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Polo territoriale di Cremona UTILIZZO DELLE BIOMASSE SOLIDE Alessandro Casula  ENERGIA E BIOMASSA ▪ La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali di matrice organica, costituiti o derivati da organismi vegetali o loro com...

Polo territoriale di Cremona UTILIZZO DELLE BIOMASSE SOLIDE Alessandro Casula  ENERGIA E BIOMASSA ▪ La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali di matrice organica, costituiti o derivati da organismi vegetali o loro componenti, che possono essere utilizzati direttamente come combustibili, ovvero trasformati in altre sostanze combustibili (liquide o gassose) di più facile utilizzo, in sistemi di conversione in grado di produrre energia elettrica, termica, meccanica. A. Casula 2  TIPOLOGIE DI BIOMASSA ▪ Coltivazioni energetiche agricole (es. canna, miscanto, sorgo, oleaginose, etc.) e forestali (es. pioppo, robinia, etc.) ▪ Residui agricoli (es. paglia, stocchi, tutoli, potature) e forestali (es. pulizia dei boschi, del verde pubblico, dell’alveo dei fiumi) ▪ Residui agroindustriali (es. vinacce, sanse, gusci e noccioli) e della lavorazione del legno ed affini ▪ Prodotti organici derivanti dall’attività biologica degli animali e dell’uomo, inclusi gas, reflui e frazioni organiche dei rifiuti A. Casula 3  ESEMPI DI BIOMASSA Sansa di olive Stocchi di mais Tronchi di legno Deiezioni animali FORSU Cippato di legno Coltivazione di pioppo Coltivazione di sorgo da fibra A. Casula 4  USO DELLA BIOMASSA ▪ Le principali applicazioni no-food della biomassa sono: Produzione di energia (biopower) Sintesi di carburanti (biofuels) Sintesi di prodotti (bioproducts) A. Casula 5 USO DELLA BIOMASSA A. Casula 6 USO DELLA BIOMASSA (BIOPOWER) A. Casula 7  PROPRIETÀ DELLE BIOMASSE ▪ Una conoscenza accurata delle proprietà della fonte energetica primaria è necessaria per: Conoscere la quantità di energia disponibile Scegliere il tipo di conversione energetica (combustione, gasificazione, fermentazione, digestione anaerobica…) Definire una corretta gestione del sistema ▪ Questo vale per tutti i sistemi energetici e, a maggior ragione, per i sistemi a biomassa in cui le tipologie e i relativi processi sono innumerevoli. A. Casula 8  ANALISI PRELIMINARE ▪ L’analisi preliminare (detta anche diretta o immediata o prossima) indica (% in peso): Umidità Ceneri Sostanze volatili Carbonio fisso ▪ Normalmente più dell’80% in peso della biomassa secca è composto da materiale volatile. A. Casula 9  ANALISI DEFINITIVA ▪ L’analisi definitiva (detta anche ultima o elementare) indica la composizione chimica (% in peso): Carbonio Idrogeno Ossigeno Azoto Zolfo A. Casula 10  OPZIONI TECNOLOGICHE ▪ Per trasformare la biomassa solida in elettricità e calore si possono scegliere due strade con diverse opzioni tecnologiche: La combustione diretta della biomassa e recupero termoelettrico del calore contenuto nei fumi tramite motori a combustione esterna. La trasformazione della biomassa in forma liquida o gassosa, tramite processi intermedi di pirolizzazione e gassificazione, e utilizzo del biocombustibile derivato in motori a combustione interna. A. Casula 11  SISTEMI A COMBUSTIONE ESTERNA ▪ Per la cogenerazione a biomassa solida le soluzioni maggiormente usate sono quelle a combustione esterna. ▪ Le tecnologie commercialmente mature nel campo della cogenerazione da biomassa solida a combustione esterna di taglia maggiore 200 kWe sono: Cicli Rankine convenzionali a vapore Cicli Rankine a fluido organico (ORC) ad alta temperatura ▪ Per tecnologia matura si intende una garanzia di buona affidabilità e di conseguenza una sostenibilità dell’investimento. A. Casula 12  SISTEMI A COMBUSTIONE ESTERNA ▪ Gli impianti cogenerativi a combustione esterna a biomassa solida sono costituiti dai seguenti tre componenti principali: Sistema di combustione della biomassa Caldaia per il trasferimento del calore dai fumi di combustione al fluido di lavoro Motore per la cogenerazione A. Casula 13  COMBUSTIONE - MECCANISMO DI REAZIONE ▪ Un modello generalizzato, semplificato ma sufficientemente descrittivo del processo di combustione, si basa sulla seguente ipotesi di fenomeni o reazioni sequenziali: Essicazione del combustibile e suo riscaldamento fino alla temperatura di pirolisi. Pirolisi (decomposizione termica in assenza di ossigeno) della particella con produzione di gas combustibili e non combustibili e di un residuo solido carbonioso denominato char. Ossidazione del char e dei prodotti volatili combustibili derivanti dalla fase di pirolisi. A. Casula 14 ESSICAZIONE, PIROLISI E OSSIDAZIONE A. Casula 15 ESSICAZIONE, PIROLISI E OSSIDAZIONE A. Casula 16  PRODOTTI DI COMBUSTIONE ▪ Lo scopo di una combustione è quello di produrre energia termica, per alimentare una macchina termica, sia essa un ciclo termodinamico per la produzione di energia elettrica o una caldaia per la produzione di energia termica. ▪ Questa energia termica la si ha sotto forma di un flusso di gas caldi, ovvero i fumi di combustione, che verranno raffreddati in scambiatori di calore e poi rilasciati in atmosfera. ▪ Per caratterizzare un flusso di fumi è necessario conoscere: La portata massica [kg/s], da bilancio massico tra combustibile e comburente. La temperatura (che in principio equivale alla temperatura adiabatica di fiamma) e il calore specifico o direttamente l’entalpia per valutarne il contenuto energetico. La composizione, che viene espressa in frazioni volumetriche. A. Casula 17  PRODOTTI DI COMBUSTIONE ▪ Una tipica composizione volumetrica di fumi di combustione da biomassa può essere: VCO 15% 2 VH O 20% 2 VN 63% 2 VO 2% 2 ▪ Da cui si nota come, in genere, sia presente dell’ossigeno in uscita al combustore e quindi un effettivo utilizzo di un eccesso di aria. ▪ Inoltre, la frazione maggiore è quella di azoto, perché per ogni mole di ossigeno che è necessaria alla combustione (rapporto stechiometrico) si introducono 0.79/0.21 = 3.76 moli di azoto, che è un inerte (NOx a parte). A. Casula 18  PRODOTTI DI COMBUSTIONE ▪ La composizione volumetrica dei fumi, non è esaustiva riguardo alla reale composizione, perché considera le specie chimiche presenti in maggior quantità e trascura quelle che sono in quantità molto minore (in tracce). ▪ Dopo la combustione sono infatti presenti moltissime specie, che vengono suddivise in: Macroinquinanti Microinquinanti A. Casula 19  MACROINQUINANTI ▪ I macroinquinanti sono le specie che possiedono un concentrazione nell’ordine di 10-3 – 10-6 g/Nm3. Questi non hanno un grado di pericolosità troppo elevato, ma essendo presenti in quantità non trascurabile, devono essere continuamente monitorati. ▪ Tra questi, si trovano: Polveri (particolato)