UN PROGETTO PER LA RAZIONALIZZAZIONE
DELLE POLITICHE DI SOSTENIBILITÀ ENERGETICA
Seminario “La sfida della sostenibilità
energetica per le imprese agricole”
9 Dicembre 2013 – Incubatore d’impresa Sviluppo Basilicata Metapontum - Metaponto di Bernalda, Mt
Valorizzazione Energetica delle biomasse
Giacobbe Braccio
Unità Tecnica Tecnologie Trisaia
C.R. Enea Trisaia - SS Jonica 106, km 419 + 500
[email protected]
The EU targets by 2020 and 2050
Pacchetto Clima e Energia (2009/28/CE)
Obiettivo: 20-20-20
 20 % reduzione emissioni GHG
(T < 2 °C) vs 1990
 20 % riduzione consumi di energia
 20 % aumento produzione da FER
10% aumento nel trasporto
GREEN PAPER
A 2030 framework for climate
& energy policies
(competitività, sostenibilità economica
e la maturità delle tecnologie,
30 % di bioprodotti al 2030)
Energy Roadmap verso il 2050
 “Low carbon economy”
 Riduzione emissioni GHG del
80 -95 % vs livelli del 1990
ktoe
Energia (Elettricità e Calore)
Carburanti x Trasporto
L’impiego delle Biomasse sarà cruciale per il
conseguimento dei target EU al 2020
G.F. De Santi – Institute for Energy and Transport (IET-JRC) - 21st European Biomass Conference & Exhibition Copenhagen, 3 June 2013
Bioraffineria
Sviluppo delle energie rinnovabili - Obiettivi
Contatore Bioenergie Elettriche
(FV= 6700 M€/Y
Raggiunto il
6 giugno 2013)
FER elettriche 4.505 M€/Y al 31/08/2013
( Totale Bioenergie elettriche 2.167 M€/y)
Contatore Tariffa Omnicomprensiva
Impianti da 600 kW a 1 MW
Fonte : GSE
88.2 %
Biomasse 4.7%
Bioliquidi 5.0%
Biogas 71.1 %
Contatore Certificati Verdi
Impianti > 10 MW
Fonte : GSE
82.5 %
Biomasse 9.3%
Bioliquidi 12.8%
Biogas 4.4 %
3) Per gli impianti alimentati da rifiuti gli oneri sono riferiti solo all'incentivazione della parte biodegradabile
Incentivi alla produzione di energia da
biomasse
DM 6 luglio 2012
Allegato 1 – Vita utile convenzionale, tariffe incentivanti e incentivi per i nuovi impianti
Esempi di tariffe 0÷300 kWe
Nell’ipotesi più favorevole:
A. Colture dedicate: 229 + 40 (CHP) + 30 (emissioni)
= 299 €/MWh
B. Sottoprodotti : 257 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 327 €/MWh
Esempi di tariffe 300÷1.000 kWe
Nell’ipotesi più favorevole:
A. Colture dedicate: 180 + 40 (CHP) + 30 (emissioni)
= 250 €/MWh
B. Sottoprodotti : 209 + 10 (CHP) + 30 (telerisc.) + 30 (emissioni) = 279 €/MWh
40
30
20
15
300<P<600
160
40
30
20
15
600<P<1000
140
40
30
1000<P<5000
104
40
30
P>5000
1<P<300
91
236
40
10
30
30
20
15
300<P<600
206
10
30
20
15
600<P<1000
178
10
30
1000<P<5000
125
10
30
P>5000
101
10
30
1<P< 1000
216
10
30
1000<P<5000
109
10
30
P>5000
85
10
30
Emissioni
180
Riduzione
Gas serra
1<P<300
CAR
teleriscald.
Rimozione
azoto 40%
Rifiuti per i quali la
frazione
biodegradabile è
determinata
forfetariamente
Recupero
Azoto 30%
Sottoprodotti di
origine biologica (
tab. 1 A) e rifiuti
non provenienti da
raccolta
differenziata
Recupero
Azoto 60%
B
I
O
G
A
S
CAR
Prodotti di origine
biologica
Tariffa base
Tipologia
Potenza
kW
Fonte
Biomasse
Filiera tab 1 B
Biogas: sistema incentivante fissa e costante per 20 anni
Trasformazioni energetiche
Biomassa
TERMOCHIMICI
gassificazione
BIOLOGICI
pirolisi
digestione
anaerobica
combustione
syn-gas
CALORE
ESTRAZIONE OLI
esterificazione
fermentazione
alcolica
bio-olio
syn-gas
carbone
bio-gas
biodiesel
etanolo
9
Tecnologie mature per valorizzazione energetica biomasse
Combustione diretta:
– impiegata quasi esclusivamente per la produzione di energia elettrica tramite
impianti di potenza media intorno ai 5-10 MW
– rendimento elettrico del 20-25% e consumi specifici di biomassa di circa 1-1,4
kg/kWh
•
trasformazione in biocombustibili liquidi (biodiesel da specie oleaginose e
bioetanolo da specie zuccherine e amidacee):
– tecnologie di produzione da colture agricole dedicate ormai consolidate,
produzione in costante aumento
•
produzione di biogas da fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili o
agroindustriali
10
TECNOLOGIE VICINE ALLA MATURITA’
•
Gassificazione biomassa:
Il processo consiste nella trasformazione di un combustibile solido in combustibile gassoso i
componenti combustibili presenti nel gas prodotto sono CO, H, idrocarburi;
•
– Le tecnologie più diffuse sono quella a letto fisso e quella a letto fluido, la ricerca è
focalizzata allo sviluppo di processi di gassificazione finalizzati a produrre gas di
qualità e basso contenuto di catrami, nonché a tutta le sezioni di purificazione.
– Altro interesse forte per la gassificazione è la produzione di combustibili liquidi sundiesel
Produzione di bioetanolo da lignocellulosiche
Tecnologie più distanti dalla maturità
•
•
gassificazione per produzione di combustibili liquidi sun-diesel
Pirolisi delle biomasse per produzione di biolii
11
Proprietà delle biomasse residuali
P.C.I.
Tipo
[MJ/kg]
Densità
Densità
[kg/m³]
ss
Ceneri
energetica
Dimensioni
tipiche
[GJ/m³]
[ø mm]
ss
[%]
Legno catasta
17-19
280-600
4,4-9,3
50-250
0,1-3
Cippato
17-19
200-300
3,1-4,7
5-30
0,1-3
Segatura
17-19
170-250
2,6-3,5
0,1-0,5
0,1-3
Paglia di frumento
17,6
40-350
0,6-5,2
2-5
7-9
Stocchi di tabacco
17,8
40-70
0,6-1
2-5
2-3
Potatura di olivo
17,8
90-200
1,4-3
10-80
4-5
Lolla di riso
18
110-130
1,6-1,9
2-4
16-19
Sansa esausta
19,7
400-500
6,6-8,4
0,1-4
4-6
Gasolio
Potere calorifico di alcuni combustibili Gas naturale
tradizionali [MJ/kg]:
Carbone
Idrogeno
42
48
29
120
12
Energia elettrica da biomasse lignocellulosiche
necessità annua biomassa
(tonnellate di sostanza secca)
400 800
4.000
8.000
20.000
40.000
combustione con turbina
ORC
gassificazione a
letto fisso/MCI
50 100
500
80.000
400.000
combustione con turbina a
vapore
gassificazione a letto
fluido con MCI
1.000
2.500
5.000
10.000
50.000
potenza (kWel)
13
La gassificazione della Biomassa:
il processo
“Frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica proveniente dall’agricoltura
(comprendente sostanze vegetali e animali) dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca
e l’acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte
biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani” (Decreto Legislativo 28/2011).
Gassificazione “Dry”
(biomassa “secca”
- % umidità <50 %p)
Gassificante
Agente
Gassificazione Supercritica
(% umidità >70 %p)
Composizione Gas Secco (% v)
H2
CO
CO2
PCI
CH4
N2
C2H4
(MJ/Nm3)
Impieghi gas
Aria
9-10
12-15 14-17
2-4
56-59
<1
3.8-4.6
Combustibile
Ossigeno
30-34 30-37 25-29
4-6
2-5
<1
9-10
Comb./Chemicals
Vapore
32-41 24-26 17-19 10-12
2-5
2-3
12-13
Comb./Chemicals
La gassificazione della Biomassa:
Le applicazioni
MCI
Turbina a Gas
HT Fuel Cell
Stirling
Dipendentemente dal processo di produzione, si ottiene un gas di potere calorifico variabile, daI
basso al medio PC, che si presta per la produzione di energia elettrica e calore, attraverso
tecnologie convenzionali o avanzate. Il gas di medio PC si presta anche per la produzione di
vettori energetici secondari (CH4, FT, MeOH, H2 etc.) e di chemicals.
La gassificazione della Biomassa:
Conversione in Biofuels
Biomass To Liquid
(BTL)
FT fuels production costs
Consumo GN (2011)
77.9 Miliardi m3
3000 GJ/anno
(90% importazione)
SNG + Biogas
da immettere in rete
SNG production costs
15 €/GJFT confront. quando
Oil price of ~60 $/bbl
Biomass cost: 4 €/GJ for the 100 and 1000 MWth; e.g. imported biomass)
2 €/GJ for the 10 MWth
Prezzo GN: 6 €/GJ
Necessary support for production of SNG
Biomass costs: 7.3 €/GJFT (4€/GJBM)
Petrolio (2013) : 100- 110 €/bbl
La gassificazione della Biomassa:
Produzione Elettrica
Electric power supply (kW)
Uso Finale
Motore Stirling
MCI (& ORC)
 el
(% LHV gas)
< 20
25-30 (35)
Turbina a Gas (TG)
35 - 40
HTFC
50 -70
// gassificazione
Provato
R&S
Quali tecnologie:
Reattori da piccola a media taglia
Bollente
Down-Draft
Circolante
Letti Fluidi
Letti Fissi
Up-Draft
T. Bridgwater. Review Biomass for energy. J Sci Food Agric 86:1755–1768 (2006)
Gli impianti di gassificazione Biomasse
in Italia
N: 13
Reattori a letto Fisso
Up-Draft ; Down-Draft
DownDraft // MCI
Up-Draft // Stirling
(no Gas Cleaning)
Il ruolo dell’attività di R&S
Gas Comb., H2, Syngas
for BioFuels; SMG …
Step chiave alla
Maturità tecnologica
BIOMASSA
Efficienza negli
usi finali
Integrazione e
scale-up di
impianto
Gas cleaning e
condizionamento
Design e
modellazione
reattori
Maturità e
fruibilità
Tecnologia
Integrazione FER
(Biomasse e
Solare)
Ridurre i costi
di produzione
IMPIANTI DI GASSIFICAZIONE ENEA TRISAIA
Syngas
pulito
SYNGAS COMPOSITION
Biomassa
Vapore
Syngas
pulito
Ossigeno
Fumi di
Combustione
Biomassa
Aria
Biomassa
Fluidized bed –Internally recirculating
enriched air/steam 1MWth
Coupled with ICE for power generation
Vapore
Syngas
grezzo
Vapore
Aria
Gas grezzo
Aria
Zona di
combustione
%Vol.
H2
17
CH4
6.2
N2
0.9
CO2
20.9
H2O
32
Fluidized catalitic bed – external recirculating
Air/steam 550kWth
Coupled with ICE or FC for power
generation, Fisher Tropsch
UPDRAFT fixed bed
Air/steam 200kWth
Coupled with ICE for power
generation, Fisher Tropsch
DOWNDRAFT fixed bed
Air/steam 150-450kWth
Coupled with ICE for power
generation
32
CO
SYNGAS COMPOSITION
%Vol.
H2
34.1
CO
25.1
CH4
10.4
N2
9.6
CO2
20.8
SYNGAS COMPOSITION
%Vol.
H2
20
CO
21
CH4
4
N2
40
CO2
6
H 2O
9
SYNGAS COMPOSITION
%Vol.
H2
15
CO
22
CH4
3
N2
40
CO2
20
Es.: Integrazione degli step di
gassificazione & purificazione gas
La tecnologia attualmente più consolidata per la purificazione del gas e’ del tipo ‘a valle’
(downstream).
I costi per il trattamento del gas possono contribuire fino al 40 % del costo di investimento.
Una possibilità di ridurre i costi, e al tempo stesso aumentare l’efficienza del processo e’ una
integrazione spinta del gas cleaning & conditioning direttamente nel reattore di gassificazione
Impianto Compatto
Riduzione costi di investimento (20-30%)
Ridotte perdite termiche
Gassificatore BFB con
circulazione interna
(1MWth ICBFB, Brevettato)
Grazie per l’attenzione
L’impianto da 8MWth di Gussing
Component
Type of plant
Range (Vol-%)
Component
Raw gas
Clean gas
Unit
1,500 - 4,500
10 - 40
mg/Nm3
5,000 – 10,000
<5
mg/Nm3
H2
35 - 45
tar
CO
20 - 30
particles
CO2
15 - 25
NH3
1000 - 2000
<400
ppm
CH4
8 - 12
H2S
n.m.
20 - 40
ppm
N2
3-5
Demonstration plant
Cost category
Amount
Fuel Power
8000 kW
Investment cost
10
Electrical output
2000 kW
Funding (EU, National)
6
Thermal output
4500 kW
Operation cost / year
10 - 15
% of investm. costs
Electrical efficiency
25,0 %
Price for heat (into grid) *
2,0
€-cents/kWhth
Thermal efficiency
56,3 %
Price for heat (consumer )*
3,9
€-cents/kWhth
0,44
Price for electricity *
16,0
€-cents/kWhel
Electrical/thermal output
Total efficiency
81,3 %
Unit
Mio. EURO
5 Mio.€/MWel
Mio. EURO
(*feed-in tariff in Austria; April 2004)
Importante flagship sulla gassificazione di Biomassa per la produzione CHP et al.