Energia dalle Biomasse - Parte A

Energia dalle

Biomasse - Parte A

Tecnologie delle Energie Rinnovabili

Daniele Cocco

Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali

Università degli Studi di Cagliari [email protected]

http://people.unica.it/danielecocco/

A.A. 2019-2020

Le Biomasse

 Specie arboree ed erbacee derivanti da coltivazioni agricole e forestali;

 Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.);

 Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali, etc.);

 Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.);

 Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (la cosiddetta “Frazione Umida” o FORSU).

Biomasse

Residuali Coltivazioni

Energetiche

Biomasse ed effetto serra

Biomassa

Ossigeno

Energia

CO

Ceneri

Energia solare

CO

Acqua

Nutrienti

Il bilancio teorico della

CO ₂

è in pareggio!

Fotosintesi

C on ver sione

La sostenibilità della filiera

Occorre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell’intera filiera!

Energia solare

Coltivazione biomassa

Residui

Trasporto

prodotto Conversione industriale

Energia utile

Combustibili Fertilizzanti,

sementi, ecc.

Emissioni Emissioni Combustibili

Sotto-

prodotti Emissioni Materiali,

ecc.

Combustibili, energia el.

Il Processo di Fotosintesi

Radiazione solare incidente

Radiazione attiva per la

fotosintesi

Radiazione non attiva

Energia

Riflessa Energia Persa

Consumo interno

Energia solare assorbita

Energia

convertita Energia netta

Rendimento teorico fotosintesi 0,5·0,8·0,3·0,6=0,072

100% 50%

50%

80%

20%

30%

70% 40%

60%

I processi di conversione

Tipologia del Processo

Rapporto

C/N Umidità Processo di

conversione Prodotto principale Biochimico <30 >30% Fermentazione

Digestione anaerobica Digestione aerobica

Bioetanolo Biogas

Energia termica Termochimico >30 <30% Combustione

Gassificazione Pirolisi

Energia termica Gas di sintesi

Gas di pirolisi, biooli Fisico-chimico - - Estrazione di oli

Transesterificazione Compattazione

Olio vegetale grezzo Biodiesel

Pellets

Le filiere di conversione

Energia da biomasse

Bio-

combustibili

•Etanolo

•Olio vegetale

•Biodiesel

Digestione

anaerobica ^•Biogas

Processi termochimici

•Combustione

•Gassificazione

•Pirolisi

Usi attuali delle Biomasse

Fonte: IEA, 2019

Usi attuali delle Biomasse

FER in Italia

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

FER in Italia

19,5%

8,9%

17,5%

54,1%

Bioenergie – Settore Elettrico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Potenza Totale installata circa 115000 MW

(di cui il 46% da FER)

Bioenergie – Settore Elettrico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Bioenergie – Settore Elettrico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Bioenergie – Settore Elettrico

Bioenergie – Settore Elettrico

Bioenergie – Settore Elettrico

Bioenergie – Settore Termico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Bioenergie – Settore Termico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Bioenergie – Settore Termico

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Bioenergie – Settore Termico

Bioenergie – Settore Trasporti

GSE - Rapporto Statistico FER 2018

Impianti operativi in Sardegna

Impianti di co-combustione carbone-biomasse (Enel ed EoN)

Centrale a biomassa di Serramanna (Sardinia Bio Energy)

Impianti operativi in Sardegna

Diversi impianti a biogas da circa 1 MWe

Impianti operativi in Sardegna

Un grande impianto (36,5 MWe) ad olio vegetale ad Ottana

Impianti operativi in Sardegna

CARATTERIZZAZIONE

DELLE BIOMASSE

Proprietà delle biomasse

 Umidità (sul secco o sul tal quale)

 Potere calorifico inferiore e superiore

Composizione chimica (elementare e immediata)

 Densità (volumica ed energetica)

 Composizione e comportamento delle ceneri

 Contenuto di olio (oleaginose) e di

zuccheri (zuccherine)

Proprietà dei biocombustibili

Le proprietà sono determinate con riferimento a:

Acqua Ceneri

Materia

combustibile (C, H, O, N,

S, etc. ^{Sul secco} e privo di ceneri

secco Sul

Sul tal

quale

Caratterizzazione del legno

Caratterizzazione del legno

m

, Metro cubo impilato o stero

(circa 0,7 m

), ovvero 0,3-0,5 t

m

, Metro cubo sul mucchio (circa 0,5

m

), ovvero circa

0,15-0,25 t

L’umidità delle biomasse

U=

m

m

+m

Umidità sul tal quale

U

=

m

m

Umidità sul secco

U=

U

1+U

Rapporto massico

R

=

m

+m

m

1

= 1-U

Composizioni tipiche

C H O N S Cl Ceneri PCI₀

(%) (%) (%) (%) (%) (%) (%) (MJ/kg) Legna di abete 49,00 5,98 44,75 0,05 0,01 0,01 0,2 18,74 Legna di pioppo 48,45 5,85 43,69 0,47 0,01 0,10 1,43 18,19 Legna di faggio 51,64 6,26 41,45 - - - 0,65 18,63 Legna di quercia 49,98 5,38 43,13 0,35 0,01 0,04 1,61 18,33 Legna di

eucaliptus 49,00 5,87 43,97 0,30 0,01 0,13 0,72 18,23 Paglia di frumento 43,20 5,00 39,40 0,61 0,11 0,28 11,40 16,49 Paglia di riso 41,78 4,63 36,57 0,70 0,08 0,34 15,90 15,34 Stocchi di mais 43,65 5,56 43,31 0,61 0,01 0,60 6,26 16,52 Residui potatura

vite 47,14 5,82 43,03 0,86 0,01 0,13 3,01 17,86 Residui potatura

mandorlo 51,30 5,29 40,90 0,66 0,01 0,04 1,80 19,93 Lolla di riso 40,96 4,30 35,86 0,40 0,02 0,12 18,34 15,27 Gusci di mandorla 44,98 5,97 42,97 1,16 0,02 - 5,60 18,17 Noccioli pesca 53,00 5,90 39,14 0,32 0,05 - 1,59 19,62 Noccioli oliva 48,81 6,23 43,48 0,36 0,02 - 1,10 21,12 Sanse esauste 32,73 5,29 37,82 - 0,64 - 12,52 15,50

Composizioni tipiche

Umidità Potere calorifico Densità apparente (%) PCI (MJ/kg) (kg/mci) (kg/mcm)

Faggio fresco 50 7,9 669 464

Faggio essiccato 35 11,1 608 375

Faggio essiccato all’aria 18 14,6 482 283

Abete fresco 50 8,1 517 332

Abete essiccato

naturale 35 11,3 436 265

Abete essiccato all’aria 18 14,9 345 202

Pellet 10 17,0 - 600

Segatura 10 17,0 - 202

Trucioli 10 17,0 - 120

Paglia frumento (balle) 15 14,4 135 -

Paglia colza (balle) 15 14,3 133 -

Paglia mais (balle) 15 14,8 139 -

Miscanto (balle) 15 14,9 140 -

Grano sfuso 15 14,2 - 760

Il potere calorifico

Rappresenta la quantità di calore sviluppata dalla combustione completa dell’unità di massa di

combustibile (kcal/kg, kJ/kg, kWh/kg, etc.) e viene misurata attraverso i calorimetri

PCI

=PCS

- m

·r

Rapporti energetici

R

= PCI PCI

r PCI

=1-U·(1+

PCI=PCI

- U·(PCI

+ r) )

R

= (m

+m

)·PCI

m

·PCI

=R

·R

Rapporti caratteristici

0 10 20 30 40 50 60 70 80

Umidità U (%)

0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1

R a p p o rt i R

, R

e R

Rapporto R_H Rapporto R_E Rapporto R_P

PCI0=18 MJ/kg

La Produzione di Biomassa

Radiazione media disponibile 4-5 kWh/m

giorno

(1200-1600 tep/ha anno)

Produzione teorica di biomassa secca (PCI=18,5 MJ/kg, 0,44 tep/t)

190-250 t/ha anno (rendimento 7%)

Produzione massima sperimentata 30-60 t/ha anno di sostanza secca Produzione effettiva sostanza secca

5-25 t/ha anno (rendimento 0,2-1,0%)

THE END