Per la trasformazione energetica della biomassa lignocellulosica sono impiegati pro- cessi termochimici, generalmente la combustione177 e la gassificazione178, mentre la piroli-
170 In alcune caldaie si riesce ad impiegare con buone rese complessive anche la corteccia; la legna in ciocchi tal qua- le viene ancora, in genere, riservata alla produzione di energia termica data la difficoltà di carica automatizzata della stessa.
171 Le macchine cippatrici, in genere, sono di tipo a disco, a tamburo o a vite.
172 Nella fase di raccolta, in genere, per i prodotti forestali si può impiegare una pala meccanica mentre per le pota- ture possono utilizzarsi macchine rotoimballatrici o trincia-caricatrice trainate da trattori agricoli.
173 Vengono impiegati per lo più in caldaie policombustibile, generalmente di piccola taglia, per la produzione di energia termica, generalmente di piccola taglia.
174 Le pellettizzatrici possono essere, in funzione della disposizione e forma della trafila nel telaio: a trafila piana o cilindrica verticale.
175 Come i gusci di noce e nocciolo. 176 Che possono essere a pistone o a vite.
177 La combustione è una reazione chimica in cui una sostanza (combustibile) si combina con un comburente (ossi- geno dell’aria) sviluppando calore, con sviluppo di calore.
178 Si tratta di un processo in cui avviene, ad elevata temperatura (superiore agli 800°C), l’ossidazione incompleta di un combustibile ai fini della produzione di un gas (syngas) a basso o medio potere calorifico inferiore (variabile tra 4.000 ed i 14.000 KJ/Nm3).
si179 risulta ad oggi ancora riservata ad applicazioni sperimentali o di nicchia.
Combustione - La combustione della biomassa avviene in sistemi che prevedono la dosatura dell’aria e del combustibile, l’accensione, il mantenimento della fiamma e la sua regolazione all’interno della camera di combustione, la volatilizzazione e movimentazione del combustibile e la gestione dei residui del processo (ceneri).
Le tecnologie più diffuse risultano essere: – combustori a griglia180;
– combustori rotanti181;
– combustori in sospensione182; – combustori a letto fluido183.
La conversione energetica del calore prodotto mediante il processo di combustione in sistemi cogenerativi184 può avvenire mediante:
– impianti a vapore acqueo a turbina; – impianti a vapore acqueo a pistone o vite;
– impianti a fluido organico (ORC – Organic Rankine Cycle); – turbine a gas a combustione esterna;
– motori Stirling.
Di questi, le turbine a vapore185 sono normalmente impiegate per applicazioni di ta- glia comprese tra i 2 ed i 10 MW, più economici risultano gli impianti a bassa pressione con espansore volumetrico a pistone e gli impianti ORC. I motori Stirling, ancora in fase pre- commerciale, risultano maggiormente idonei alla microgenerazione (potenze comprese, in genere, tra i 5 ed i 100 kW).
Particolarmente interessanti per applicazioni in ambito agro-energetico risultano gli impianti ORC, dato l’elevato rendimento globale in applicazioni cogenerative, l’affidabilità e la limitata manutenzione, ma soprattutto la maturità di mercato e la possibilità di dispor- re di soluzioni di piccola-media taglia 186, idonee per organizzare filiere corte.
Gassificazione - La gassificazione è un processo che trasforma, a mezzo di agenti gassificanti (aria, ossigeno, vapore), un combustibile solido in un combustibile gassoso (gas di gasogeno) attraverso una combustione incompleta. Il processo avviene ad elevata temperatura (superiore agli 800°C). Il gas ottenuto è composto in massima parte da azoto, idrogeno, monossido di carbonio, biossido di carbonio e metano.
Nel caso delle biomasse lignocellulosiche, la trasformazione di queste in un combu- stibile gassoso consente diverse applicazioni successive, dato che un gas può essere più semplicemente combusto, stoccato o trasportato. Gli impianti di gassificazione della bio-
179 Processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante applicazione di calore a tem- perature comprese tra 400 e 800°C, in assenza di agenti ossidanti. I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione.
180 La griglia può essere fissa o mobile per consentire l’avanzamento del combustibile durante il processo di combu- stione.
181 A tamburo rotante, dotato di inclinazione tale da favorire l’avanzamento del materiale. 182 Si utilizza combustibile polverizzato che viene combusto mediante un flusso di aria calda.
183 Nei quali la biomassa, ad elevate temperature, viene incenerita su di un letto di sabbia silicea (o altro inerte), mantenuto in sospensione (fluido) da un flusso d’aria distribuito dalla base del letto.
184 Si tralasciano i sistemi tradizionali impiegati per la sola climatizzazione residenziale (caldaie a pellet, a cippato, a bricchette e gusci di nocciolo).
185 Ciclo Rankine o Rankine-Hirn. 186 A partire dai 200÷400 kW fino ai 3 MW.
massa possono collocarsi tra quelli di piccola-media taglia, consentendo di implementare filiere in funzione di minori distanze dai punti di prelievo della materia prima, dunque maggiormente sostenibili sotto il profilo sia economico che ambientale.
Questa tecnologia, seppur non considerata ancora commercialmente matura, sta di recente conoscendo un maggiore sviluppo.
In generale, il gas di gassificazione può essere bruciato per la produzione di calore, impiegato in motori a combustione interna per applicazioni di tipo cogenerativo o relative ad i trasporti, oppure può essere utilizzato come materia prima per la produzione di me- tanolo, idrogeno o combustibile sintetico da processo Fischer-Tropsch187, ovvero biocom- bustibili di seconda generazione. Questi ultimi, ai quali la Commissione Europea sta de- dicando attenzione, essendo derivabili da biomasse lignocellulosiche residuali (ramaglie, potature, paglie, etc.) anziché da colture oleaginose come i biocarburanti di prima genera- zione, non sono in competizione con l’agricoltura food, anche se le relative tecnologie sono ancora piuttosto lontane dalla maturità commerciale.
Di seguito si riporta un esempio di impianto alimentato a biomassa lignocellulosica. Nello specifico, è stato fatto riferimento alla tecnologia ORC (Organic Rankine Cycle) la quale, abbinata al processo di combustione della biomassa, consente la produzione combi- nata di energia elettrica e calore.
La biomassa, ad esempio il cippato ottenuto da sottoprodotti forestali o da potature, viene bruciata in una caldaia188 con produzione di calore, consentendo al fluido termovet- tore che alimenta il gruppo ORC, in genere olio diatermico, di raggiungere la temperatura di circa 300°C. Il fluido organico, ricevendo calore dall’olio diatermico, viene convertito in vapore e fatto espandere in una turbina collegata ad un generatore elettrico. A seguito dell’espansione, il vapore surriscaldato del fluido viene fatto raffreddare e condensare, re- cuperando energia termica a 70÷80°C, e rinviato all’evaporatore. L’energia termica recu- perata, insieme a quella derivante dai fumi di combustione, può essere impiegata per varie applicazioni successive189.
Il ciclo ORC consente la produzione di energia elettrica con un rendimento dell’ordi- ne del 15÷18 % e di energia termica con un rendimento circa del 70÷80 %, dunque con un rendimento globale molto interessante.
Questa tecnologia risulta idonea per applicazioni di piccola-media taglia190 e presen- ta, oltre all’elevata efficienza complessiva, altri vantaggi quali: i costi operativi contenuti, la poca necessità di manutenzione, la lunga vita dell’impianto191, la semplicità di gestione, l’affidabilità del sistema e le buone prestazioni di lavoro ottenibili anche a carico parziale. Inoltre, la recente standardizzazione e produzione in serie degli impianti a ciclo Rankine organico ha comportato una riduzione dei costi di investimento. I moduli più richiesti dal mercato vanno dai 400 kWe ad oltre 1 MWe.
Per alimentare un impianto di tipo ORC di potenza elettrica pari a 600 kWe sono
187 Il biodiesel e la nafta prodotti da sintesi Fischer-Tropsch presentano alta qualità e potrebbero essere impiegati per abbattere le emissioni di inquinanti del settore agricolo, caratterizzato da un parco macchine obsoleto.
188 In genere a griglia inclinata mobile. In alcuni casi può essere prevista, prima dell’ingresso del materiale ligno- cellulosico in caldaia, una fase di essiccazione per abbattere il contenuto di umidità della biomassa, in genere dell’ordine del 50%.
189 Alimentazione di reti di teleriscaldamento ed altri impieghi quali l’essiccazione del legno, il raffrescamento me- diante gruppi ad assorbimento, etc.
190 Non appare conveniente superare impianti con potenza elettrica superiore ad 1,5 MW dato che, altrimenti, sareb- be difficile fornire a delle utenze l’energia elettrica prodotta.
necessarie circa 10.500 t/anno di biomassa cippata t.q.. È stato considerata una soluzione di cogenerazione e di valorizzazione dell’energia termica prodotta192.
Per l’impianto è stato considerato un funzionamento per 7.000 ore/anno, un rendi- mento elettrico del 18%, un rendimento termico del 79%.
Tabella 4.15 – Impianto ORC: alimentazione, produzione energetica e potenze installate.
IMPIANTO ORC Unità Quantità
tonnellate di biomassa t di cippato 10.500 Energia termica prodotta all’anno KWh 10.920.000 Energia elettrica prodotta all’anno KWh 4.200.000 potenza termica installata all’anno KW 2.600 potenza elettrica installata all’anno KW 600
I costi ed i ricavi considerati per l’investimento sono relativi alle seguenti voci attive e passive:
Voci passive:
– acquisto ed installazione della caldaia ad olio diatermico e del turbogeneratore ORC, opere accessorie;
– costo di beni e infrastrutture (acquisto terreno, realizzazione stoccaggi, acquisto pesa e sistema di alimentazione);
– costi accessori (progettazione, allacciamenti e utenze, imprevisti) e varie;
– costi di gestione annuali (manutenzione caldaia e turbogeneratore, assicurazione e service impianto, manodopera, approvvigionamento e lavorazione biomassa, carbu- rante, imprevisti e spese varie).
Voci attive:
– vendita dell’energia elettrica prodotta (tariffa omnicomprensiva per impianti a biomas- sa o biogas di potenza elettrica inferiore ad 1 MWe pari a 0,28÷/kWh per 15 anni); – vendita dell’energia termica prodotta al netto degli autoconsumi (prezzo di vendita
dell’energia termica: 0,04÷/kWh).
Le voci di costo (costi fissi e variabili) considerate sono riportati nelle tabelle 4.16 e 4.17.
Tabella 4.16 – Costi fissi relativi alla realizzazione dell’impianto.
VOCI DI COSTO Euro
Caldaia ad olio diatermico 1.200.000
turbogeneratore oRC 1.000.000
Costi beni e infrastrutture 550.000
Costi accessori 150.000
Spese varie 200.000
Costo impianto 3.100.000
Tabella 4.17 – Costi variabili annui di gestione dell’impianto
Voci di costo Euro/anno
Costi variabili annuali 560.000
Costi manutenzione impianto 50.000
assicurazione e service impianto 20.000
Manodopera 40.000
Costi approvvigionamento biomassa 400.000
Carburante 30.000
imprevisti e spese varie 20.000
Tabella 4.18 – Ricavi annui.
Ricavi Euro/anno
Ricavi annuali 1.565.760
Ricavo vendita calore* 436.800
tariffa omnicomprensiva energia elettrica* 1.128.960
* Si è considerato un autoconsumo in impianto pari a circa il 40% dell’energia termica prodotta e un prezzo di vendita per la restante energia termica pari a 0,04 €/KWh.
** Per i ricavi provenienti dalla vendita dell’energia elettrica prodotta, è stato fatto riferimento alla tariffa omnicomprensiva pari a 0,28 €/KWh prevista per 15 anni dalla legge 99/09 per impianti di potenza elettrica non superiore a 1 MW alimentati a biomasse e biogas. L’autoconsumo elettrico considerato per l’impianto è pari al 4%.
Il tempo di ritorno dell’investimento193 risulta compreso tra i cinque ed i sei anni. Per la conversione energetica del cippato di legna in impianti di piccola-media taglia, oltre alla tipologia impiantistica descritta, possono essere impiegati reattori di gassificazio- ne abbinati a motori endotermici CHP. In generale, anche se tale tecnologia presenta varie soluzioni progettuali194, un impianto di gassificazione che alimenta un motore a combu- stione interna di potenza elettrica pari a 600 kW in soluzione di cogenerazione195 presenta un tempo di ritorno dell’investimento confrontabile, o leggermente superiore, con quello valutato per un impianto ORC della stessa potenza elettrica196.
193 Anche in questo caso, come per l’impianto a biogas, si è ipotizzando di stipulare un mutuo per otto anni per il totale dell’investimento (un tasso annuo di interesse: 6%).
194 In funzione della tipologia di reattore, della tipologia di agente gassificante, etc., cui corrispondono diverse rese produttive ed assetti impiantistici.
195 Se la conversione energetica del gas di gassificazione avviene in motori endotermici a ciclo Otto CHP, generalmen- te la potenza termica corrispondente è pari a circa 650 kWt.
196 Diverse risultano le quantità di energia elettrica e termica prodotte, in relazione agli specifici rendimenti, nonché le quantità di cippato in ingresso e le caratteristiche tecniche dell’impianto, ma in generale per le due tecnologie impiantistiche considerate l’investimento risulta sostenibile.