS
Production in Italy: 2.828GWh
Breakdown by percentage
of production-class
4% OF RENEWABLE
SOURCES
Source: GSE National Manager of the Energy Services
PLANT
POWER (kWe)
Belluno(BL)
1000
Parma
1000
Gadesco Pieve(CR)
960
Alessandria
640
Vigevano(PV)
500
Caluso(TO)
Oltrepo Pavese(PV)
400
300
Castel San Pietro(BO)
250
Orzinuovi(BS)
250
Verbania
250
MANUFACTURER
OF THE SYSTEM
CHARACTERISTICS OF THE PLANT
GAS-1000 MODEL The plant is fed with 8500t/a of wood
The plant produces 7.5GWhee 15GWht and it
is powered with 9000 t/a of kenaf
The pyrogasificator is fed with chopped or
Agroenergia
chipped vegetable biomass
The system is experimental and the process
has been developed by poliTO; the plant is
fed with 4100 t/a of biomass from forest
The plant produces 3.75GWhe and 7.5 GWht
and it is powered with 4100 t/a of wood
Modello GAS-500 chips
The plant is fed with residues of agricultural
production, forest biomass, leaves, waste of
Autogas Nord food industry
Bio&Watt
The plant uses an endothermic motor
The pyrogasificator is fed with waste
Bio&Watt
prunings, corn stalks, wood chips of poplar
The pyrogasificator is powered by biomass
Bio&Watt
from forests
CoVer Energy
The plant is classified as experimental
Gasification is a technology that has great potential in terms of
efficiency of conversion of biomass into electricity.
During 2010 requests for qualification that have come to the
GSE concern another 20 plants under construction with a total
power over 20MWe
Combustion is by far the predominant energy conversion technology
La risorsa BIOMASSA quale MATERIA PRIMA
PORTALE NAZIONALE DELLE BIOMASSE
QUESTO STRUMENTO WEB è stato incorporato nel piano d'azione nazionale del
Ministero dello Sviluppo Economico PRESENTATO IN 30 giugno 2010 per
L'ATTUAZIONE DELLA DIRETTIVA 2009/28/CE, il 20-20-20
www.atlante biomasse.enea.it
Esempio applicativo: il Progetto ENERPARK
GALLIPOLI
COGNATO
Slope
Slope
0 – 10%
11 – 20%
21 – 40%
41 – 60%
> 61 %
0 – 8%
8 – 20%
20 – 32%
32 – 44%
> 44%
Pendenza %
ha
0-8
68
ACCETTURA
Piante vecchie
ton/year
Ramaglie tonn /year
1.632
136
L’individuazione del potenziale di
alimentazione è passato attraverso
l’identificazione di aree boschive
incluse nel buffer di 1 km dalla
strada, in modo da minimizzare il
costo per il recupero della
biomassa nel punto di raccolta e
trasporto posto in corrispondenza
del strada principale, ed è stata
valutata dalla pendenza delle aree
boschive
del
bacino
di
alimentazione, si sono dimostrati
meno dell'8% e quindi facile da
trovare.
Produzione di energia elettrica distribuita
Impianti “Termochimici” di Gassificazione presso il Centro Ricerche ENEA di Trisaia
Syngas
pulito
LETTO FLUIDO RICIRCOLO INTERNO
Aria arricchita/vapore 1MWth
Idoneo alla produzione di Energia
Elettrica con MCI
Biomassa
Vapore
Syngas
pulito
Ossigeno
Fumi di
Combustione
Biomassa
Aria
Biomassa
Vapore
Syngas
grezzo
Vapore
Aria
Gas grezzo
Aria
Zona di
combustione
LETTO FLUIDO CATALITICO RICIRCOLANTE
Aria/vapore 500kWth
Idoneo alla produzione di Energia Elettrica con MCI, FC
o alla produzione di biocombustibili da Fischer Tropsh
LETTO FISSO UPDRAFT
Aria/vapore 150kWth
Idoneo alla produzione di
Energia Elettrica con MCI
LETTO FISSO DOWNDRAFT
Aria/vapore 150-450kWth
Idoneo alla produzione di Energia
Elettrica con MCI
COMPOSIZIONE SYNGAS
Specie
%Vol.
H2
32
CO
17
CH4
6.2
N2
0.9
CO2
20.9
H2O
32
COMPOSIZIONE SYNGAS
Specie
%Vol.
H2
34.1
CO
25.1
CH4
10.4
N2
9.6
CO2
20.8
COMPOSIZIONE SYNGAS
Specie
%Vol.
H2
20
CO
21
CH4
4
N2
40
CO2
6
H2O
9
COMPOSIZIONE SYNGAS
Specie
%Vol.
H2
15
CO
22
CH4
3
N2
40
CO2
20
Current state of the technological platform for the ENEA
biomass gasification
Impianto JOULE–
Doppio letto fluido
ricircolante
500 kWt
Cella a combustibile
carbonati fusi
125 kWe
PI.GA. Plant
Letto fisso
downdraft
P= 30-80 kWe
UNIQUE – Letto
fluido interconnesso
1 MWt
PRAGA – Letto fisso
updraft
150 kWt
PRAGA PLANT - Updraft gasifier 150kWth
Finanziato dal MIUR – Importo progetto 5.112 K€ – Finito nel 2010
Water Gas
Shift
CO2 separator
Torch
Sono stati effettuati test con biomasse a pressione
atmosferica: steam/biomass ~0.4.
Caratteristiche di processo
Alimentazione
Gusci Mandorle
Portata
30-40 Kg/h
Agente gassificatore
Mix Steam-Air
Potenza Nominale
Generatore
Vapore
Partners
Enea Trisaia
Univ.. di Napoli
Univ
Pol.. di Milano
Pol
Pol.. di Torino
Pol
Univ.. Roma
Univ
Vergata
Ansaldo
Tecnoparco
Scrubber Gassificatore
Filtri coalescenza
Alimentazione
Biodiesel
200 kWth
Composizione
%vol. secco
H2
CO
CO2
CH4
C3H8
O2
21
22,8
13,4
~1
<1
<1
N2
41
PCI (kJ/Nm3
dry)
Tecnica analitica
Gravimetrici
5,7
Contenuto Tar Totale
(g/Nm3dry) a
Gasifier
Scrubber
66.0
0.91 b)
Efficienza di
rimozione
(% wt)
98.6
JOULE PLANT:
Steam Gasification Pilot Plant of 500kWt
Gassificatore sviluppato in
collaborazione con
Vienna University of
Technology, Univaq, Louis
Univ Filter system
Exhausted gas
COMBUSTORE
Doppio letto fluido
ricircolante FICFB
Syngas
GASSIFICATORE
Vapore
input
Ricircolo Char
AGENTE
FLUIDIZZANTE
Composizione
Biomassa
Input
Aria
Olivina
Combustibile
%SiO2
ausiliario
41.9
%MgO
49.5
%Fe2O3
7.1
%Al2O3
1
%H2O+%CO2
0.5
Pulizia del syngas a caldo : Risultati Sperimentali
Performance della sezione di pulizia a caldo
Syngas purificato
Azoto Ingresso ai
filtri
FILTRI A
CANDELE
CERAMICHE
Efficienza di romozione dello zolfo
Concentrazione HCl in uscita
T=400°C
Syngas Input
PALL
CORPORATION
Tin [°C]
Tout [°C]
CaO [kg/h]
Ca/(Cl+S) [molare]
H2Sin [ppmv]
HClin [ppmv]
H2Sout [ppmv]
HClout [ppmv]
SR [%]
ClR [%]
Concentrazione H2S in uscita
508
476
0.57
4.3
250
105
40
36
84
66
T=476°C
TORRE
ASSORBIMENTO
Syngas
T=508°C
CICLONE
84%
~ 30 ppmv
Efficienza di rimozione del cloro
70%
Ciclone-efficienza rimozione
polveri (d=2 µm)
95 %
Tars(g/Nm3)
10
Particolato in uscita
Recupero solidi
~ 40 ppmv
2,1 mg/Nm³
UNIQUE PLANT
Finanziato dal 7°FP
Letto fluido con ricircolo interno 1MWth
Terminato: 2011
Aria arricchita/Vapore
Finanziamento di 3.715.503 €
Brevetto
RM2008U000022
Principali vantaggi dell’UNIQUE:
• Pulizia del syngas internamente al reattore;
• Compattezza;
• Riduzione dei costi di investimento ed operativi
Composizione del Syngas
Specie
%Vol.
H2
32
CO
17
CH4
6.2
N2
0.9
CO2
20.9
H2O
32
Syngas
385Nmc/h
Attività in corso: Productione di bio-SNG
Sezione di Cleaning a freddo
H2O
H2SO4
Reattore WGS
H2S
Adsorbimento
con
carboni
attivi
Letto Fluido da 1MWth
Patent
RM2008U000022
Scrubb
er ad
H2O
per
abbatti
mento
NH3
Scrubber
BioDiesel
Syngas
TAR &
biodiesel
Impurities
30bar
compression
NH3 purga
H2O Recupero Termico
MP linea
CH4 > 95%volume
Processo
Selexol per la
cattura
della
CO2
Processo
Selexol
Reattore di
metanazione
III
Reattore di
Metanazione II
Reattore WGS
Reattore di
Metanazione
I
CH4 & CO2
Separazion
e H2O
Selexol & CO2
Sezione di Metanazione
con Recupero termico
H2O
Recupero
Assorbente Selexol
Rendimento chimico del 60-75%
SYNGAS COMPOSITIONE
Specie
%Vol.
H2
32
CO
17
CH4
6.2
N2
0.9
CO2
20.9
H2 O
32
STADI INTERMEDI PER LA PRODUZIONE DI GAS NATURALE SINTETICO
• Cleaning freddo dei tars;
• Water scrubber per adsorbimento dell’ammoniaca;
• Neutralizzazione di acidi utilizzando sorbenti low cost;
• Reattore CO-shift per incrementare il rapporto H2/CO necessario per gli stadi di
metanazione:
CO+3H2=CH4+H2O
ΔH°Reaz= -206,28 kJ/mol
• Stadio di compressione per migliorare le condizioni termodinamiche per l’ottenimento
di bio-SNG ad alta pressione utilizzabile per l’immissione in rete;
• Rimozione della CO2 attraverso processo di assorbimento chimico.
PROGETTO ENERPARK: Regione Basilicata
SVILUPPO DI UN GASSIFICATORE PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA ELETTRICA E GAS
NATURALE SINTETICO
ENERGY OUTPUT
ENERGY INPUT
BIOMETHANE for AUTOMOTIVE
SECTOR
Lignin
30%
Cellulose
45%
Hemicellulose
25%
POWER PRODUCTION
Other END USES of the plant:
TRIGENERATION
GRID INJECTION
BIOFUELS &CHEMICALS
Attività in corso: Gassificazione con acqua suprecritica SCWG
Vantaggi del processo SCW
•Facilità di rimozione della CO2 essendo il syngas già pressurizzato;
•Elevatissima purezza del syngas in idrogeno;
•Pulizia del syngas senza necessità di cleaning energivori;
•Utilizzo del syngas tal quale(H2/CO2) in processi catalitici per la
produzione di biocombustibili liquidi;
•Qualificazione energetica dei fanghi di Depurazione
Reattore a stadi adiabatici per
la produzione di biocombustibili
liquidi mediante catalizzatore di
sintesi processanti CO2/H2
Energia Elettrica & Calore
Svantaggi del processo SCW
•Problematiche legate alle condizioni
operative(300bar; 600°C);
•Difficoltà di recupero/rigenerazione del
catalizzatore
Sviluppo di processi di gassificazione innovativi
Pathway di Reazione delle Biomasse gassificate con acqua in condizioni near-critiche
Usi Finali per i prodotti ottenibili da trattementi idrotermici delle biomasse
H2 / CH4
Pressurizzati
Vantaggi del processo SCW
•La presenza di acqua in forma supercritica, promuove
le reazioni di idrolisi, agevolando la possibilità di
attaccare strutture polimeriche quali la lignina
riducendo ad oligomeri più facilmente processabili;
Biomasse
umide
•La SCW è un reagente a tutti gli effetti infatti fino al
50% dell’idrogeno prodotto proviene dall’acqua;
PROCESSI
IDROTERMICI
Solido
&
Liquido
•Non sono richiesti processi di pretrattamento della
biomassa, anzi la sua presenza agevola i processi;
•Promuove le reazioni di shift del gas d’acqua
arricchendo ulteriormente in idrogeno il syngas
prodotto;
SEPARAZIONE/
PURIFICAZIONE
UPGRADING
SYNTETIC
NATURAL GAS
H2
Pressurizzato
CO2
Pressurizzata
FUEL CELLS
STOCCAGGIO
CO2
Green
Chemicals
•Produce un syngas privo di TARS;
Gassificazione con acqua in condizioni sub e supercritica
•E’ utilizzabile anche per i fanghi di depurazione;
CONDIZIONI SUBCRITICHE: Pathway preferenziali
(T<374° C)
Cellulosa
FURFURALI
Usi finali del syngas ottenuto dal processo SCW
•Facilità di rimozione della CO2 essendo il syngas già pressurizzato;
Emicellulosa
Glucosio ↔
Fruttosio
•Elevatissima purezza del syngas in idrogeno;
•Pulizia del syngas senza necessità di cleaning energivori;
•Utilizzo del syngas tal quale(H2/CO2) in processi catalitici per la
produzione di biocombustibili liquidi;
•Qualificazione energetica dei fanghi di Depurazione
FENOLI
COKE
Lignina
INTERMEDI
Gruppi olefinici e
carbossilici
GAS
CO2, H2, CO,
CH4
CONDIZIONI SUPERCRITICHE: Pathway preferenziali
(T>374° C)
Digestione anaerobica di biomasse fermentescibili
80
70
60
%
50
% Umidità
40
% TS
30
% TVS
20
%TFV
10
0
C1
C2
C3
C4
Digestore anaerobico tipo plug-flow
D=70cm, L=350cm, Volume interno:1.35m3;
Inclinazione rispetto al piano del calpestio a seconda delle
esigenze di processo(up to 10°);
70
40
60
35
30
50
25
40
20
30
15
20
10
10
5
0
0
0
5
10
15
20
25
Campagna sperimentale(giorni)
30
35
40
Alimentazione mediante albero a pale;
Volume biogas prodotto
Percentuale di CH4
prodotto(%Vol.)
C1: 60%FORSU/40%Potature; Campioni
C2: 60%FORSU/30%Potature/10%scarti zootecnici
C3: 60%FORSU/20%Potature/20%scarti zootecnici
C4: 70%FORSU/30%Potature
Gasometro da 40dm3
Campionamento del materiale in 3 diverse zone del reattore
Riscaldamento del reattore: 35-45°C in regime mesofilo
attraverso resistenze elettriche distribuite in maniera da garantire
in carico maggiore in prossimità del feed.
Produzione di bioMetano da biomasse fermentescibili
Impianto di upgrading
Plug Flow per il processo di
digestione anaerobica
Sala Controllo
Membrane polimeriche per la separazione
della CO2 dal biogas
Rete di distribuzione e/o settore Automotive
Energia elettrica in assetto co-trigenerativo
Energia Elettrica & Calore
Upgrading del biogas per produzione in biometano da fermentescibili
Parametri
Alimentazione biogas(kg/h)
35
Pressione di alimentazione(bar)
1,0
Temperatura(°C)
30
Metano(CH4)
Anidride Carbonica(CO2)
Idrogeno(H2)
Azoto(N2)
STADIO SINGOLO
Parametri Output
Recupero Metano
55%
39%
5%
1%
Purezza biometano(%)
95
Pressione biometano(bar)
30
Energia compressione
1.23kWh/Nm
Costo processo di upgrading
24.7 €cent/Nm
Costo processo di upgrading
94%
0.58kWh/Nm
3
11.64 €cent/Nm
3
CONFIGURAZIONE DOPPIO STADIO: Tandem
Parametri Output
Recupero Metano
Energia compressione
Costo processo di upgrading
77%
0.52kWh/Nm
3
10.37 €cent/Nm
3
Energia compressione
Parametri Output
Recupero Metano
35%
3
CONFIGURAZIONE DOPPIO STADIO: Cascata
3
Altre attività ENEA Trisaia
BRISK - Biofuels Research
BRISK
is funded by the
European Commission Seventh
Infrastructure for Sharing
Framework
Programme
Knowledge
(Capacities)
Il progetto è iniziato il 1st October 2011 e terminerà in Settembre 2015. 8.98M€ finanziati
BRISK consiste nello sviluppo di una piattaforma integrata per I processi di conversione termochimici attraverso l’uso di
infrastrutture di ricerca europee, finalizzate a fornire supporto in R&D per i processi innovativi al fine di conertire scarti
agricoli e/o agroindustriali in bioliquidi, biogas o combustibili solidi. L’anima del progetto è quella di evitare
frammentazione delle differenti facilities esistenti a livello europeo per i processi termochimici, mettendo a sistema
infrastrutture e competenza. Le facilities sono aperte anche a ricercatori non coinvolti nel progetto.
UNIfHY Biomass-to-hydrogen
(BTH) thermal conversion process
Il progetto è iniziato il 1st October 2011 e terminerà in Settembre 2015. 2.97M€ finanziati
UNIfHY consiste nello sviluppo di un dimostratore su scala pilota per la produzione di idrogeno puro a partire da biomasse
lignocellulosiche mediante il processo di gassificazione realizzato e brevettato nell’ambito del progetto UNIQUE. Il sistema
prevede la WGS come stadio di riforma del monossido di carbonio ed uno stadio di adsorbimento mediante PSA.
Industria 2015: HY-Tractor
Trattore a Fuel Cell alimentato a syngas
HY-Tractor
progetto finanziato dal
Ministero dello Sviluppo Economico per
4.51M€
Il progetto è iniziato il 1st October 2010 e terminerà in September 2014.
HT- Tractor consiste nella costruzione di un trattore ecologico a fuel cells alimentato con syngas proveniente dalla
gassificazione delle biomasse residuali.
FINE
Antonio Molino – ENEA
ENEA, Techincal Unit for Technologies Trisaia
National Task Leader for the IEA International Energy Agency,
task 33: Bioenergy - Thermal Gasification of Biomass
[email protected]