C.2
Biomassa
Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di
materiali, di natura estremamente eterogenea.
Con alcune eccezioni, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica.
Sono da escludere le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del
carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei
materiali organici.
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C.2
Biomassa
La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare.
Tramite l’energia solare le piante riescono a convertire la CO2 atmosferica in materia
organica, attraverso il processo di fotosintesi.
In questo modo vengono fissate complessivamente circa 2·1011(*) tonnellate di
carbonio all’anno, con un contenuto energetico dell’ordine di 70·103 Mtep.
La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali
organici che possono essere utilizzati direttamente trasformandoli in
combustibili solidi, liquidi o gassosi.
(*) Prof. Ing. Francesco Martelli
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Biomassa
Possiamo distinguere le seguenti tipologie di biomasse:
•Residui forestali e del legno, derivati da attività di segherie, industrie di
trasformazione, manutenzione boschiva
•Sottoprodotti agricoli, paglie, stocchi, sarmenti di vite ramaglie di potatura
•Residui agroindustriali, sanse, vinacce, noccioli, lolla di riso, provenienti di
industrie alimentari
•Colture energetiche, finalizzate alla produzione di biomasse sia erbacce
(girasole, colza, barbabietole, canna da zucchero,etc.)
•Residui industrie zootecniche, letame, liquami
•Rifiuti urbani
Residui del legno
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Sottoprodotti agricoli
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Colture energetiche
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Biomassa
Vantaggi
•Abbondante – si trova in quasi ogni parte della terra, dove siano presenti alghe, alberi,
letame...
•Fonte di Energia Rinnovabile – grazie alla possibilità del rimboschimento
• Immagazzinabile-Stoccabile
• Convertibile in combustibili solidi, gassosi
o liquidi con buoni poteri calorifici
• Sfruttamento di zone inutilizzate
dall’agricoltura e conseguente creazione di
occupazione nelle zone rurali
• Ciclo emissioni di CO 2 - le piante la
riassorbono durante la loro crescita
(fotosintesi)
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Biomassa
Svantaggi
• Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica
•superficie minima di 12.000 ha
•produzione superiore a 17 ÷ 25 t per ha
• La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione
• Sistema di gestione (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura
della risorsa
• Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità
(bulk density) si è studiato che c’è convenienza economica se la distanza tra
approvvigionamento e impianto non supera le 100 miglia (160 km)
• Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali/meteo
• Produzione non costante durante l’anno
• Contenuto di umidità variabile
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Biomassa
Le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55
milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno), l’utilizzo di questa fonte però ha un forte grado
di disomogeneità.
Nei paesi del Terzo Mondo complessivamente ricavano il 38%
del loro fabbisogno dalle biomasse, 48 milioni TJ/anno, in
alcuni di questi si riesce a raggiungere anche il 90%, tramite
combustione del legno, paglia e rifiuti animali.
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Biomassa
Nei Paesi Industrializzati, le biomasse costituiscono il 3% del fabbisogno
con 7 milioni TJ/anno.
•USA il 3,2% del fabbisogno 3,2 milioni di TJ/anno la seconda fonte
rinnovabile dopo l’idroelettrica
•Europa il 3,5% complessivo di cui:
- Finlandia 18%
- Svezia 17%
massimi produttori
- Austria 13%
- Italia 2%
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minor produzione
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Biomassa
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Biomassa
Umidità
Il tasso di umidità ha un ruolo importante, poiché l'acqua richiede un elevato calore di
vaporizzazione:
•Varia notevolmente in relazione al tipo di biomassa e allo stoccaggio
applicato. In molti casi un pretrattamento di essiccatura prima dell’inserimento
in camera di combustione
•Contenuto elevato di umidità:
Riduzione della temperatura di
combustione
Aumento di volume dei gas
prodotti nella combustione
Diminuzione dell’efficienza
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Aumento del tempi di residenza
Aumento (in fase di progetto)
delle dimensioni della camera
di combustione
Si può compensare adottando
sistemi di recupero del calore,
scambiatori
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Aumento
costi di
investimento
Aumento
costi di
investimento
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C.2
Biomassa
Le principali applicazioni della biomassa sono:
•Produzione di energia tramite la trasformazione dei combustibili ottenuti dalla
biomassa per produzione di calore ed energia elettrica
•Sintesi di carburanti ottenuti da biomasse per la trazione automobilistica e
navale
•Sintesi di prodotti in analogia a quelli ottenibili dai combustibili fossili,
lubrificanti, materie plastiche, colle,...
McNeil Station 50MWh wood-fire, Burlington (Vermont,USA)
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Biomassa
Pirolisi
Cofiring
Gassificazione
Combustione
Processi termochimici
Digestione Anaerobica
Digestione Aerobica
Processi biologici o biochimici
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Biomassa
Processi Termochimici
Sono processi basati sull’azione del calore necessario a trasformare la materia in
energia, si utilizzano per i prodotti e per i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto
C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%.
Le biomasse più adatte a subire tale tipo di processi sono:
• Legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc..)
• Sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di
potatura della vite e dei frumenti)
• Scarti di lavorazione ( lolla, pula, gusci, noccioli..)
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Biomassa
COFIRING
Consiste nell’utilizzare la biomassa come combustibile complementare al
carbone o al gas naturale.
Viene sostituita una porzione (circa il 15 – 20%) del carbone con biomassa,
possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella stessa caldaia o utilizzando
alimentazioni separate, permette la riduzione della CO2 ed SO2 (anidride solforica).
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Biomassa
Nel caso di combustione con gas naturale non è particolarmente interessante sotto il
profilo delle prestazioni termodinamiche e del contenimento dei costi, richiede:
Ø gassificazione delle biomasse
Ø interventi di adattamento dei parametri di funzionamento e modifiche strutturali
del TG, a causa del basso potere calorifico del syngas e della diminuzione di
temperatura di fiamma
Ø complesso equipaggiamento di pulizia del syngas, per soddisfare le elevate
specifiche di purezza richieste dalla turbina.
L’interesse per questa soluzione è legato soprattutto alla possibilità che essa offre
di risparmiare gas naturale e conseguentemente ridurre le emissioni di CO2.
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Biomassa
Pirolisi
È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante l’applicazione di
calore a temperature comprese fra i 400 – 800°C, in completa o parziale assenza di
ossigeno.
I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni differenti in
funzione del tipo di processo utilizzato ( pirolisi lenta, veloce o convenzionale)
Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un combustibile dal
potere calorifico di 4 – 7 MJ/Nm3.
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Biomassa
La pirolisi del Legno viene fatta in tre stadi:
1. disidratazione: legna + calore ⇒ legna secca + vapor acqueo
2. pirolisi: legna secca + calore ⇒ carbone vegetale + pece + gas (CO, CO2, H2 O, CH4)
3. combustione: carbone + ossigeno + H2O ⇒ CO + H2 + CO2 + calore
La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tasso di
umidità non deve superare il 20%.
L’essiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando la biomassa per
un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppure mediante l'impiego di
forni, con apporto di calore ad una temperatura intorno ai 100°C, per evitare
possibili accensioni del vegetale.
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Biomassa
La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si ottengono prodotti
diversi, a seconda delle temperature raggiunte.
ØCarbonizzazione per valori sino a 400-500°C, che origina carbone di
legna corrisponde al 30-35% del materiale secco di partenza (il carbone di
legna ha un contenuto di carbonio compreso nel campo 75÷85%, ed un
potere calorifico di circa 6000/7000 kcal/kg),
ØProduzione di gas a temperatura di 600°C e sino a 900-1000°C composto
da H2, CO, CO 2 (quest’ultime in percentuali sempre più basse), con potere
calorifico di circa 3000 kcal/Nm3
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Biomassa
GASSIFICAZIONE
È un processo endotermico a due stadi per mezzo dei quali il combustibile (biomassa o
carbone) è convertito in gas a basso o medio potere calorifico 4000 – 14000 KJ/Nm3.
Prima stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a temperatura
inferiori a i 600°C da un insieme di reazioni complesse. Questi componenti sono gas di
idrocarburi, idrogeno, CO, CO2, nerofumo e vapor acqueo.
Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengono vaporizzate in
una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parte incombusta delle sostanze
carbonizzate viene bruciata per fornire il calore necessario per le reazioni endotermiche
di gassificazione.
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Biomassa
La gassificazione può contribuire allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e/o
all'utilizzo del combustibile da rifiuti
La gassificazione degli RSU ha come prodotto un gas di sintesi (syngas) che alimenta la
turbina a gas dell'impianto a ciclo combinato. Ciò con le seguenti principali finalità:
1. rimuovere le barriere tuttora esistenti sull'applicazione delle tecnologie
di gassificazione degli RSU;
2. favorire la diffusione dei cicli combinati a gas che restano una delle
tecnologie ambientalmente più valide per la produzione di elettricità;
3. ampliare il ricorso alle fonti rinnovabili (il tasso di rinnovabilità degli
RSU è correntemente indicato nel 66%)
4. evitare il ricorso al conferimento di discarica degli RSU.
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Biomassa
COMBUSTIONE
Si tratta della combustione diretta in apposite caldaie, di legname in tutte le sue forme.
Ad esempio paglie di cereali, residui di piante da fibra tessile ( cotone, canapa...),
residui di piante oleaginose (ricino, catramo...), residui legnosi di piane da frutto e di
piante forestali, residui dell’industria agro alimentare.
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Biomassa
Tra i materiali più noti citiamo i Pellets scarti dell'industria del legno (segatura, polveri )
ottenuti dalla sfibratura e polverizzazione dei residui legnosi, in seguito pressati in
apposite macchine per formare cilindretti di diverse lunghezze e spessori, hanno un
potere calorifico 4.000 -4.500 kcal/kg
APPLICAZIONI
• Abitazioni private
• Uso industriale
• Teleriscaldamento
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Biomassa
Il termocamino è una caldaia a tubi d’acqua, sfrutta il calore dei fumi caldi
provenienti dalla combustione diretta del legname o dei pellets o del
cippato, per scaldare l’acqua.
Siamo di fronte ad un impianto di riscaldamento ad
acqua classico, in cui al posto della caldaia a tubi di
fumi che adotta come combustibile gasolio o gas
metano, si utilizza un camino.
In funzione delle dimensioni del camino si possono
avere maggiori quantità di acqua calda prodotta ad
esempio un termocamino di 0.44 m3 può fornire 25 kcal
con una portata evolvente di 600 l/h.
% di umidità
Potere calorifico
kcal/kg
15%
3490
20%
3250
25%
3010
30%
2780
35%
2450
40%
2300
Potere calorifico della legna (Fonte: Unical)
Le temperature di esercizio si aggirano tra i 65°C ed i 70°C.
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Biomassa
Il termocamino è regolato da un
quadro elettrico che controlla tutti i
parametri della caldaia, comandando
una valvola a tre vie.
Come si può vedere dalla figura il
resto dell’impianto è analogo a quello
di un normale riscaldamento
domestico.
All’avvio del camino la valvola a tre
vie impedisce che l’acqua vada ai
radiatori sino a che non ha raggiunto
la temperatura necessaria.
Questa soluzione può essere inserita
anche in un impianto di
riscaldamento già preesistente.
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Biomassa
Processi biologici o biochimici
Permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi,
funghi, micro-organismi naturali, che si formano nella biomassa sotto particolari
condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse il cui rapporto C/N si inferiore a
30 e l’umidità alla raccolta superiore al 30%.
Si utilizzano le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali ( foglie e steli di
barbabietola, ortive, patata,…), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione
(borlande, acqua di vegetazione,…), nonché la biomassa eterogenea immagazzinata
nelle discariche controllate.
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Biomassa
Digestione Anaerobica
La digestione anaerobica è un insieme di processi biologici mediante i quali le sostanze
organiche possono essere "digerite" in un ambiente privo di ossigeno, arrivando alla
produzione di:
ØGas combustibile “biogas” costituito per il 50 – 70%
da metano e per la restante parte da CO2 il potere
calorifico medio è dell’ordine di 23.000 KJ/m3.
ØFanghi humificati e mineralizzati, il materiale
organico, originariamente putrescibile, e stato
trasformato in un prodotto metastabile ed innocuo,
soggetto a decomposizione molto lenta contenente
elementi nutritivi principali quali: azoto, fosforo e
potassio.
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Utilizzati come fertilizzanti
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Biomassa
Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati con deiezioni animali,
reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica dei residui solidi urbani.
In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono suddivisi in:
•Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C
•Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C
•Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C.
Tali batteri sono sempre presenti nella massa organica originale, si sviluppano in ambiente
chiuso, e trasformano i composti organici in CH4 e CO2, utilizzando gli enzimi come
catalizzatori biologici.
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Biomassa
Digestione Aerobica
Consiste nella metabolizzazione delle sostanza ad opera di batteri, che convertono
sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato
riscaldamento del substrato.
Il calore prodotto può essere trasferito all’esterno per mezzo dei uno scambiatore a
fluido. Tale processo viene utilizzato per il trattamento delle acque di scarico.
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Biomassa
L’applicazione delle biomasse nela produzione elettrica è possibile attraverso
due tipi di approcci tecnologici:
Øpost-combustione
Øpost-combustione e rigenerazione
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C.2
Biomassa
Post-combustione di biomasse
(o syngas ottenuti dalla combustione delle biomasse),
La combustine delle biomasse viene utilizzata per incrementare la temperatura dei
gas di scarico della turbina, prima dell’ingresso nel GVR.
Questo tipo di tecnologia si adatta al ripotenziamento degli impianti esistenti già
esistenti, con turbine a gas di basso rendimento (intorno al 30%) o con temperature
dei gas in uscita basse (inferiori per esempio a 750 K).
L’aumento di temperatura che i gas subiscono mediante postcombustione delle
biomasse, è utile per innalzare la temperatura di ingresso nel GVR e migliorare
l’efficienza di scambio termico nel GVR e soprattutto l’efficienza complessiva del
ciclo di recupero.
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Biomassa
Postcombustione delle Biomasse
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Biomassa
Post-combustione e rigenerazione
Questa soluzione è più interessante sotto il profilo dell’efficienza termodinamica, del
risparmio di gas naturale, ed è particolarmente adeguata alla progettazione di nuovi
impianti.
ØLa postcombustione, consentendo un aumento della temperatura dei gas
all’uscita dalla turbina, migliora lo scambio termico nel GVR e le prestazioni
della turbina a vapore
ØLa rigenerazione, cioè l’utilizzo di parte del calore prodotto dalle biomasse per
aumentare la temperatura dell’aria in ingresso alla camera di combustione,
permette di aumentare l’efficienza del turbogas
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Biomassa
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Biomassa
Valutazione Economiche
La difficoltà di sviluppo del settore dello sfruttamento energetico delle biomasse è legata principalmente al
superamento delle barriere non-tecniche (finanziamenti dei costi di investimento alquanto elevati, Politica
Agricola Comunitaria, diffusione delle informazioni).
Il costo dell'energia da biomassa è, attualmente, ancora generalmente maggiore di quello derivante dalle fonti
fossili, ma vi è una tendenza verso la competitività, in tempi ragionevolmente brevi, da sostenere e valorizzare.
In tutti i casi, tuttavia, il gap di costo tra le fonti rinnovabili e quelle fossili, sarebbe invertito se venissero
considerati nell'analisi costi-benefici gli aspetti ambientali ed i costi sociali connessi alla combustione dei
materiali fossili. (fonte: Min. Ambiente)
Attualmente il cofiring con il carbone offre i
vantaggi di bassi costi, di basso rischio,
piccoli investimenti economici rispetto alla
capacità di generazione e un periodo di
payback al massimo di due anni.
Fonti Rinnovabili di Energia
tipologia
biomassa
Tradizionale
Cofiring
2,1 $/kWh
2,3 $/kWh
Impianto a
Gas
9 $/kWh
4-5 $/kWh
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