(1)

7)

Confronto dei processi studiati: Gassificazione, Ciclo ORC, EFMGT

7.1) Confronto tra le tipologie di utilizzazione per una stessa biomassa:

7.1.a) Risultati per ciascuna biomassa in funzione della conversione energetica:

I.

Cippato

(umidità di riferimento = 15%):

(2)

(3)

II. Verde Urbano

(umidità di riferimento = 15%, altre umidità considerate = 10% o 20%):

(4)

(5)

(6)

III. Pioppo (umidità di riferimento = 15%):

(7)

(8)

IV. Vite

(9)

(10)

V. Olivo

(11)

(12)

VI. Sansa (umidità di riferimento = 15%):

(13)

(14)

VII.

Arundo Donax (umidità di riferimento

=15%, altre umidità considerate=10% o 20%):

(15)

(16)

(17)

(18)

(19)

VIII.

Sorgo

(umidità di riferimento =15%)

(20)

(21)

7.1.b) Analisi economica:

• Valutazione dei costi:

I costi possono suddividersi in costi della filiera di approvvigionamento e costi legati all'impianto di conversione, questi ultimi possono classificarsi come costi di investimento e costi di gestione. Per quanto riguarda l'impianto, si ipotizza un investimento interamente finanziato da mutuo, da rimborsare con 12 rate annuali, costanti a capitalizzazione uniforme, caratterizzati da:

– Interesse fisso sul mutuo per singola rata: 2%; – Valore rata mutuo (capitale + interessi).

Tra i costi di gestione dell'impianto, i più rilevanti sul budget dei costi sono:

– Costo del contratto di manutenzione ordinaria (pari al 3% dell'investimento); – Costi per il personale dell'impianto;

– Costi generali (pari a circa il 5% dei ricavi); – Costi di smaltimento ceneri:

a) Scenario in cui le ceneri appaiono come rifiuto (onere di smaltimento necessrio); b) Scenario con valorizzazione delle ceneri (ammendante agricolo): costo evitato; – Imposta di fabbricazione dell'energia elettrica.

• Valutazione dei ricavi:

Per quanto riguarda i ricavi, si assumono per i calcoli i seguenti valori di riferimento:

– Ricavo vendita di energia elettrica (MWh): € 60 (GRTN), precluso per i primi 15 anni se viene effettuato l'accesso alla tariffa incentivante omnicomprensiva come prima costruzione; – Ricavo medio vendita della potenza termica (MWh): € 50;

– Modalità di incentivazione (DM 6 luglio 2012): agli impianti progettati non può essere applicata la tariffa incentivante omnicomprensiva (To) per impianti di taglia superiore a 1kW e inferiore a 1 MW pari a 280 €/MWh, ossia 28 €cent/kWh (accesso diretto per nuova costruzione), in quanto costruiti dopo il 1 gennaio 2013; di conseguenza, essi beneficiano della nuova fascia di incentivazione base pari a 229 €/MWh, a tasso fisso per 20 anni; – Vita utile impianto: 20 anni (in media, per entrambe le tecnologie in studio);

– Ore funzionamento impianto: 8000 h/anno.

Dal punto di vista dell'energia termica, uno scenario più accurato per i ricavi potrebbe essere caratterizzato dalla stima del dispacciamento di energia termica alle utenze locali allacciate ad una rete di teleriscaldamento dimensionata in funzione della taglia dell'impianto in progettazione, considerando i fabbisogni annui suddivisi in quattro studi trimestrali; una ulteriore valutazione potrebbe essere fatta sul tipo di utenze allacciate alla rete di teleriscaldamento considerata, se ad uso familiare o edifici pubblici, quali scuole e ospedali, in modo da garantire con sicurezza il servizio. Inoltre, la politica sui ricavi dipende dal Gestore di Sistema Elettrico: la tariffa omnicomprensiva è un meccanismo di incentivazione sostitutivo ai Certificati Verdi, che prevede una rata fissa in funzione della quota di energia immessa in rete, per i primi 15 anni, pari a 28 €cent/kWh, a seguito della richiesta di qualificazione IAFR (Impianto Alimentato da Fonti Rinnovabili) presso il Gestore; per impianti di costruzione successiva al 1 gennaio 2013 come quelli illustrati in questo elaborato, la tariffa omnicomprensiva è sostituita da un nuovo meccanismo incentivante, che prevede tariffa base per le taglie considerate pari a 257 €/MWh (26 €cent/kWh), in quanto alimentati a biomassa di seconda generazione, ossia a “sottoprodotti di origine biologica”.

Le tecnologie considerate potrebbero beneficiare anche del premio Car Teleriscaldamento, se l'energia termica prodotta viene destinata unicamente a utenze termiche locali in rete di teleriscaldamento (premio pari a 40 €/MWh); considero questo bonus ai fini del calcolo dei ricavi annui per gli impianti.

(22)

A seguito di un'opportuna progettazione, gli impianti in considerazione potrebbero ricevere il bonus Emissioni, volto a impianti a biomasse da colture dedicate o da sottoprodotti, di qualsiasi taglia, purchè essi soddisfino opportuni requisiti di emissioni in atmosfera (NOx, NH3, CO, SO2, COT e particolato, la cui soglia è di 10 mg/Nm3_{); tali riduzioni di emissioni sono tuttavia difficoltose, in}

particolare per impianti di taglie medio-piccole, di conseguenza non considero tale obiettivo come raggiunto ai fini del bilancio economico della presente relazione.

234

(23)

7.2) Confronto tra le diverse biomasse per una stessa utilizzazione:

7.2.a) Gassificazione

(24)

(25)

(26)

(27)

BIOMASSA LHV (MJ/kg) Tout Gass.(K) Cippato 19,067 632 Pioppo 18,114 621 Residui Vite 18,591 639 Verde Urbano 19,145 611 Arundo Donax 17,513 608 Residui Olivo 17,702 610 Sansa 19,735 630 Sorgo 17,559 623

Il grafico del potere calorifico inferiore in funzione della temperatura di uscita dal

gassificatore corrisponde alle aspettative, in quanto è possibile ipotizzare un

incremento del valore di LHV delle diverse biomasse all'aumentare della temperatura

di uscita dalla gassificazione, per una stessa umidità di riferimento pari al 15%.

Questo grafico sembra mostrare un trend corretto, ma presenta un valore abbastanza

alto di potere calorifico per la biomassa residuale (verde urbano) ad una temperatura

di uscita dalla gassificazione inferiore alla media delle temperature nei casi esaminati;

si ritiene che questo risultato sia da imputare alla composizione supposta per il verde

urbano (fonte: database online composizione biomasse Phyllis2, ECN).

(28)

(29)

7.2.b) Ciclo ORC:

(30)

(31)

(32)

7.2.c) Processo EFMGT:

(33)

(34)

(35)

7.3) Diagrammi di Sankey – Gassificazione

Al fine di visualizzare in modo diretto i pesi che assumono le diverse fasi della filiera

della conversione energetica a partire da biomassa di seconda generazione nel

bilancio energetico si sono strutturati i digrammi di Sankey per le tre utilizzazioni,

prendendo in considerazione le tipologie di biomassa alimentata più frequenti:

Biomasse di frequente utilizzo Umidità della biomassa in ingresso Pre-trattamenti necessari 1.A) Cippato (mercato) 30% Essiccamento 1.B) Cippato (mercato) 15%

2) Verde Urbano 40% Essiccamento e Cippatura 3) Pioppo SRC 30% Essiccamento e Cippatura 4) Residui coltivazione della vite 30% Essiccamento e Cippatura 5) Residui coltivazione dell'olivo 30% Essiccamento e Cippatura

6) Sansa 15% Pellettizzazione

7.A) Arundo Donax Tipo 1 30% Essiccamento e Cippatura 7.B) Arundo Donax Tipo 2 30% Essiccamento e Cippatura

8) Sorgo 40% Essiccamento

I grafici di Sankey sono stati ottenuti mediante utilizzo della piattaforma software

web OpenSource SankeyMatic (fonte

[W-5]), con libreria D3 Sankey (S.Bogart) ed

opportune modifiche realizzate in linguaggio Java.

Biomasse con pre-trattamenti di cippatura e pellettizzazione [38]

CIPPATURA Pioppo SRC Verde Urbano Residui colt. Vite Residui colt. Olivo Arundo Tipo 1 En.Elettrica (kWh/t.s.s.) 6 6,8 6,5 6,5 6,8 En.Elettrica (kJ/kgs.s.) 216 244,8 234 234 244,8 Residuo in campo 13% 13% 13% 13% 13% Polveri (*) 2,5% 4,5% 4% 4% 20%

Totale Materiale Perso 15,5%

16,2 kW 16,8 kW17,5% 16,2 kW17% 16,2 kW17% 31,4 kW33%

PELLETTIZZAZIONE Sansa Arundo Tipo 2

En.Elettrica (kWh/t.s.s.) 7,5 Cippatura: 8; Pellettizzazione: 7,5; Totale: 15,5

En.Elettrica (kJ/kgs.s.) 270 Cippatura: 288; Pell.: 270;

Totale: 558

Residuo in campo 13% 13%

Polveri 4% 4,5%

Totale Materiale Perso 17% 17,4 kW

17,5% 18 kW

(*) Perdita di materiale per cippatura come polvere o frammenti,fonte: “CRA-ING, C.Bisalgia, M.Cutini, E.Romano)

(36)

Si riportano di seguito i diagrammi di Sankey ottenuti per la gassificazione, in merito

alle diverse biomasse di frequente utilizzo considerate; attraverso il loro confronto è

possibile determinare il peso dei differenti tipi di pre-trattamenti.

La biomassa alimentata è considerata con la sua umidità tipica in ingresso, che deve

essere riportata all'umidità considerata come riferimento, pari al 15%; eccezioni a tale

tipo di essiccazione sono rappresentate da Verde Urbano e Arundo Donax, i quali

vengono essiccati fino al 15%, fino al 10% e al 20%, per evidenziare le differenze del

bilancio energetico e del rendimento di filiera in funzione del diverso essiccamento.

• Cippato (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Cippato (con umidità di partenza pari al 15%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 15%):

248

Diagramma di Sankey Cippato (Um.30%) - Gassificazione

Diagramma di Sankey Cippato (Um.15%) - Gassificazione

(37)

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 10%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 20%):

• Pioppo SRC (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Residui di coltivazione della vite (con essiccamento umidità 30% → 15%):

249

Diagramma di Sankey Verde Urbano (Um.40%) - Gassificazione

Diagramma di Sankey Pioppo (Um.30%) - Gassificazione

(38)

• Residui di coltivazione dell'olivo (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Sansa (con umidità di partenza pari al 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

250 Diagramma di Sankey Olivo (Um.30%) - Gassificazione

Diagramma di Sankey Sansa (Um.15%) - Gassificazione

Diagramma di Sankey Arundo Tipo1 (Um.30%) - Gassificazione

(39)

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

251

(40)

• Sorgo (con essiccamento umidità 40% → 15%):

Si riporta il codice in linguaggio Java (per il verde urbano, umidità 40-20%), che

permette la creazione dell'interfaccia grafica scelta per costruire i diagrammi di

Sankey per le diverse biomasse per il processo di gassificazione, considerando

residuo in campo, essiccamento e pre-trattamenti meccanici, in aggiunta al codice

presente piattaforma software web OpenSource SankeyMatic [W-5]:

:VerdeUrbanoUm40-20% #00FF00 << :Input #0000CC << :Syngas #990099 << PerditaAllaRaccolta [2.81] VerdeUrbanoUm40-20% Pre-Essiccamento [7.3] VerdeUrbanoUm40-20% Pot.ElettricaCippatura [1.33] VerdeUrbanoUm40-20% Pot.ElettricaPellettizzazione [0] VerdeUrbanoUm40-15% PolveriPellettizzazione [0] VerdeUrbanoUm40-20% PolveriCippatura [0.91] VerdeUrbanoUm40-20% Input [100] VerdeUrbanoUm40-20% Syngas [74.78] Input DispersioniGassificatore [13.27] Input Biochar[11.95] Input Elettricità [23.89] Syngas DispersioniMotore [8.19] Syngas Prod.Termica [42.70] Syngas 252 Diagramma di Sankey Sorgo(Um.40%) - Gassificazione

(41)

7.4) Diagrammi di Sankey – Ciclo ORC

Si riportano i diagrammi di Sankey ottenuti per il ciclo ORC, in merito alle diverse

biomasse di frequente utilizzo considerate, con opportuni pesi per le rispettive fasi di

essiccamento fino all'umidità di riferimento (posta al 15%) e per i pre-trattamenti

meccanici considerati; per quanto riguarda Verde Urbano e Arundo Donax si studiano

i essiccamenti fino al 15%, al 10% o al 20%, evidenziandone le differenze.

• Cippato (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Cippato (con umidità di partenza pari al 15%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 15%):

253 Diagramma di Sankey Cippato (Um.30%) - Ciclo ORC

Diagramma di Sankey Cippato (Um.15%) - Ciclo ORC

(42)

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 10%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 20%):

• Pioppo SRC (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Residui di coltivazione della vite (con essiccamento umidità 30% → 15%):

254

Diagramma di Sankey VerdeUrbano (Um.40%) - Ciclo ORC

Diagramma di Sankey Pioppo (Um.30%) - Ciclo ORC

(43)

• Residui di coltivazione dell'olivo (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Sansa (con umidità di partenza pari al 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

255 Diagramma di Sankey Olivo (Um.30%) - Ciclo ORC

Diagramma di Sankey Sansa (Um.15%) - Ciclo ORC

Diagramma di Sankey Arundo Tipo1 (Um.30%) - Ciclo ORC

(44)

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

256

(45)

• Sorgo (con essiccamento umidità 40% → 15%):

Si riporta il codice in linguaggio Java (cippato a partire da umidità pari al 15%), che

permette la creazione dell'interfaccia grafica per i diagrammi di Sankey delle diverse

biomasse per il ciclo ORC, con opportuni pre-trattamenti, in aggiunta al codice già

presente piattaforma software web OpenSource SankeyMat [W-5]:

:CippatoUm15% #00FF00 << :Input #0000CC << :Pot.ThFumi-Olio #990099 << PerditaAllaRaccolta [2.82] CippatoUm15% Pre-Essiccamento [0] CippatoUm15% Pot.ElettricaCippatura [0] CippatoUm15% Pot.ElettricaPellettizzazione [0] CippatoUm15% PolveriPellettizzazione [0] CippatoUm15% PolveriCippatura [0] CippatoUm15% Input [100] CippatoUm15% Pot.ThFumi-Olio [74.44] Input DispersioniCaldaia [13] Input Ceneri [0.11] Input PthFumi [12.44] Input Elettricità [8.89] Pot.ThFumi-Olio DispersioniORC [24.88] Pot.ThFumi-Olio PthOlioMDM[40.67] Pot.ThFumi-Olio 257 Diagramma di Sankey Sorgo (Um.40%) - Ciclo ORC

(46)

7.5) Diagrammi di Sankey – Processo EFMGT

Sono di seguito riportati i diagrammi di Sankey delle diverse biomasse di frequente

utilizzo in merito al processo EFMGT, con perdita alla raccolta, rispettive fasi di

essiccamento fino all'umidità di riferimento (15%) e pre-trattamenti meccanici

differenti; per quanto riguarda Verde Urbano e Arundo Donax si studiano

essiccamenti fino al 15%, al 10% o al 20%, in modo da evidenziarne le differenze.

• Cippato (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Cippato (con umidità di partenza pari al 15%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 15%):

258

Diagramma di Sankey Cippato (Um.30%) - Processo EFMGT

Diagramma di Sankey Cippato (Um.15%) - Processo EFMGT

(47)

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 10%):

• Verde Urbano (con essiccamento umidità 40% → 20%):

• Pioppo SRC (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Residui di coltivazione della vite (con essiccamento umidità 30% → 15%):

259

Diagramma di Sankey Verde Urbano (Um.40%) - Processo EFMGT

Diagramma di Sankey Pioppo (Um.30%) - Processo EFMGT

(48)

• Residui di coltivazione dell'olivo (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Sansa (con umidità di partenza pari al 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

260

Diagramma di Sankey Olivo (Um.30%) - Processo EFMGT

Diagramma di Sankey Sansa (Um.15%) - Processo EFMGT

Diagramma di Sankey Arundo Tipo1 (Um.30%) - Processo EFMGT

(49)

• Arundo Donax Tipo 1 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 15%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 10%):

• Arundo Donax Tipo 2 (con essiccamento umidità 30% → 20%):

261

(50)

• Sorgo (con essiccamento umidità 40% → 15%):

Si riporta di seguito il codice in linguaggio Java (a titolo di esempio Arundo Donax

Tipo1, con umidità in ingresso pari a 30%, essiccata fino al 20%), che consente di

creare l'interfaccia grafica per i diagrammi di Sankey delle diverse biomasse per il

processo EFMGT, con opportuni pre-trattamenti, in aggiunta al codice già presente

piattaforma software web OpenSource SankeyMat [W-5]:

:ArundoUm30-20% #00FF00 << :Input #0000CC << :Pot.TermicaFumi-Aria #990099 << PerditaAllaRaccolta [3.08] ArundoUm30-20% Pre-Essiccamento [3.39] ArundoUm30-20% Pot.ElettricaPellettizzazione [1.57] ArundoUm30-20% PolveriPellettizzazione [1.09] ArundoUm30-20% Pot.ElettricaCippatura [0] ArundoUm30-20% PolveriCippatura [0] ArundoUm30-20% Input [100] ArundoUm30-20% Pot.TermicaFumi-Aria [45.28] Input DispersioniCaldaia [14.41] Input Prod.TermicaFumi [40.19] Input Ceneri[0.12] Input Pot.ElettricaTurbina [43.1] Pot.TermicaFumi-Aria Pot.ElettricaCompressore [31.14] Pot.ElettricaTurbina Pot.ElettricaProdotta [11.96] Pot.ElettricaTurbina DispersioniCicloTurbogas [2.18] Pot.TermicaFumi-Aria 262

(51)

7.6) Rendimento energetico di filiera per le diverse utilizzazioni

Si considerano le filiere raccolta-pretrattamenti-utilizzo più realistiche per le otto

biomasse considerate, in merito alle tre diverse tipologie di conversione energetica:

per ogni biomassa si considera l'input energetico, le perdite in massa alla raccolta, le

tipologie di pre-trattamento (con perdite sia di tipo energetico che in massa) e gli

output energetici d'impianto (di tipo sia elettrico, che termico).

GASSIFICAZIONE RACCOLTAResiduo in campo (kW)

PRE – TRATTAMENTI UTILIZZAZIONE BIOMASSA En.Iniziale (kW) Tipologia Polveri (kW) En.Elettrica (kW) Pr.Elettrica (kW) Pr.Termica (kW)

1.A) Cippato Um30% _12,7 _Essiccamento ₀ ₂₀ ₁₀₈ ₁₈₃ ₄₅₀

1.B) Cippato Um15% 12,7 0 0 108 183 450

2) Verde Urbano

Um40% 12,7 Essiccamento e_Cippatura 4,1 45 111 196 452

3) Pioppo SRC Um30% 12,7 Ess. e Cipp. 3,5 25,1 99 177 428

4) Vite Um30% 12,7 Ess. e Cipp. 3,5 25,5 104 185 439

5) Olivo Um30% 12,7 Ess. e Cipp. 3,5 25,5 94 171 418

6) Sansa Um15% 12,7 Pellettizzazione 4,7 6,5 115 202 466

7.A) Arundo Tipo 1

Um30% 12,7 Essiccamento e_Cippatura 18,7 38,7 94 169 413 7.B) Arundo Tipo 2

Um30% 12,7 _{Pellettizzazione}Essicc., Cipp.e 5,3 26,4 94 169 413

8) Sorgo Um40% 12,7 Essiccamento 0 39 96 171 415

CICLO ORC RACCOLTAResiduo in campo (kW)

PRE – TRATTAMENTI UTILIZZAZIONE BIOMASSA En.Iniziale

(kW) Tipologia Polveri

(kW) En.Elettrica(kW) Pr.Elettrica(kW) Pr.Termica(kW)

1.A) Cippato Um30% 12,7 Essiccamento 0 20 40 239 450

1.B) Cippato Um15% 12,7 0 0 40 239 450

2) Verde Urbano

4) Vite Um30% 12,7 Ess. e Cipp. 3,5 25,5 39 308 439

7.A) Arundo Tipo 1

Um30% 12,7 _{Pellettizzazione}Essiccamento e 18,7 38,7 35 279 413 7.B) Arundo Tipo 2

8) Sorgo Um40% _12,7 _Essiccamento ₀ ₃₉ ₃₅ ₂₈₂ ₄₁₅

(52)

PROCESSO EFMGT

RACCOLTA Residuo in campo (kW)

PRE – TRATTAMENTI UTILIZZAZIONE BIOMASSA En.Iniziale

(kW) Tipologia Polveri

(kW) En.Elettrica(kW) Pr.Elettrica(kW) Pr.Termica(kW)

1.A) Cippato Um30% 12,7 Essiccamento 0 20 42 183 450

1.B) Cippato Um15% 12,7 0 0 42 183 450

2) Verde Urbano

4) Vite Um30% 12,7 Ess. e Cipp. 3,5 25,5 53 177 439

7.A) Arundo Tipo 1

Um30% 12,7 _{Pellettizzazione}Essiccamento e 18,7 38,7 49 157 413 7.B) Arundo Tipo 2

8) Sorgo Um40% _12,7 _Essiccamento ₀ ₃₉ ₅₀ ₁₆₀ ₄₁₅

(53)