Mercoledì 20 ottobre
EOLICO e BIOMASSA: funzionamento, efficienze e costi
ing. Michele Tarolli
Le moderne tecnologie di produzione
di energia termica ed elettrica negli
impianti alimentati a biomassa
Argomenti trattati
1.
2.
3.
4.
5.
6.
Biomassa
Cogenerazione a biomassa
Caldaie a biomassa
Generazione di energia elettrica
Sistemi di abbattimento delle emissioni nocive
Incentivi economici
Definizione di biomassa
Nel termine biomassa si intendono comprese tutte le sostanze di origine
biologica:
ƒmateriali e residui di origine agricola e forestale
ƒprodotti secondari e scarti dell'industria agro-alimentare
ƒreflui di origine zootecnica.
In realtà la definizione di biomasse nella normativa, sia italiana che
comunitaria, appare abbastanza confusa, con fonti legislative che danno
definizioni in maniera diversa e anche contraddittoria, in particolare per quanto
riguarda i rifiuti.
Le biomasse possono essere utilizzate come combustibili naturali per produrre
energia sia elettrica, che termica, direttamente oppure dopo opportuni
trattamenti o processi di trasformazione.
Ogni tipologia di biomassa ha infatti una composizione diversa – con
riferimento, ad esempio, ai livelli di umidità, carbonio e azoto – che richiede
differenti processi di trasformazione per l’utilizzo ottimale.
Definizione di biomassa
processi di conversione energetica
Il combustibile
Le caldaie a biomassa di dimensioni medie e
grandi(> 1MW) utilizzano combustibile
legnoso a ridotta granulometria, perché:
1. si evita l’utilizzo di idrocarburi per la
combustione di supporto;
2. si contengono le emissioni nocive;
3. si possono utilizzare sistemi di
caricamento automatici.
Negli impianti a biomassa del Trentino Alto
Adige è utilizzato quasi esclusivamente
cippato di legno vergine, residuo di prima
lavorazione di segheria e/o proveniente dalla
pulizia del bosco.
Il cippato è un prodotto legnoso formato da
scaglie della dimensione compresa tra
5 e 50 mm, prodotto per taglio.
Caratteristiche
energetiche del
combustibile
Il contenuto energetico del cippato
dipende principalmente da due
fattori:
1. dalla specie del legno utilizzato
quindi dalla quantità di lignina,
cellulosa, resina;
2. dall’umidità del materiale
legnoso.
Negli impianti a biomassa si utilizza
prevalentemente cippato di conifera
(soprattutto abete e larice).
Il contenuto di umidità normalmente
varia dal 50% del materiale appena
tagliato al 15/20% del materiale
essicato.
Contenuto
energetico
Potere Calorifico
Inferiore
Umidità
Peso
%
kg/mc
kWh/mc
kcal/mc
kWh/kg
kcal/kg
15
288
1.109
953.740
3,85
3.312
50
360
780
670.800
2,17
1.863
15
204
830
713.800
4,07
3.499
50
255
590
507.400
2,31
1.990
Specie
Faggio
Abete
Schema cogenerazione a biomassa
Caratteristiche
generatori di calore
I generatori di calore a biomassa
si distinguono tra loro per
1. modalità di caricamento del
combustibile;
2. tecnologia di combustione;
3. vettore termico;
4. modalità di controllo della
combustione;
5. taglia (di serie 1 – 10 MW)
Sistemi di estrazione del cippato da silos di caricamento:
Piccoli impianti con silos circolari (o quadrati)
1. agitatore a molle di svuotamento con canale da trasporto;
2. Coclea orizzontale ad avanzamento forzato;
Sistemi di estrazione da silos di grandi dimensioni
Viene montato un sistema di bielle, che
trasportano il combustibile con movimenti
alternati in avanti e indietro verso il lato
frontale del serbatoio. La propulsione avviene
tramite cilindri idraulici, alimentati da un
gruppo idraulico. L'ulteriore trasporto del
materiale di camera di combustione avviene
attraverso sistemi di trasporto a coclea o a
spintori oleodinamici.
Tecnologia di combustione (1)
La combustione del cippato può avvenire in caldaie a griglia fissa o mobile.
Le caldaie a griglia fissa hanno solitamente potenze inferiori e si adattano peggio
al variare delle caratteristiche fisiche (dimensioni e umidità) del cippato; hanno
però un costo minore.
Le caldaie a griglia mobile consentono l'avanzamento del combustibile mediante
griglia mobile inclinata, per un efficace controllo del spessore del letto anche in
condizioni di rammollimento e parziale fusione delle ceneri. Il risultato è un’ottima
combustione e una considerevole decantazione delle polveri dei fumi già in
caldaia.
La griglia mobile è costruita in modo da non presentare organi di movimento
soggetti a rotture o ad usure che impongano interventi di manutenzione. La griglia
è divisa in più sezioni dove viene immessa l’aria comburente che può quindi
essere regolata finemente a tutti i carichi, evitando che a basse potenze parte
della sua superficie si scopra e l’aria segua vie preferenziali al di fuori del
combustibile, penalizzando la miscelazione dei gas e di conseguenza la buona
combustione.
Tecnologia di
combustione (2)
Tecnologia di combustione (3)
Vettore termico
In funzione dell’utilizzo dell’energia termica
(alimentazione diretta rete di
teleriscaldamento o produzione di energia
elettrica) una caldaia a biomassa
opportunamente configurata può utilizzare
come vettore termico:
u
acqua calda;
u
vapore;
u
olio diatermico.
Sistemi di produzione di energia
elettrica da biomassa
Le tecnologie consolidate oggi disponibili per
produrre energia elettrica a partire dalla
biomassa sono:
u
motore a pistoni a vapore;
u
turbogeneratore ORC;
u
turbina a vapore.
Motori a vapore (Spilling)
Sfruttano la tecnologia delle vecchie locomotive a vapore e sono prodotti da una
ditta tedesca (Spilling Energie System GmbH – Hamburg)
Caratteristiche
èMotore a vapore ad espansione senza olio.
èRendimento buono anche ai carichi parziali, ottenuto con controllo volumetrico;
èSemplicità di conduzione;
èCampo di pressioni: 6 – 60 bar;
èTaglie: 25 – 1.500
kW;
èN. giri: 750, 900,
1.000, 1.500 1/min;
Turbogeneratore ORC (Organic Rankine Cycle) - I
Il turbogeneratore ORC è un sistema che permette la produzione contemporanea
di energia elettrica e calore sotto forma di acqua calda ad 80 – 90 °C. L’impianto
deve essere accoppiato ad una centrale termica ad olio diatermico. Il circuito ad
olio diatermico che alimenta il turbogeneratore, raggiunge temperature attorno ai
300°C e riscalda tramite uno scambiatore di calore il vero e proprio fluido di
processo, ovvero un olio siliconico. Quest’ultimo va ad azionare una turbina che
esegue un ciclo Rankine a circuito chiuso. Il ciclo è simile a quello di una
convenzionale turbina a vapore, la principale differenza sta nel fluido organico ad
alta massa molecolare.
Il turbogeneratore ha un rendimento elettrico netto pari a circa il 18-20% e termico
del 77-80%, con perdite termiche ed elettriche intorno al 2-3%.
Il fluido organico di esercizio è preriscaldato nell’evaporatore (scambiatore di
calore a fascio tubiero), successivamente, i vapori del fluido espandono nella
turbina e poi condensano a diversi livelli di temperatura. Infine la condensa è
pompata in ritorno all’evaporatore, chiudendo il ciclo termodinamico. Le sorgenti
fredde e calde non sono direttamente in contatto né con il fluido di esercizio né
con la turbina.
Turbogeneratore ORC - II
Turbine a vapore - I
Esistono varie tipologie di turbine a vapore; quelle più interessanti per le
applicazioni negli impianti a biomassa sono:
u Turbine a condensazione
u Turbine a contropressione
u Turbine a derivazione
Turbine a condensazione
u pressione del vapore allo scarico più bassa della pressione atmosferica;
u il vapore uscente allo scarico non può avere alcun impiego utile;
u hanno taglie piuttosto grandi;
u sfruttano salti di pressione elevati.
TURBINA
GENERATORE
DI VAPORE
G
CONDENSATORE
Turbine a vapore a contropressione
u pressione del vapore allo scarico uguale o più alta della pressione atmosferica;
u il vapore uscente può essere impiegato per la produzione di acqua calda;
u hanno taglie anche piccole;
TURBINA
GENERATORE
DI VAPORE
G
CONDENSATORE
/ SCAMBIATORE
UTENZA TERMICA
Turbine a vapore a derivazione
u parte del vapore immesso in turbina viene prelevato in un punto intermedio per
poter essere impiegato ad esempio per alimentare una rete di
teleriscaldamento;
u possono essere sia condensazione che a contropressione;
u sono costituite da due sezioni AP e BP.
TURBINA
GENERATORE DI
VAPORE
G
CONDENSATORE
SCAMBIATORE
UTENZA
TERMICA
Pirolisi (I)
Il processo di pirolisi (lento riscaldamento della biomassa in assenza di ossigeno)
consente di ricavare syngas, (composto da 16-18% CO,16-18% H2, 2-3 % CH4
restante N2, CO2, O2) a partire da biomasse di origine vegetale. Il pyrogas,
opportunamente filtrato e raffreddato a temperatura ambiente, si libera dell’acqua e
dei catrami e può essere utilizzato come combustibile. Il processo pirolitico
comporta anche la trasformazione della materia prima in carbone che verrà
impiegato all’interno del processo, nella caldaia a griglia.
1 CIMINIERA
2 SCAMBIATORE
3 ESSICATORE
4 REATTORE DI
PIROLISI
5 CALDAIA A GRIGLIA
6 LAVAGGIO
7 RAFFREDDAMENTO
8 COMPRESSIONE
9 MICROTURBINE (O MOTORI
Pirolisi (II) esempio di impianto commerciale
Pirolisi (III)
La pirolisi comporta il vantaggio di avere un rendimento elettrico elevato,
soprattutto se si utilizzano motori alternativi; le controindicazioni sono però
numerose ed importanti:
•i processi di purificazione del biogas non sono ancora affidabili;
•il processo necessita preferibilmente di materiale essiccato;
•in caso di utilizzo di materiale umido, la produzione di energia termica da destinare
alla rete di teleriscaldamento è estremamente esigua;
•tutti gli impianti attualmente esistenti hanno grandissimi problemi di gestione, con
conseguenti costi elevati e non programmabili.
Per i motivi sopra riportati, la soluzione impiantistica che prevede l’utilizzo di un
pirolizzatore non si considera, ad oggi, sufficientemente affidabile.
Confronto tra sistemi di generazione - I
P.el.
150 MW
Tecnologia
120 MW
10 MW
Turbine a vapore a
contropressione
1.700/ 3.000
Turbine a vapore a
derivazione
2.500/ 4.000
ORC
4.000/ 6.000
Spilling
4.000/ 12.000
Motore alternativo
2,0 MW
1,5 MW
1,0 MW
500 kW
250 kW
25 kW
0 0,5 1,0 1,5 2,0 2,5 3,0 3,5 4,0 4,5 5,0 5,5 6,0 6,5 7,0 7,5 i.t.
Costo unitario
[€/kWel.]
700/ 900
Confronto tra sistemi di generazione - II
Rendimento
elettrico a
pieno carico
Rendimento
termico
Rendimento
complessivo
Range
Spilling
ORC
Turbina a vapore
8-20%
18-20%
15-30%
70-80%
75-80%
0-60%
90-95%
95-97%
30-90%
25 – 1.500 kW
450 – 1.500 kW
1.000 – 150.000 kW
•semplicità
•affidabilità
•rendimentoelettrico
abbastanza costante
ai carichi parziali
•assenza di vapore acqueo,
semplificazione tecnologica
e burocratica
•bassa manutenzione
•trasportabile in container
•rendimento elettrico
costante ai carichi parziali
•funzionamento
automotizzato e
controllabile in remoto
•elevata affidabilità
•elevata affidabilità di esercizio;
•elevato numero di ore di utilizzo
dell’impianto;
•moderati oneri di manutenzione;
•Costi di investimento
relativamente bassi.
•altissimo costo
d’investimento
•utilizzo di vapore
acqueo
•per la gestione è
richiesto personale
patentato
•rendimento
condizionato dalla
pressione di
immissione del vapore
•alto costo dell’investimento
•necessità di avere una
caldaia con circuito ad olio
diatermico;
•smaltimento dell’olio
diatermico esausto.
•sensibile riduzione del rendimento
ai carichi parziali;
•impianto complesso;
•scarsa flessibilità a seguire le
variazioni di carico per la gestione
è richiesto personale patentato e il
presidio dell’impianto in continuo;
•taglie minime molto grandi per
impianti di cogenerazione
•Spesso richiedono caldaie “fuori
serie”
Vantaggi
Svantaggi
Le emissioni nocive
D.Lgs. 3 aprile 2006, n. 152 “Norme in materia ambientale” definisce i limiti di
emissione per gli impianti alimentati a biomassa vergine:
Altre prescrizioni
Pth ≥ 6 MW Æ
sonda di
temperatura
nell'effluente
gassoso +
analizzatore per
misura e
registrazione in
continuo di O2 e
CO. Inoltre,
regolazione
automatica del
rapporto ariacombustibile.
Le emissioni nocive
CO
SO2
NOx
Polveri
COV
Gasolio
10
350
350
20
5
Metano
150
20
150
0
2
Chips
250
20
350
150
10
I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive
Filtri a multiciclone
Sono progettati per la
separazione di polveri con
granulometria relativamente
elevata. La sua classica
applicazione è come prefiltro
separatore.
In tali sistemi si sfrutta un
ingresso tangenziale dei fumi
ed un’uscita assiale in modo
che le particelle grossolane, a
causa della maggiore inerzia,
precipitino lungo le pareti del
separatore. I fumi e le particelle
a minore granulometria
seguono inizialmente una
spirale discendente per poi
risalire assialmente verso
l’uscita.
I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive
Filtro a maniche
Hanno un largo uso in quasi tutti gli impianti
industriali; sono formati essenzialmente da
una serie di maniche permeabili che
permettono il passaggio dei gas ma non del
particolato. Essi sono efficaci per particelle di
dimensioni al di sotto del micron. I filtri a
maniche sono generalmente costituiti da
tessuti (cotone, lana, nylon, polipropilene,
goretex, ecc.). A mano a mano che la polvere
si deposita sulla superficie del filtro, la sua
efficienza aumenta per effetto dell’attrazione
elettrostatica tra le particelle, ma aumenta
anche la resistenza che il filtro oppone al
passaggio dell’aria, per cui è necessaria la
rimozione periodica delle polveri attraverso
diversi metodi. I più diffusi sono quelli a
scuotimento, ad aria compressa, aria inversa
e pulizia sonica (sorgente sonora che mette
in risonanza le maniche ed induce vibrazioni).
I sistemi di abbattimento delle emissioni nocive
Elettrofiltro
I filtri elettrostatici sfruttano la
possibilità di caricare
elettricamente le particelle di
polvere o di liquido e raccoglierle
successivamente su un elettrodo
captatore. Ciò viene ottenuto
sottoponendo le particelle ad un
campo elettrico ad alta tensione.
Le polveri, o le goccioline,
depositandosi sull’elettrodo di
raccolta formano uno strato che
diminuisce l’intensità del campo
elettrico e che pertanto deve
essere periodicamente rimosso.
La rimozione delle polveri può
avvenire per vibrazione
(elettrofiltri a secco) o tramite un
leggero velo d’acqua od altro
liquido (elettrofiltri ad umido).
Recupero calore attraverso la condensazione
Il trasporto dell’energia termica
Lo schema della rete
Ad albero: semplice, economico ma più
vulnerabile ai guasti;
Ad anello: maggiore lunghezza e diametri
mediamente maggiori, più costoso, ma offre
più sicurezza in caso di guasto;
A maglia: sistema molto affidabile ma di
difficile gestione in caso di guasto
(sezionamento della rete).
Le tubazioni
Le moderne reti di distribuzione del calore sono composte da coppie di tubazioni
in acciaio (mandata e ritorno) opportunamente isolate e protette, già in fase di
costruzione. Esse sono posate direttamente nel sottosuolo come le reti idriche o
del gas. Per diametri modesti si utilizzano da qualche anno anche condotte in
materiale flessibile, disponibile in rotoli di parecchie decine di metri.
Le sottocentrali di utenza
La sottocentrale di utenza è il dispositivo attraverso il quale l’utente preleva l’energia
termica dalla rete. E’ costituita da uno scambiatore a piastre, che separa il circuito
dell'impianto di teleriscaldamento e il circuito dell'impianto di riscaldamento utente.
Le sottocentrali sono generalmente prefabbricate e le loro dimensioni sono
contenute; in genere si montano nel preesistente locale caldaia.
Ogni sottocentrale è equipaggiata con un misuratore dell'energia ceduta (contatore),
una valvola di regolazione e limitazione della portata nel circuito primario, valvole di
intercettazione e di sicurezza ed altri accessori di regolazione. La lettura dei
contatori e la conseguente fatturazione possono essere completamente
computerizzate.
Incentivi agli impianti a biomasse
•Contributi provinciali (30% sul costo dell’impianto)
•Certificati Verdi
•Tariffa Omnicomprensiva (alternativa ai CV e ad oggi vale 220 Euro/MWh)
•Detrazione IRPEF 55% (solo 2010)
•Credito di imposta (sull’energia termica venduta) - TLR
•Credito di imposta (sulla potenza allacciata) - TLR
•Certificati Bianchi
FINE DELLA PRESENTAZIONE
Grazie per l’attenzione!
fabbisogno energetico annuo: PCI
Prezzo ivato
30.000kWh/anno
Rendimento Consumo annuale
caldaia
Costo energetico annuo
Pellet
5,10 kWh/kg
0,280 €/kg
88%
6.684,49 kg
€
1.871,66 Legna
2,80 kWh/kg
0,200 €/kg
82%
13.066,20 kg
€
2.613,24 Cippato
3,00 kWh/kg
0,100 €/kg
85%
11.764,71 kg
€
1.176,47 Metano
9,59 kWh/Nmc
0,620 €/Nmc
92%
3.400,28 Nmc
€
2.108,17 Gasolio
9,95 kWh/l
1,182 €/l
85%
3.545,90 l
€
4.191,26 GPL
6,65 kWh/l
0,987 €/l
90%
5.012,53 l
€
4.948,87