Cogenerazione di biomasse su piccola scala: opportunità e criticità

Antonio M Pantaleo

Dipartimento DISAAT, Università di Bari Centre for Process Systems Engineering, Imperial College London

pantaleo.antonio@uniba.it

Le prospettive della valorizzazione energetica e materica delle biomasse agroforestali Workshop ECOREMED Napoli, 11 ottobre 2013

Inquadramento normativo •  Classificazione prodotto, sottoprodotto, rifiuto (Dir 28/2008) •  Art 184 bis condizioni per qualifica sottoprodotto: parte integrante di processo produttivo, utlizzo certo, senza ulteriore trattamento, legale

•  All X sez 4 Dlg 152/06 elenco biomasse per limiti emissioni •  DM 6/7/12 (lista sottoprodotti/rifiuti per incentivi biomasse) e Art

185: categorie escluse da rifiuto •  Criteri sostenibilità biomasse (Dir 28/2010) e biocarburanti Dlg

55/2011 e DM 23-01-2012 •  Efficienza energetica – certificati bianchi, conto energia termico,

CAR •  Iter autorizzativi: linee guida 2010 e PAS

Generazione elettrica- implicazioni tecnologia/taglia

Processi di seconda generazione (I)

Processi di seconda generazione (II)

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Cogenerazione da biomasse: taglie ottimali?

•  Trade-off efficienza di conversione-costi/raggio approvv

•  Risorse domestiche molto “distribuite”

•  Necessità decoupling per ottenere biocombustibili da utilizzare presso la domanda energetica

•  Sistemi di condizionamento/upgrading centralizzati e utilizzo finale distribuito

•  Flessibilità di utilizzo biomasse su mercati alimentari-industriali-energetici (bioraffinerie, chimica verde)

•  Ruolo delle misure di incentivazione/procedure autorizzative nel pilotare le scelte di investimento

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Biomassa

Elettricità-calore-trasporti

Stoccaggio / pre-trattamenti

Biocombustibile intermedio Altri prodotti alimentari-industriali

Condizionamento centralizzato (bioraffineria)

Biocombustibile stabilizzato

Conversione energetica (presso utenza energetica)

Decoupling upgrading - energy conversion

Densificazione biomassa-torrefazione

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Recupero energetico - ORC

basse pressioni, usura ridotta, efficienza complessiva 85%, bassi costi operativi

Caldaie con gruppi ORC

Gassificazione di biomasse •  Updraft-downdraft; letto fisso/fluido; atmosf/pressurizz; •  Tipo filtri: secco-umido •  Caratteristiche biomassa (umidità-pezzatura-ceneri) •  Trattamento e smaltimento char

•  Vantaggi: efficienze, emissioni •  Svantaggi: spazi, affidabilità, essiccazione iniziale,

qualità combustibile, costi •  Promettente per piccole taglie, con biomassa con

contenuto ceneri<2%, domanda di calore on site

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Gassificatori letto fisso

Updraft, elevata efficienza ma alta % char nel syngas

Semplice tecnologia - PCI (4-6 MJ/Nm3)-perdite 25%-u 15-20%

Downdraft, stessa direzione per biomassa e gas, parziale craking catrami ma maggior particolato, idoneo per e.elettrica

alte T syngas

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Gassificatori letto fluido

•  Del tipo bollente/circolante e atmosf/pressurizz

•  Uniforme T- gassif in pressione

•  Rischio di formazione di scorie nel letto

•  Necessità, in tutti i casi, di un sistema di raffreddamento e di gas cleaning

Gassificazione su piccole taglie-criticità

Trade-off ed opzioni tecnologiche •  Piattaforma centralizzata con gassificazione distribuita •  Dove e come essiccare

•  Pezzatura: cippato, pellet, polverino •  Biomassa umida o secca (domanda calore) •  Temperatura di gassificazione ed eccesso aria •  Tipologia filtri per gas cleaning (gestione acqua/spazi) •  Motori o turbine •  Solo biomassa o dual fuel

Impatto ambientale •  Emissioni in atmosfera: essiccatore e combustore char •  Emissioni motore o turbina •  Consumi acqua (filtri ad umido) •  Spazi (filtri, essiccatore) •  Rumore (motore) •  Efficienza di conversione energetica

Analisi energetico-ambientale e costi-benefici

•  Dir 28/2010 biomasse •  Dir 27/2012 su efficienzz energetica (Art 14 : obbligo di CAR e/o DH

ma con analisi costi-benefici economico-sociale (all IX parte 1) implicazioni anche ai fini autorizzativi)

•  Impostazione: analisi bilanci energetici, risparmio energia primaria, emissioni CO2 evitate, aspetti occupazionali, analisi finanziaria,

•  Principali criticità: allocazione impatti, LUC •  Criteri e standard di certificazione

Analisi di sostenibilità e LCA Raw materials

extraction

Trasformation: from raw materials to fuels

Utilisation of different products in the chain

Transport

Energy production and utilisation

Casi di studio

HEAT AND POWER HEAT AND POWER

Pellet-gassificazione

BRASSICA CARINATA

BIO-OIL

OIL cake pellet

1 MWe - MCI

Estrazione olio

FIBER SORGHUM

Pellet

PELLET MIX

1 MWe gasificatore-MCI

Olio vegetale-MCI

Pre-trattamento

conversione

FIBER SORGHUM BRASSICA CARINATA

Province S1 (ha) S2 (ha) ha/y Seed t/y Plants Foggia 168,122 141,072 77,296 154,592 25

Bari 100,832 28,605 32,359 64,718 11 Brindisi 35,812 512 9,083 18,166 3 Taranto 48,833 14,495 15,832 31,664 5

Lecce 40,199 8,533 12,183 24,366 4 Total 393,788 193,226 146,754 293,506 48

Province S1 (ha) S2 (ha) ha/y Biomass t/y Plants

Foggia 2,685 125,296 31,995 575,915 103 Bari 0 61,389 15,347 276,251 49

Brindisi 0 0 0 0 0 Taranto 0 4,933 1,233 22,199 4

Lecce 0 0 0 0 0 Total 2,685 191,671 48,576 874,602 156

4 years rotation

Analisi tecnico-economiche

Impianti a biogas: taglia ottimale

020406080

100120140160180200

< 10 10-20 20-30 30-40 40-50 50-60 60-70 70-80 80-90 90-100 >100

ABU in each farm - LAG-Barsento

Num

ber o

f far

ms

0.0

0.5

1.0

1.5

2.0

2.5

3.0

3.5

4.0

4.5

aver

age

AB

U//U

AS

farms numberABU/UAS

Technical plant parameters - Reactor technology/substrate combination - Energy conversion efficiencies Biomass transport and supply chain logistics Biomass density over the territory

Energy potentials Plant sizes range definition

Economic performances Sensitivity analysis

Cost figures - Investment and operational costss - Biomass supply chain costs

Market price for end-products

- feed-in tariff - subsidies - heat/electricity price - digestate price

Biomass potentials Feedstocks mixes

INPUT OUTPUT

Area of investigation - land use assessment - cattle farms size and breeding techniques - energy crops suitability assessment - feedstocks typologies and availability

!

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Servizio calore: Biosolesco

•  EIE project

•  Partners

•  Obiettivi: diffusione del servizio calore da biomasse e solare termico attraverso ESCO

•  Caso studio: latterie Vicentin

 Bio-­‐Sol-­‐ESCo  •  Contract  number  EIE/07/246  •  1.7.2008-­‐30.6.2011    

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Caso di studio latterie Vicentin •  Caldaia da 5800 kWt al servizio del caseificio

•  Investimento di ESCO con vendita calore

n  Investimento ESCO 815.835,00€ n  Investimento cliente 50.000,00€

n  Costo biomassa 70€/ton n  Prezzo vendita energia termica 35€/kWh

Results profitability assessment

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Fattibilità calore da biomassa •  Disponibilità biomassa (cippato – pellet)

•  Domanda di energia termica

•  Attuale costo del calore ed eventuale necessità di sostituzione caldaia esistente

•  Disponibilità spazio per stoccaggio

•  Manutenzione (smaltimento ceneri)

Integrazione gas-biomasse: EFGT •  Modellazione termo-economica •  Combustore a biomassa integrato a ciclo Bryton gas •  Analisi a carichi parziali in gate-cycle •  Bilanci energetici

Analisi termo-economica

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Integrazione della bioenergia nei sistemi energetici – alcuni esempi

•  Produzione biogas da DA distribuita-trasporto a upgrading centralizzato-distribuzione in rete gas

•  Stoccaggio-essiccazione-trasporto a densificazione centralizzata (pellet-char)-distribuzione a rete microgenerazione (gassificazione-ORC-stirling-caldaie)

•  Produzione bio-etanolo da lignocellulosiche centralizzata-trasporto pipeline a microturbine distribuite

•  Produzione bio-olio centralizzata-trasporto pipeline a motori CHP dual fuel, microturbine

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Integrazione della bioenergia nei sistemi energetici – obiettivi progetto BP-CPSE

•  Tecnologie ottimali per condizionamento-conversione energetica

•  Localizzazione e dimensionamento impianti

•  Integrazione con reti esistenti (gas, elettricità, calore, trasporti su strada) e con impianti esistenti (cofiring)

Ottimizzazione di filiere bioenergetiche

Approccio STN: state-task network: risorse-tecnologie

Approccio di SISTEMA: localizzazione, taglia, tecnologia ottimali di impianti a biomasse e relativa integrazione con le attuali infrastrutture

energetiche

Caso studio in area urbana Caso studio •  UK, 87 ha •  6500 persone •  50% energia da rinnovabili

CHP

District heat

Electricity

Waste heat

Elec heater

Heat exch. Heating

CO2

Forestry residue

Chips

Chip prod.

District heating Wood chips

electricity Natural gas

Trends di ricerca •  Processi di upgrading a biofuels •  Dinamiche offerta biomasse – domanda energia •  Sparse district heating/cooling •  Localizzazione ottimale impianti, load aggregators,

prosumers e demand side management •  Sistemi dual fuel – integrazione con sistemi energetici

convenzionali •  Modelli di business per ESCO

Conclusioni n  Integrazione con sistemi energetici esistenti

n  Disaccoppiamento condizionamento-conversione

n  Integrare con efficienza energetica

n  Incentivi per calore da rinnovabili

n  Contabilizzazione benefici ambientali

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

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