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 Bologna
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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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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.
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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 Rifiuti
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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.
Umidità (%)
PC
I (M
J/k
g)
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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!
Aria teorica di combustione
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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
Eccesso d’aria
Dipende dalle condizioni di funzionamento ed influenza grandemente il
rendimento di combustione e livello e tipologia di emissioni al camino.
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Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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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, Demirbas-1997)
Biomassa Cellulosa Emicellulosa Lignina
Gusci di Nocciola (hazelnut shells) 30.4 26.8 42.9
Paglia (straw) 39.4 28.8 18.6
Residui oliva (olive residues) 23.6 24 48.4
Legno di Betulla (birch wood) 31.2 45.3 21.9
Legno di Abete (fir wood) 20.7 49.8 27
Tutulo (corn cobs) 31 50.5 15
Scarti del Tè (tea waste) 19.9 30.2 40
Gusci di Noce (walnut shells) 22.7 25.6 52.3
Gusci di Mandorla (almond shells) 28.9 50.7 20.4
Girasoli (sunflowers) 34.6 48.4 17
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
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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 GIRASOLE
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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: UNI EN 14961-1:2010
Biocombustibili liquidi (non per autotrazione): UNI TS 11163:2009
UNI EN 14213:2004
Biocombustibili liquidi e gassosi (per autotrazione): UNI EN 14214:2010
Direttiva 98/70/CE
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La normativa relativa alla classificazione dei combustibili solidi provenienti da
biomassa (UNI EN 14961:2010) 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
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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
32
Estratto dalla
UNI EN 14961-
1:2010
Tipologia
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
33
Estratto dalla
UNI EN 14961-
1:2010
Formato
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
34
Estratto dalla UNI EN 14961-1:2010
Standard del formato
Caratteristiche chimico-fisiche delle biomasse
(in questo caso pellet)
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Estratto dalla UNI EN 14961-1:2010
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
36
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 14961) 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
energetica
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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.
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
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.
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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 installata (MW el)
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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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)
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) 19,3 3,3 4,7
EE: Energia Elettrica.
CHP: Combined Heat and Power, cogenerazione. Combustibile per riscaldamento Costo €/MWh
GPL 250
Gasolio 123
Metano 82
Pellet in sacchi (15 kg) 65
Legna da ardere sfusa 40
Cippato 26
(Fonte: Agriforenergy, 2015)
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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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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 ossidativo anaerobico svolto da microrganismi a carico di carboidrati (o
di amminoacidi).
Digestione anaerobica: degradazione della sostanza organica da parte di microrganismi in assenza
di ossigeno.
50
Impiantistica
51
Impiantistica
Esempio di caldaia a ciocchi di legno
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
La regolazione dell’aria di combustione avviene in
base al fabbisogno di ossigeno, misurato nei fumi
con apposita sonda (sonda lambda).
La regolazione lambda consente di aggiustare e
ottimizzare costantemente la quantità di aria durante
l’intero ciclo di funzionamento della caldaia a legna,
dall’accensione iniziale fino all’esaurimento del
combustibile.
52
Impiantistica
xxxEsempio di caldaia a ciocchi di legno
53
Impiantistica
Esempio di caldaia a ciocchi di legno: P&ID
54
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
e/o cippato
55
Impiantistica
Esempio di caldaia a pellet e/o cippato: P&ID
56
Impiantistica
Caldaia a pellet e/o cippato
Braciere
Camera di
combustione
Scarico ceneri
Camera di
combustione
Braciere
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Impiantistica
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
58
Impiantistica
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
Centrale di cogenerazione da biomassa lignea e teleriscaldamento (Monterenzio)
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
Esempio impianto di stoccaggio e caricamento pellet e/o cippato
Analisi degli aspetti logistici: trasporto e stoccaggio della biomassa
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):
2.600 MJ/m3 (= 0,72 MWh/m3)
Lo stoccaggio energetico dell’impianto descritto in precedenza (4.752 m3)
corrisponde dunque, dal punto di vista energetico, ad una riserva pari a circa
12.400 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%59
Impiantistica
Potenza introdotta in camera di
combustione (P0=Pn/ηth): 2,2 MW
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: 3.400 MWh/2,2 MW → 1.545 ore. Pertanto, lo
stoccaggio copre il 20% (1.545/7.500) circa del fabbisogno annuo di biomassa.
Consumo annuo di cippato in volume: Vanno = 2,2*7.500/0,72 = 22.900 m3
Consumo giornaliero di cippato in volume: Vday = 22.900/365 = 63 m3/die
Quale impatto sul trasporto?
60
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.
61
ImpiantisticaEsempio di impianto domestico per riscaldamento e produzione di acqua calda
ad uso sanitario con caldaia a biomassa
1) Caldaia a biomassa
2) Bollitore tampone
3) Bollitore sanitario
4) Valvola deviatrice
5) Circolatore
6) Caldaia a gas integrazione
e soccorso
7) Valvola miscelatrice
8) Elemento sensibile
9) Valvola termostatica di
sicurezza; set point, per
esempio, a 55 °C
10) Valvola non ritornoNota:
- Il valore di set point delle
valvole miscelatrici
dipende dal tipo di utenza
servita; per esempio:
- ACS: 50 °C
- Radiatori: 60 °C
- Pavimento: 40 °C
62
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].
63
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]
64
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) rappresenta un atomo di carbonio del residuo legato ad un
atomo di azoto e ossigeno rispettivamente.
La prima reazione è quella che primariamente origina NO, mentre la seconda
spiega l’accumulo di azoto nel char a partire dall’ossido di azoto formatosi
nella rima. La terza è una reazione di riduzione di NO a azoto atmosferico.
65
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]
66
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]
67
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
68
Appendice: risultati test sperimentali condotti su di una
caldaia a biomassa con diverse tipologie di combustibili
Impiantistica
69
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
70
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa
Misuratore di
portata
elettromagnetico
DiaframmaCelle di carico
Anemometro a
filo caldo
71
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
72
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino
di caldaia a biomassa: multi-impattore
73
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:
linea di campionamento per multi-impattore
74
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi emissioni al camino di caldaia a biomassa:
esempio di tre filtri prelevati da un multi-impattore
PM>10 μm 2,5 μm <PM<10 μm PM<2,5μm
75
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
76
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
77
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%
78
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
79
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
80
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
82
Impiantistica
Campagna sperimentale – analisi produzione ceneri in caldaia a biomassa
CENERI PESANTI
CLINKER
Composizione clinker: ossidi di potassio, silicati
Masse di ceneri fuse
83
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