INDICE Abstract

INDICE

Abstract

3

1- Caratteristiche e disponibilità di biomasse di seconda generazione

4

1.1

Introduzione e scopo del lavoro

. . . 4

1.2

Classificazione delle biomasse di seconda generazione

. . . .. 7

1.3

Filiere disponibili sul territorio toscano

. . . .. 10

1.4

Quadro normativo sulle biomasse

. . . 16

1.5

Chimica della gassificazione

. . . 21

1.6

Reattoristica

. . . 23

1.7

Caratteristiche del gas di sintesi

. . . .. 29

1.8

Effetti della composizione della biomassa

. . . .. 30

1.9

Effetti delle condizioni operative

. . . ... . .. . .. . ... 35

1.10

Indici di prestazione

. . . 36

1.11

Sistemi di trattamento del gas di sintesi

. . . ... . 37

2- Raccolta dati, valutazioni tecniche, economiche e scelte tecnologiche in

42

merito ad alcune biomasse selezionate ed ai processi di pre-trattamento

2.1

Identificazione e classificazione delle biomasse in base a

parametri di caratterizzazione legati alla loro natura,

condizione e modalità di raccolta

. . . .. . . .... .... ... 42

2.2

Analisi degli step delle filiera successivi alla raccolta, quali:

lo stoccaggio, il trasporto, la conversione in energia

... . . . . 80

2.3

Identificazione delle migliori soluzioni di pre-trattamento in

termini di efficienza energetica, costo ed operabilità.

. . . 86

In particolare, si definiranno i processi di pre-trattamento più

idonei per ciascuna delle possibili vie di conversione della

biomassa (combustione in caldaia di piccole dimensioni,

combustione in impianti di dimensioni medie, gassificazione)

.. 88

2.4

Strumenti di calcolo in funzione dei parametri

. . . 114

3- Studio di filiera e strumenti per la valutazione delle sostenibilità

117

3.1

Modellizzazione delle filiere

. . . 117

3.2

Bilanci di massa ed energetici

. . . .. .. . . 128

3.3

Bilancio ambientale

. . . ...132

3.4

Carbon Footprint

. . . .. . . ...133

3.5

Modellizzazione economica

. . . ..140

3B- Allegato allo studio di filiera: banca dati per le biomasse,

analisi del comparto agricolo toscano.

. . . .147

4- Descrizione impianto di gassificazione Gastone del Centro C.R.I.B.E.

157

4.1 Flow sheet dell'impianto

. . . 157

4.2 Descrizione nel dettaglio del reattore

. . . 158

4.3 Specifiche dell'impianto e della biomassa processata

... 161

4.4 Linea

di

pulizia

del

gas

di

sintesi

. . . .. 162

4.5 Sezione di caricamento della biomassa

. . . 163

4.6 Sezione di raffreddamento, lavaggio e filtraggio del gas

. . . 164

4.7 Sezione di movimentazione e smaltimento gas

. . . .... 166

4.8 Ausiliari d'impianto e linea acque

. . . 167

4.9 Quadro di controllo

. . . .... 171

4.10 Logiche di funzionamento dell'impianto

. . . ... . ... ... 172

5- Simulazione filiera di gassificazione con reattore Downdraft in Toscana

173

5.1

Modellizzazione di filiera impianto provincia di Pisa

.. ... 173

5.2

Scalabilità della modellizzazione di filiera d'impianto

. . . 175

5.3

Stagionalità della filiera e programmazione su medi periodi

. . 176

5.4

Progettazione reti di teleriscaldamento

. . . 187

6- Simulazione filiera di combustione in Toscana

190

6.1

Stato dell'arte della combustione

. . . 190

6.2

Bilancio ambientale

. . . ... 200

6.3

Studio di filiera per la combustione in impianti domestici

...203

6.4

Studio di filiera per la combustione in piccoli e medi impianti

204

6.5

Modellizzazione di filiera

impianto

ORC

. . . 209

6.6

Modellizzazione

di

filiera

impianto

EFMGT

... . . . ....211

6.7

Stagionalità della filiera e programmazione su medi periodi

... 212

7- Confronto dei processi studiati: Gassificazione, Ciclo ORC, EFMGT

213

7.1

Confronto tra tre tipi di utilizzazione per una stessa biomassa

213

7.2

Confronto tra le diverse biomasse per una stessa utilizzazione

235

7.3

Diagrammi di Sankey Gassificazione

. . . .. 247

7.4

Diagrammi

di

Sankey

Ciclo

ORC

.. .. ... . . .. . .. . . ... .. . . ....253

7.5

Diagrammi di Sankey processo EFMGT

. . . 258

7.6

Rendimento energetico di filiera per le diverse utilizzazioni

...263

Conclusioni

266

Bibliografia

268

Allegato.1) Modellizzazione

per

singola

biomassa

e

utilizzazione

. . . .271

Allegato.2) Quadro normativo sulle biomasse residuali

... . . . ... .297 2

Abstract Tesi Magistrale Ingegneria Energetica – Anno Accademico 2015

Relatori: Prof. Leonardo Tognotti, Prof. Enrico Biagini Candidato: Cinzia Schiavetti

Analisi

di sostenibilità per la produzione di energia

da biomasse di seconda generazione

Le biomasse rappresentano una risorsa alternativa ai combustibili fossili, contribuendo a soddisfare la richiesta energetica del mercato, le attuali normative ed incentivazioni europee e gli obiettivi di riduzione dei gas serra. In particolare, suscitano interesse le biomasse di seconda generazione, in ottica di filiera corta, poichè si ottengono da materie prime la cui coltivazione non richieda l'uso esclusivo di terreni fertili e rispondono ad istanze di natura socio-economica, oltre che ambientale, rappresentando una fonte di reddito aggiuntiva per il comparto agro-forestale, attualmente in crisi. Il lavoro di tesi si pone come obiettivi la presentazione di caratteristiche e valutazioni tecniche, economiche e scelte tecnologiche in merito a biomasse di seconda generazione, con analisi dello stato dell'arte di raccolta, pre-trattamenti meccanici e termici (essiccamento, cippatura, macinatura, pellettizzazione, riduzione a brichetti, torrefazione), trasporto su gomma, stoccaggio all'aperto o al coperto in cumuli, e metodi di conversione energetica, quali gassificazione e combustione con ciclo ORC (Organic Rankine Cycle) o EFMGT (Externally Fired Micro Gas Turbine).

Si definiscono le migliori soluzioni di pre-trattamento in termini di efficienza energetica, costo ed operabilità, per otto biomasse di riferimento: cippato acquistato sul mercato, pioppo da SRF a modello europeo biennale, biomassa residuale da manutenzione forestale e del verde urbano, arundodonax, sorgo, sansa, residui di potatura di olivo e vite; viene trascurata l'analisi delle potenziali filiere di miscanto e triticale, a causa della loro scarsa adattibilità al contesto territoriale. A livello regionale, si riporta quadro normativo, casi studio e mappe regionali riguardanti la vocazionalità del territorio, oltre a filiere potenziali delle diverse colture prese in considerazione. Per le biomasse selezionate si effettua lo studio del bacino di approvvigionamento in ottica di filiera corta al sito d'impianto scelto, nella zona industriale di Gello di Lavaiano (Pontedera), caratterizzata da un'alta vocazionalità allo sviluppo di aziende legate alle fasi di raccolta, trasporto e trasformazione della biomassa, modellizzando l'installazione di un impianto di gassificazione con reattore tipo Downdraft (Centro CRIBE), ORC cogenerativo o con caldaia esterna EFMGT.

In merito alle tecnologie descritte, si analizza la stagionalità delle filiere proposte, presentando una programmazione su medi periodi (annuale), e vengono presentati bilanci di tipo energetico ed economico, oltre al calcolo energetico di filiera e allo studio dei diversi pre-trattamenti necessari per ciascuna biomassa, il cui peso è evidenziato in diagrammi di Sankey, realizzati mediante software OpenSource SankeyMatic (D3 Sankey library), con modifiche apportate in linguaggio Java.

Per le diverse configurazioni impiantistiche modellizzate, viene considerata una produzione di tipo cogenerativo, con possibilità di progettazione di reti di teleriscaldamento, dimensionate in funzione delle tecnologie e delle taglie considerate, con potenza di riserva di circa il 5%; tuttavia, il calcolo del fabbisogno termico permette con le taglie di impianto ipotizzate (500 o 1000 kWth) di soddisfare solo un numero parziale delle utenze al momento presenti in prossimità dell'impianto simulato,tracuiun'aziendaproduttricedipellet,lavanderieindustrialieuna floricotura specializzata. Le composizioni delle biomasse sono state ricavate da campagne sperimentali C.R.I.B.E. e da Database Online-Phyllis 2 (ECN); i modelli d'impianto sono stati sottoposti a validazione.

I risultati ottenuti indicano come preferibile, tra i tre metodi di conversione energetica considerati, la gassificazione CHP con reattore Downdraft, per il suo elevato rendimento elettrico e la ridotta produzione di tars, aspetto che si contrappone alla richiesta di bassa umidità e omogeneizzazione della biomassa in ingresso. Tra gli altri due processi cogenerativi, il ciclo ORC presenta rendimento d'impianto,di filierae carbon footprint migliori,oltread unpiùaltogradodiaffidabilità tecnologica; tuttavia, il processo EFMGT garantisce buona flessibilità d'impiego per le biomasse di seconda generazione, così da ritenere comunque tale tecnologia interessante in vista di futuri sviluppi.