Energia dalla Biomassa: vantaggi

1.     Abbondante ed economica

2.     Facilità di estrazione energetica

3.    Non contribuisce all’effetto serra, in quanto la combustione di biomassa ha un impatto ambientale neutro, ovvero restituisce all’atmosfera la stessa quantità di CO2 assorbita dalle piante durante il processo di fotosintesi.

Ha basso tenore di zolfo, quindi non contribuisce alle piogge acide

4      E’ rinnovabile.

Energia dalla Biomassa: produzione attuale

La biomassa vegetale contribuisce a soddisfare il 15% del fabbisogno energetico mondiale, con 1.239 Mtep/anno (Mega tonnellate equivalenti di petrolio).

Paesi Industrializzati: 3% (156 Mtep/anno)

Paesi in via di sviluppo: 38% (1.074 Mtep/anno)

Da notare che per alcuni paesi in via di sviluppo, si arriva al 90% del fabbisogno energetico totale.

In Europa la percentuale è del 3,5% (40 Mtep/anno), con punte di: Finlandia 18%, Svezia 17%, Austria 13%. L’Italia è al 2,5%, sotto la media europea.

Produzione potenziale per l’Italia: >27 Mtep/anno (68% dell’attuale produzione europea).

Energia dalla Biomassa: stato dell’arte tecnologico

Esistono due principali processi di conversione in energia della biomassa, legati alla struttura molecolare e contenuto idrico della biomassa:

Processi Termochimici – adatti a biomassa con rapporto C/N (Carbonio/Azoto) superiore al 30% e con umidità non superiore al 30% alla raccolta, o comunque con umidità facilmente riconducibile entro il 30%

mediante essiccazione. Rientrano in questa categoria tutte le biomasse prima elencate.

Processi Biochimici – adatti a biomassa con rapporto C/N inferiore al 30% e con umidità superiore al 30%. Rientrano in questa categoria le culture acquatiche, alcuni sottoprodotti agricoli (ortive, patata, foglie e steli di barbabietola, etc.), reflui zootecnici, urbani e industriali. La trasformazione in energia/combustibile è dovuta all’azione di enzimi, normalmente in condizioni anaerobiche (es: Biogas).

Energia dalla Biomassa: stato dell’arte tecnologico

COMBUSTIONE

ENERGIA TERMICA

E l’applicazione più diffusa.

Prevede caldaie a biomassa, ed è adatta alle piccole, medie e grandi potenze termiche. Non produce energia elettrica, quindi, non fa ottenere Certificati Verdi. Per applicazioni civili, il funzionamento è limitato ai mesi e/o a climi freddi.

COGENERAZIONE

Produzione combinata di energia termica ed elettrica. Si ottiene da impianti con caldaie a vapore accoppiate a turbine. Molto costosi, in genere adatti per produzioni elettriche >1-2 Mwe, quindi con fabbisogni ingenti di biomassa. Sbilanciati sulla produzione di energia termica, non facilmente utilizzabile nei periodi estivi.

Cos’è la gassificazione: valida alternativa alla Combustione

La gassificazione è un processo termochimico, e consiste nell’ossidazione incompleta (in forte carenza di ossigeno) della biomassa in ambiente ad elevata temperatura, per la produzione di un gas combustibile detto syngas.

In pratica: trasforma un combustibile solido in combustibile gassoso utilizzabile in motori endotermici (ciclo Otto per il “Full Gas” – ciclo Diesel per il “Dual Fuel”) per la produzione di energia elettrica.

Nella Gassificazione abbiamo un rendimento elettrico medio del 25% rispetto al potere calorifico della biomassa introdotta.

Con la Cogenerazione da combustione, si ha un rendimento elettrico medio del 17 - 20% (meno elettricità e più calore della gassificazione)

Gassificatori a biomassa: processo termochimico

La tecnologia impiegata è il frutto di 60 anni di studi nel settore della Gassificazione

Il nostro gassificatore è di tipo “Downdraft” a letto fisso, con flusso di biomassa, comburente e gas dall’alto verso il basso.

E’ caratterizzato da 4 processi termochimici diversi, innescati dalla combustione della biomassa:

1. - Essiccazione

2. - Pirolisi

3. - Combustione

4. – Riduzione

Essiccazione: all’interno del gassificatore la biomassa si surriscalda e perde tutto il contenuto idrico, che si trasforma in vapore acqueo. La biomassa entra nella zona di Pirolisi in fase anidra (0% di umidità)

Gassificatori a biomassa: processo termochimico

Pirolisi: E’ un processo di decomposizione termochimica della biomassa. Si innesca a temperature comprese tra 150 e 800°C, in forte carenza di ossigeno. I prodotti della pirolisi sono gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dalla tipologia di biomassa (porosità, composizione chimica, peso specifico, potere calorifico). In pratica, la biomassa si avvicina alla zona di combustione ed entra nel range di temperatura della Pirolisi, che estrae e scompone gli idrocarburi dalla biomassa vegetale.

Combustione: è l’ossidazione della biomassa e dei derivati della Pirolisi in forte carenza di ossigeno, a 1.000-1.100 °C. L’aria comburente entra nella zona di combustione attraverso degli ugelli – da 4 a 8, a secondo della dimensione d’impianto – dimensionati per avere una combustione ipoaerobica (soffocata). Gli idrocarburi vengono trasformati in gas.

Gassificatori a biomassa: processo termochimico

Riduzione: i gas prodotti dalla combustione passano attraverso un letto di carbone a circa 600-800°C. Il letto di carbone è costantemente alimentato dalla combustione stessa, e contribuisce a rigenerare il gas,

aumentandone il potere calorifico. La riduzione agisce principalmente sul vapore acqueo e sull’anidride carbonica:

CO2 + C = 2 CO

H2O + C = H2 + CO

 Il syngas ha un potere calorifico inferiore medio di 1.200 Kcal, e ne vengono prodotti 2,5 Nm3 per ogni Kg di biomassa (3.000 Kcal totali)

Considerando cippato di legna @ 15% di umidità (3.750 Kcal), i nosti  gassificatori  hanno un’efficienza di gassificazione dell’ 80%. Vale a dire, l’80% del potere calorifico della biomassa viene convertito in syngas.

Gassificatori a biomassa: aspetti ambientali

Il Syngas ha la seguente composizione chimica:

- CO 16-18%

- H2 14-16%

- CH4 2-3%

- restante: N2, CO2, O2 (gas non combustibili)

Nell’utilizzo in motori endotermici, la combustione del gasogeno produce:

- H2 + O = H2O (vapore acqueo)

- CO + O = CO2 (anidride carbonica)

La quantità di anidride carbonica immessa nell’atmosfera è inferiore a quella assorbita dalle piante durante il processo di fotosintesi

Il 20% di efficienza disperso dal gassificatore risulta in:

- 12,5% - calore

- 7,5% - residui carboniosi incombusti (carbone di legna), pari al 4-6% in peso sulla biomassa introdotta (@ 5.500 Kcal/kg)

Gassificatori a biomassa: Ricerca e sviluppo

Un apparato, iniettando ossigeno negli ugelli di aspirazione, aumenta di circa il 50% il potere calorifico del syngas (da 1.200 kcal a 1.800 kcal) migliorando i rendimenti elettrici d’impianto.

Il costo dell’ossigeno viene ampiamente ripagato dall’aumento dei rendimenti elettrici. Inoltre, si ottiene un syngas più pulito e con idrocarburi più volatili, che riduce la frequenza di manutenzione del sistema di filtraggio.

CH4 2-3% CH4 4-5%

Senza iniezione di O2 Con iniezione di O2

CO 16-18% CO 26-28%

Restante: N2, CO2, O2 (gas non combustibili)

Gassificatori a biomassa : aspetti ambientali

Emissioni in Atmosfera: Gas di scarico cogeneratore

Limiti D. Lgs. 152/2006 – Parte V ed allegati

Parametro

< 3 mg/Nm3

378 mg/Nm3

Valori rilevati

216 ÷ 324 mg/Nm3

2,3 mg/Nm3

Ossidi di Zolfo (SO2) 180 mg/Nm3

Ossidi di Azoto (NOx) 420 mg/Nm3

Monossido di Carbonio (CO) 300 mg/Nm3

Polveri Totali 60 mg/Nm3

Il gas da biomassa alimenta direttamente il cogeneratore, nel ciclo continuo che produce energia elettrica e calore. Le uniche emissioni in atmosfera sono pertanto i gas esausti, che presentano le seguenti caratteristiche (senza catalizzatore):

Gassificatori a biomassa: schema di funzionamento

Caricamento biomassa: progettato e costruito in base alla tipologia di biomassa ed esigenze logistiche del cliente. E’ completamente automatico, a partire dalla tramoggia di stoccaggio e incorpora un sistema di essiccazione. Per l’essiccazione si utilizza parte dell’energia termica prodotta (es: i gas di scarico del

motore).

L’umidità massima ammessa all’interno del gassificatore è del 20%

Gassificatore: studiato per il funzionamento in continuo. Trasforma la biomassa in syngas, che esce a 500°C e “trascina” con sé le particelle più leggere dei residui carboniosi incombusti (<150 micron)

Filtraggio e raffreddamento gasogeno. Prevede nell’ordine: un multiciclone a secco, uno scambiatore di calore, uno scrubber ad acqua (a circuito chiuso), un compressore con nebulizzazione acqua, un condensatore, due filtri a biomassa ed un filtro a manica.

Gassificatori a biomassa: schema di funzionamento

Regolazione flusso syngas: dopo il gassificatore, è uno dei punti di rilievo dell’impianto. Il syngas viene controllato da tre valvole in serie, che regolano:

1. Flusso del syngas verso il motore. E’ una valvola a farfalla collegata ad un motore passo a passo, comandato da trasduttori nel quadro elettrico. Regola il flusso in base al carico elettrico richiesto all’impianto (cessione in rete o funzionamento in isola)

2. Rapporto stechiometrico. Una valvola regola in continuo la miscela aria/syngas

3. Aspirazione miscela aria/syngas. E’ la valvola principale del motore, collegata al regolatore di giri per il mantenimento dei 1.500 rpm (50 Hz)