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Torrefazione della Biomassa: tecnologie e stato dell'arte

Leonardo Nibbi

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CREARUniversity Research Center

Pianvallico SpAMugello Land Devel. Company

Villa MontepaldiUniversity Farm

Spike Renewables SrLEngineering and R&D SME

RE-CORD Renewable Energy Consortium for R&D

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Perché il Consorzio? • FARE SISTEMA - Mettere a sistema le risorse dei proponenti • ESSERE RAPIDI ED EFFICACI – Struttura snella, in grado di rispondere in modo

efficiente e rapido alle opportunità che si presentano • ALTA SPECIALIZZAZIONE IN SETTORE CHIAVE - Soggetto specializzato in un settore

trainante dell’economia e dell’ambiente. Sul tema delle Bioenergie punto di eccellenza in ambito non solo nazionale ma anche internazionale

• CREARE OCCUPAZIONE E PROSPETTIVE - Opportunità di sbocco per competenze altamente specialistiche, formate all’interno dell’Università senza che debbano migrare altrove e continuando ad operare all’interno della ricerca toscana

• SERVIZI A TERRITORIO E IMPRESE - Fornire servizi al territorio (Enti locali) ed imprese, tramite il laboratorio chimico-analitico a Pianvallico e le competenze specialistiche nel settore delle Fonti Rinnovabili di Energia e delle Agroenergie-Biocombustibili,

• TERRITORIO E SVILUPPO – Favorire lo sviluppo sostenibile del territorio Toscano, e - grazie alle attività di rete tecnico-scientifica - metterlo in relazione con le iniziative e le competenze disponibili in Italia ed all’estero

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• SEDI E RISORSE – RE-CORD dispone di un’area sperimentale di 1 ha presso l’azienda agricola Montepaldi, dove

ha sede legale il consorzio stesso. – Nel 2009 Pianvallico e CREAR hanno ottenuto un finanziamento regionale per la costituzione

di un laboratorio altamente specialistico in Mugello, dedicato alle Fonti Rinnovabili di Energia ed in particolare alle biomasse-agroenergie.

– RE-CORD, attraverso CREAR, può operare numerosi impianti a Fonti Rinnovabili – RE-CORD segue tramite Spike la prima ingegnerizzazione e la realizzazione degli impianti – RE-CORD opera inoltre presso la sede del CREAR a Firenze (Dip.di Energetica “S.Stecco”)

CREAR

Pianvallico SpA

MontepaldiFarm

Spike Renewables

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Pianvallico (IPT)

• Laboratorio Chimico-Analitico Bioenergie e Rinnovabili

• Impianto Gassificazione (Prog.Min.Ambiente-MNRE India)

• Pirolizzatore (Prog.7PQ)

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• Area Sperimentale (1 ha recintato con serra) • Microturbine ad Olio Vegetale ed Olio di Pirolisi • Motori ad Olio Vegetale

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XIX ISAF International Symposium on Alcohol Fuels Verona, 10-14 October 2011

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Biomassa Materiale • Tenace e Fibroso (non facilmente sminuzzabile) • 10 -17 MJ/kg (LHV, ar)

– Bassa densità energetica (influenza stoccaggio, costi di trasporto etc.)

• Idrofilo – Tende a riassorbire l’umidità perduta durante

l’essicazione/asciugatura

• Vulnerabile alla degrazione biologica • Eterogeneo

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la Torrefazione • Processo usato nel settore alimentare (caffè, ma anche tabacco

e cacao) e nel trattamento di alcuni legnami per esterno, anche se in realtà nel contesto alimentare è più corretto parlare di “tostatura”.

• Stabilizza la biomassa limitandone il degrado biologico.

• Impedisce il recupero di umidità. • Densifica energeticamente la

biomassa facilitando alcuni aspetti logistici.

• Possibilità di processare biomassa non finemente trattata.

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La Torrefazione • La torrefazione è un trattamento termochimico di densificazione

della biomassa che avviene a temperature comprese tra 200 e 300°C. • Si effettua in condizioni di pressione atmosferica ed in assenza di

ossigeno su biomassa possibilmente di pezzatura inferiore ai 40 mm. • Il processo è caratterizzato da bassi tassi di riscaldamento delle

particelle (<50° C / min). • Tempi di residenza intorno ai 30’. • Durante il processo la biomassa si decompone in parte dando vita a

diversi tipi di sostanze volatili. • Il prodotto finale è il residuo solido, che è spesso definito come

biomassa torrefatta o legno torrefatto quando ricavato dalla biomassa legnosa.

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Processo di torrefazione: le reazioni • Essiccazione: -> 200 ° C • Reazioni Torrefazione: 200-300 ° C • Devolatilizzazione e carbonizzazione della

emicellulosa • Depolimerizzazione e devolatilizzazione /

ammorbidimento della lignina • Depolimerizzazione della cellulosa e

devolatilizzazione

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Processo di torrefazione: le reazioni

Inizia la devolatilizzazione della emicellulosa

Si rompono i legami del legno

Si brucia la emicellulosa, gli organici volatili e gli extractans

Il legno diventa friabile

Avviene la torrefazione finale Il legno diviene idrofobo e si

asciuga al di sotto dell 1% Il contenuto energetico sale oltre i

25MJ/kg

La maggior parte dell’umidità evapora

Contenuto energetico sale a 18.5MJ/kg

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Il processo di torrefazione

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Densificazione energetica: 0.9 / 0.7= 1.3

Torrefaction Process

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Gas di Torrefazione: Caratteristiche

• COMPOSIZIONE: H2O, CO2 (INSIEME COSTITUISCONO IL 60% DEL TOTALE), CO, ACIDO ACETICO,METANOLO, ACIDI ORGANICI, ALTRI COMPOSTI VOLATILI.

• POTERE CALORIFICO: TRA 5 - 15 MJ/Nm³.

• PUO’ COPRIRE BUONA PARTE DEL FABBISOGNO TERMICO DEL PROCESSO DI TORREFAZIONE.

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Vantaggi Il prodotto finale contiene il 70% della massa in forma di prodotto solido, con il 90% del contenuto energetico iniziale; a titolo di esempio la pirolisi restituisce solo il 55-65% del contenuto energetico iniziale. La biomassa acquista caratteristiche idrofobiche: stoccaggio semplificato e minor dipendenza stagionale (può essere immagazzinato all’aperto come il carbone); posso utilizzare la logistica del carbone. Il materiale torrefatto e’ più facilmente macinabile Il processo tende ad omogeneizzare la biomassa Il legno torrefatto richiede meno energia per la pellettizzazione (30-40% in meno). Il prodotto è superiore nell’uso per il co-firing La biomassa torrefatta potrebbe essere usata al posto, o in parziale sostituzione, del carbone in applicazioni di tipo metallurgico

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Vantaggi: grindability

Forte riduzione nel consumo di energia per lo sminuzzamento, conseguente alla modifica dei legami interni al materiale.

(MC=0% wt)

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Grindability • La macinabilità dipende dal

range di temperature raggiunte durante la torrefazione.

• Le alte temperature distruggono l’emicellulosa e rendono quindi il materiale più facilmente sminuzzabile.

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Grindability

• La torrefazione diminuisce la potenza richiesta per la macinatura ed incrementa la produttività della macina

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Dalla biomassa al pellet torrefatto

Friabile e meno fibroso

19 -22 MJ/kg (LHV, ar)

Idrofobo

Conservabile

Omogeneo

Tenace e Fibroso

10 -17 MJ/kg (LHV, ar)

Idrofilo

Vulnerabile alla Biodegrazione

Eterogeneo

Bulk density 650-750 kg/m3

Bulk energy density 13-17 GJ/m3

Residui agricoli Residui Legnosi

Scarti

Torrefazione e Macinatura

Pellettizzazione

Pellet

Polvere

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Pellet torrefatto vs. Pellet di legno

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Vantaggi: confronto con Pirolisi lenta • La pirolisi lenta è alla base del processo tradizionale per produrre carbone

di legna (charcoal). • Il carbone di legna è un combustibile prodotto dal processo di

carbonizzazione della legna, che consiste nella trasformazione di un composto organico in carbone. È un processo naturale che avviene durante la combustione della legna (combustibile) in presenza di scarso ossigeno (comburente). • Il processo di carbonizzazione nelle carbonaie poteva durare fino a 5 o 6 giorni e da una quantità variabile dai 30 ai 40 quintali di legna si ricavavano dai 6 agli 8 quintali di carbone, con un rendimento in massa intorno al 20%, contro il 90% della torrefazione.

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Svantaggi • Aumento dei costi di investimento. • Necessità di combustibile esterno,

con incidenza sul costo del prodotto finale.

• Non è un processo semplice da attuare

• Per creare l'assenza di ossigeno è necessario operare a tenuta stagna

• Necessità di ottimizzare il bilancio energetico per raggiungere la convenienza economica.

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Cost

i - E

BES

(*) CIF (Cost, Insurance and Freight) include il costo del prodotto, il costo dell'assicurazione marittima e il costo del trasporto via nave fino al porto di destinazione.

(*)

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Punti critici • Controllo del processo • Dipendente dalla tipologia di biomassa • Rendimento della trasformazione • Se la biomassa torrefatta deve essere poi trasformata

in pellet, è necessario trovare una temperatura di torrefazione ottimale che consenta al prodotto di avere le caratteristiche desiderate (idrofobia, densità energetica, macinabilità) senza perdere la capacità di aggregazione, che tende a diminuire con l’aumentare della temperatura.

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Stato dell’arte

BIOENERGY – A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05

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Stato dell’arte • Le tecnologie di Torrefazione della

biomassa ai fini energetici si trovano attualmente in fase di dimostrazione.

• La forte richiesta del mercato ha messo in moto un cospicuo numero di sviluppatori.

• La tecnologia si basa spesso su tecnologie preesistenti, quali gli impianti di essiccazione o di pirolisi.

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Stato dell’arte

Accelerated Carbonized Biomass = Brandname © EBES GmbH

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Le sfide • La torrefazione distrugge l'emicellulosa, depolimerizza la

cellulosa e la lignina dovrebbe mantenere le sue capacità leganti necessarie per permettere la successiva pellettizzazione.

• Diventa necessario individuare una finestra operativa dove si mantengono le proprietà leganti ottenendo però al contempo un prodotto con le caratteristiche desiderate.

• Qual'è l'influenza esercitata dalla tipologia di biomassa elaborata?

• La torrefazione non è ancora economicamente conveniente.

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Vantaggi del co-firing col carbone • Ogni tonnellata di biomassa torrefatta bruciata in co-firing col

carbone riduce la produzione di biossido di carbonio fino a 2,8 tonnellate.

• Il legno torrefatto può essere gestito esattamente come il carbone; il co-firing è stato testato fino al 10%; probabilmente può essere elevato fino al 30% con il carbone.

• La biomassa torrefatta non assorbe acqua e può essere immagazzinata all'aperto come il carbone.

• Durante il processo di torrefazione, molte sostanze volatili vengono bruciate, eliminando il rischio di slagging in caldaia.

• Il legno torrefatto produce livelli significativamente più bassi di NOx e SOx di emissioni inquinanti rispetto al carbone.

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Torrefazione @ RE-CORD • Un impianto di pirolisi da

laboratorio è in fase di installazione presso l’area RE-CORD di Pianvallico.

• Sarà utilizzato anche per prove di torrefazione della biomassa. – Capacità di processo: 1 –

1.5kg/h

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Grazie per l’attenzione!

Leonardo Nibbi leonardo.nibbi@unifi.it