MercoledMercoledìì 20 ottobre20 ottobreEOLICO e BIOMASSA: funzionamento, efficienze e costiEOLICO e BIOMASSA: funzionamento, efficienze e costi

ing. Michele Tarolliing. Michele TarolliLe moderne tecnologie di produzione Le moderne tecnologie di produzione di energia termica ed elettrica negli di energia termica ed elettrica negli impianti alimentati a biomassaimpianti alimentati a biomassa

Argomenti trattatiArgomenti trattati

1.1. BiomassaBiomassa2.2. Cogenerazione a biomassaCogenerazione a biomassa3.3. Caldaie a biomassaCaldaie a biomassa4.4. Generazione di energia elettricaGenerazione di energia elettrica5.5. Sistemi di abbattimento delle emissioni nociveSistemi di abbattimento delle emissioni nocive6.6. Incentivi economiciIncentivi economici

Nel termine biomassa si intendono comprese tutte le sostanze di origine biologica: materiali e residui di origine agricola e forestaleprodotti secondari e scarti dell'industria agro-alimentarereflui di origine zootecnica.

In realtà la definizione di biomasse nella normativa, sia italiana che comunitaria, appare abbastanza confusa, con fonti legislative che danno definizioni in maniera diversa e anche contraddittoria, in particolare per quanto riguarda i rifiuti. Le biomasse possono essere utilizzate come combustibili naturali per produrre energia sia elettrica, che termica, direttamente oppure dopo opportuni trattamenti o processi di trasformazione.Ogni tipologia di biomassa ha infatti una composizione diversa – con riferimento, ad esempio, ai livelli di umidità, carbonio e azoto – che richiede differenti processi di trasformazione per l’utilizzo ottimale.

Definizione di biomassaDefinizione di biomassa

Definizione di biomassa Definizione di biomassa processi di conversione energeticaprocessi di conversione energetica

Il combustibileIl combustibileLe caldaie a biomassa di dimensioni medie e grandi(> 1MW) utilizzano combustibile legnoso a ridotta granulometria, perché:

1. si evita l’utilizzo di idrocarburi per la combustione di supporto;

2. si contengono le emissioni nocive;3. si possono utilizzare sistemi di

caricamento automatici.Negli impianti a biomassa del Trentino Alto Adige è utilizzato quasi esclusivamente cippato di legno vergine, residuo di prima lavorazione di segheria e/o proveniente dalla pulizia del bosco.Il cippato è un prodotto legnoso formato da scaglie della dimensione compresa tra 5 e 50 mm, prodotto per taglio.

Caratteristiche Caratteristiche energetiche del energetiche del combustibilecombustibileIl contenuto energetico del cippato dipende principalmente da due fattori:

1. dalla specie del legno utilizzato quindi dalla quantità di lignina, cellulosa, resina;

2. dall’umidità del materiale legnoso.

Negli impianti a biomassa si utilizza prevalentemente cippato di conifera(soprattutto abete e larice).Il contenuto di umidità normalmente varia dal 50% del materiale appena tagliato al 15/20% del materiale essicato.

Specie

Umidità

%

Peso Contenuto energetico

Potere Calorifico Inferiore

kg/mc kWh/mc kcal/mc kWh/kg kcal/kg

Faggio15 288 1.109 953.740 3,85 3.312

50 360 780 670.800 2,17 1.863

Abete15 204 830 713.800 4,07 3.499

50 255 590 507.400 2,31 1.990

Schema cogenerazione a biomassaSchema cogenerazione a biomassa

Caratteristiche Caratteristiche generatori di caloregeneratori di calore

I generatori di calore a biomassa si distinguono tra loro per

1. modalità di caricamento del combustibile;

2. tecnologia di combustione;3. vettore termico;4. modalità di controllo della

combustione;5. taglia (di serie 1 – 10 MW)

Sistemi di estrazione del cippato da silos di caricamento: Sistemi di estrazione del cippato da silos di caricamento: Piccoli impianti con silos circolari (o quadrati)Piccoli impianti con silos circolari (o quadrati)

1. agitatore a molle di svuotamento con canale da trasporto;2. Coclea orizzontale ad avanzamento forzato;

Viene montato un sistema di bielle, che trasportano il combustibile con movimenti alternati in avanti e indietro verso il lato frontale del serbatoio. La propulsione avviene tramite cilindri idraulici, alimentati da un gruppo idraulico. L'ulteriore trasporto del materiale di camera di combustione avviene attraverso sistemi di trasporto a coclea o a spintori oleodinamici.

Sistemi di estrazione da silos di grandi dimensioniSistemi di estrazione da silos di grandi dimensioni

Tecnologia di combustione (1)Tecnologia di combustione (1)La combustione del cippato può avvenire in caldaie a griglia fissa o mobile. Le caldaie a griglia fissa hanno solitamente potenze inferiori e si adattano peggio al variare delle caratteristiche fisiche (dimensioni e umidità) del cippato; hanno però un costo minore.Le caldaie a griglia mobile consentono l'avanzamento del combustibile mediante griglia mobile inclinata, per un efficace controllo del spessore del letto anche in condizioni di rammollimento e parziale fusione delle ceneri. Il risultato è un’ottima combustione e una considerevole decantazione delle polveri dei fumi già in caldaia. La griglia mobile è costruita in modo da non presentare organi di movimento soggetti a rotture o ad usure che impongano interventi di manutenzione. La griglia è divisa in più sezioni dove viene immessa l’aria comburente che può quindi essere regolata finemente a tutti i carichi, evitando che a basse potenze parte della sua superficie si scopra e l’aria segua vie preferenziali al di fuori del combustibile, penalizzando la miscelazione dei gas e di conseguenza la buona combustione.

Tecnologia di Tecnologia di combustione (2)combustione (2)

Tecnologia di combustione (3)Tecnologia di combustione (3)

Vettore termicoVettore termicoIn funzione dell’utilizzo dell’energia termica (alimentazione diretta rete di teleriscaldamento o produzione di energia elettrica) una caldaia a biomassa opportunamente configurata può utilizzare come vettore termico:

u acqua calda;u vapore;u olio diatermico.

Sistemi di produzione di energia Sistemi di produzione di energia elettrica da biomassaelettrica da biomassaLe tecnologie consolidate oggi disponibili per produrre energia elettrica a partire dalla biomassa sono:

u motore a pistoni a vapore;u turbogeneratore ORC;u turbina a vapore.

Motori a vapore (Spilling)Motori a vapore (Spilling)Sfruttano la tecnologia delle vecchie locomotive a vapore e sono prodotti da una ditta tedesca (Spilling Energie System GmbH – Hamburg)CaratteristicheCaratteristicheèMotore a vapore ad espansione senza olio.èRendimento buono anche ai carichi parziali, ottenuto con controllo volumetrico;èSemplicità di conduzione; èCampo di pressioni: 6 – 60 bar;

èTaglie: 25 – 1.500 kW;èN. giri: 750, 900, 1.000, 1.500 1/min;

Turbogeneratore ORC Turbogeneratore ORC (Organic Rankine Cycle)(Organic Rankine Cycle) -- IIIl turbogeneratore ORC è un sistema che permette la produzione contemporanea di energia elettrica e calore sotto forma di acqua calda ad 80 – 90 °C. L’impianto deve essere accoppiato ad una centrale termica ad olio diatermico. Il circuito ad olio diatermico che alimenta il turbogeneratore, raggiunge temperature attorno ai 300°C e riscalda tramite uno scambiatore di calore il vero e proprio fluido di processo, ovvero un olio siliconico. Quest’ultimo va ad azionare una turbina che esegue un ciclo Rankine a circuito chiuso. Il ciclo è simile a quello di una convenzionale turbina a vapore, la principale differenza sta nel fluido organico ad alta massa molecolare. Il turbogeneratore ha un rendimento elettrico netto pari a circa il 18-20% e termico del 77-80%, con perdite termiche ed elettriche intorno al 2-3%.Il fluido organico di esercizio è preriscaldato nell’evaporatore (scambiatore di calore a fascio tubiero), successivamente, i vapori del fluido espandono nella turbina e poi condensano a diversi livelli di temperatura. Infine la condensa èpompata in ritorno all’evaporatore, chiudendo il ciclo termodinamico. Le sorgenti fredde e calde non sono direttamente in contatto né con il fluido di esercizio nécon la turbina.

Turbogeneratore ORC Turbogeneratore ORC -- IIII

Turbine a vapore Turbine a vapore -- IIEsistono varie tipologie di turbine a vapore; quelle più interessanti per le applicazioni negli impianti a biomassa sono:

u Turbine a condensazioneu Turbine a contropressioneu Turbine a derivazione

Turbine a condensazioneTurbine a condensazioneu pressione del vapore allo scarico più bassa della pressione atmosferica;u il vapore uscente allo scarico non può avere alcun impiego utile;u hanno taglie piuttosto grandi;u sfruttano salti di pressione elevati.

GENERATORE DI VAPORE

TURBINA

G

CONDENSATORE

Turbine a vapore a contropressioneTurbine a vapore a contropressioneu pressione del vapore allo scarico uguale o più alta della pressione atmosferica;u il vapore uscente può essere impiegato per la produzione di acqua calda;u hanno taglie anche piccole;

GENERATORE DI VAPORE

UTENZA TERMICA

CONDENSATORE/ SCAMBIATORE

TURBINA

G

Turbine a vapore a derivazioneTurbine a vapore a derivazioneu parte del vapore immesso in turbina viene prelevato in un punto intermedio per

poter essere impiegato ad esempio per alimentare una rete di teleriscaldamento;

u possono essere sia condensazione che a contropressione;u sono costituite da due sezioni AP e BP.

GENERATORE DI VAPORE

UTENZA TERMICA

SCAMBIATORE

TURBINA

G

CONDENSATORE

Pirolisi (I)Pirolisi (I)Il processo di pirolisi (lento riscaldamento della biomassa in assenza di ossigeno) consente di ricavare syngas, (composto da 16-18% CO,16-18% H2, 2-3 % CH4restante N2, CO2, O2) a partire da biomasse di origine vegetale. Il pyrogas, opportunamente filtrato e raffreddato a temperatura ambiente, si libera dell’acqua e dei catrami e può essere utilizzato come combustibile. Il processo pirolitico comporta anche la trasformazione della materia prima in carbone che verràimpiegato all’interno del processo, nella caldaia a griglia.

1 CIMINIERA2 SCAMBIATORE3 ESSICATORE4 REATTORE DI PIROLISI

5 CALDAIA A GRIGLIA6 LAVAGGIO7 RAFFREDDAMENTO8 COMPRESSIONE9 MICROTURBINE (O MOTORI

Pirolisi (II) Pirolisi (II) esempio di impianto commerciale

Pirolisi (III)Pirolisi (III)

La pirolisi comporta il vantaggio di avere un rendimento elettrico elevato,

soprattutto se si utilizzano motori alternativi; le controindicazioni sono però

numerose ed importanti:

•i processi di purificazione del biogas non sono ancora affidabili;

•il processo necessita preferibilmente di materiale essiccato;

•in caso di utilizzo di materiale umido, la produzione di energia termica da destinare

alla rete di teleriscaldamento è estremamente esigua;

•tutti gli impianti attualmente esistenti hanno grandissimi problemi di gestione, con

conseguenti costi elevati e non programmabili.

Per i motivi sopra riportati, la soluzione impiantistica che prevede l’utilizzo di un

pirolizzatore non si considera, ad oggi, sufficientemente affidabile.

Confronto tra sistemi di generazione Confronto tra sistemi di generazione -- II

0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 i.t.

P.el.

150 MW

120 MW

10 MW

2,0 MW1,5 MW

1,0 MW

500 kW

250 kW25 kW

Tecnologia Costo unitario [€/kWel.]

Turbine a vapore a contropressione 1.700/ 3.000

Turbine a vapore a derivazione 2.500/ 4.000

ORC 4.000/ 6.000

Spilling 4.000/ 12.000

Motore alternativo 700/ 900

Confronto tra sistemi di generazione Confronto tra sistemi di generazione -- IIIISpilling ORC Turbina a vapore

Rendimento elettrico a pieno carico

8-20% 18-20% 15-30%

Rendimento termico 70-80% 75-80% 0-60%

Rendimento complessivo 90-95% 95-97% 30-90%

Range 25 – 1.500 kW 450 – 1.500 kW 1.000 – 150.000 kW

Vantaggi

•semplicità•affidabilità•rendimentoelettrico abbastanza costante ai carichi parziali

•assenza di vapore acqueo, semplificazione tecnologica e burocratica•bassa manutenzione•trasportabile in container•rendimento elettrico costante ai carichi parziali•funzionamento automotizzato e controllabile in remoto•elevata affidabilità

•elevata affidabilità di esercizio;•elevato numero di ore di utilizzo dell’impianto;•moderati oneri di manutenzione;•Costi di investimento relativamente bassi.

Svantaggi

•altissimo costo d’investimento•utilizzo di vapore acqueo•per la gestione èrichiesto personale patentato•rendimento condizionato dalla pressione di immissione del vapore

•alto costo dell’investimento •necessità di avere una caldaia con circuito ad olio diatermico;•smaltimento dell’olio diatermico esausto.

•sensibile riduzione del rendimento ai carichi parziali;• impianto complesso;•scarsa flessibilità a seguire le variazioni di carico per la gestione è richiesto personale patentato e il presidio dell’impianto in continuo;•taglie minime molto grandi per impianti di cogenerazione•Spesso richiedono caldaie “fuori serie”

Le emissioni nociveLe emissioni nocive

D.Lgs. 3 aprile 2006, n. 152 “Norme in materia ambientale” definisce i limiti di emissione per gli impianti alimentati a biomassa vergine:

Altre prescrizioniPth ≥ 6 MW sonda di temperatura nell'effluente gassoso + analizzatore per misura e registrazione in continuo di O2 e CO. Inoltre, regolazione automatica del rapporto aria-combustibile.

Le emissioni nociveLe emissioni nocive

Gasolio Metano ChipsCO 10 150 250SO2 350 20 20NOx 350 150 350Polveri 20 0 150COV 5 2 10

I sistemi di abbattimento delle emissioni nociveI sistemi di abbattimento delle emissioni nocive

Filtri a multicicloneFiltri a multicicloneSono progettati per la separazione di polveri con granulometria relativamente elevata. La sua classica applicazione è come prefiltro separatore. In tali sistemi si sfrutta un ingresso tangenziale dei fumi ed un’uscita assiale in modo che le particelle grossolane, a causa della maggiore inerzia, precipitino lungo le pareti del separatore. I fumi e le particelle a minore granulometria seguono inizialmente una spirale discendente per poi risalire assialmente verso l’uscita.

I sistemi di abbattimento delle emissioni nociveI sistemi di abbattimento delle emissioni nocive

Filtro a manicheFiltro a manicheHanno un largo uso in quasi tutti gli impianti industriali; sono formati essenzialmente da una serie di maniche permeabili che permettono il passaggio dei gas ma non del particolato. Essi sono efficaci per particelle di dimensioni al di sotto del micron. I filtri a maniche sono generalmente costituiti da tessuti (cotone, lana, nylon, polipropilene, goretex, ecc.). A mano a mano che la polvere si deposita sulla superficie del filtro, la sua efficienza aumenta per effetto dell’attrazione elettrostatica tra le particelle, ma aumenta anche la resistenza che il filtro oppone al passaggio dell’aria, per cui è necessaria la rimozione periodica delle polveri attraverso diversi metodi. I più diffusi sono quelli a scuotimento, ad aria compressa, aria inversa e pulizia sonica (sorgente sonora che mette in risonanza le maniche ed induce vibrazioni).

ElettrofiltroElettrofiltroI filtri elettrostatici sfruttano la possibilità di caricare elettricamente le particelle di polvere o di liquido e raccoglierle successivamente su un elettrodo captatore. Ciò viene ottenuto sottoponendo le particelle ad un campo elettrico ad alta tensione. Le polveri, o le goccioline, depositandosi sull’elettrodo di raccolta formano uno strato che diminuisce l’intensità del campo elettrico e che pertanto deve essere periodicamente rimosso. La rimozione delle polveri può avvenire per vibrazione (elettrofiltri a secco) o tramite un leggero velo d’acqua od altro liquido (elettrofiltri ad umido).

I sistemi di abbattimento delle emissioni nociveI sistemi di abbattimento delle emissioni nocive

Recupero calore attraverso la condensazioneRecupero calore attraverso la condensazione

Il trasporto dellIl trasporto dell’’energia termicaenergia termica

Lo schema della reteLo schema della rete

Ad albero: semplice, economico ma piùvulnerabile ai guasti;Ad anello: maggiore lunghezza e diametri mediamente maggiori, più costoso, ma offre più sicurezza in caso di guasto;A maglia: sistema molto affidabile ma di difficile gestione in caso di guasto (sezionamento della rete).

Le tubazioniLe tubazioni

Le moderne reti di distribuzione del calore sono composte da coppie di tubazioni in acciaio (mandata e ritorno) opportunamente isolate e protette, già in fase di costruzione. Esse sono posate direttamente nel sottosuolo come le reti idriche o del gas. Per diametri modesti si utilizzano da qualche anno anche condotte in materiale flessibile, disponibile in rotoli di parecchie decine di metri.

Le sottocentrali di utenzaLe sottocentrali di utenza

La sottocentrale di utenza è il dispositivo attraverso il quale l’utente preleva l’energia termica dalla rete. E’ costituita da uno scambiatore a piastre, che separa il circuito dell'impianto di teleriscaldamento e il circuito dell'impianto di riscaldamento utente.Le sottocentrali sono generalmente prefabbricate e le loro dimensioni sono contenute; in genere si montano nel preesistente locale caldaia.Ogni sottocentrale è equipaggiata con un misuratore dell'energia ceduta (contatore), una valvola di regolazione e limitazione della portata nel circuito primario, valvole di intercettazione e di sicurezza ed altri accessori di regolazione. La lettura dei contatori e la conseguente fatturazione possono essere completamente computerizzate.

Incentivi agli impianti a biomasseIncentivi agli impianti a biomasse

••Contributi provinciali (30% sul costo dellContributi provinciali (30% sul costo dell’’impianto)impianto)

••Certificati VerdiCertificati Verdi

••Tariffa Omnicomprensiva (alternativa ai CV e ad oggi vale 220 EuTariffa Omnicomprensiva (alternativa ai CV e ad oggi vale 220 Euro/MWh)ro/MWh)

••Detrazione IRPEF 55% (solo 2010) Detrazione IRPEF 55% (solo 2010)

••Credito di imposta (sullCredito di imposta (sull’’energia termica venduta) energia termica venduta) -- TLRTLR

••Credito di imposta (sulla potenza allacciata) Credito di imposta (sulla potenza allacciata) -- TLRTLR

••Certificati BianchiCertificati Bianchi

FINE DELLA PRESENTAZIONEFINE DELLA PRESENTAZIONE

Grazie per lGrazie per l’’attenzione!attenzione!

PCI Prezzo ivatoRendimento 

caldaiaConsumo annuale

Costo energetico annuo

Pellet 5,10kWh/kg 0,280  €/kg 88% 6.684,49  kg € 1.871,66 

Legna 2,80kWh/kg 0,200  €/kg 82% 13.066,20  kg € 2.613,24 

Cippato 3,00kWh/kg 0,100  €/kg 85% 11.764,71  kg € 1.176,47 

Metano 9,59kWh/Nmc 0,620  €/Nmc 92% 3.400,28  Nmc € 2.108,17 

Gasolio 9,95kWh/l 1,182  €/l 85% 3.545,90  l € 4.191,26 

GPL 6,65kWh/l 0,987  €/l 90% 5.012,53  l € 4.948,87 

fabbisogno energetico annuo:  30.000kWh/anno