Sistemi per la produzione di energia elettrica su piccola scala da biomassa - David Chiaramonti
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Sistemi per la produzione di
energia elettrica su piccola scala
da biomassa
David Chiaramonti
Consorzio RE-CORD / CREAR
Università di Firenze
David Chiaramonti
Sommario
RE-CORD / CREAR
Introduzione ai sistemi di conversione energetica
Gassificazione: iipologie reattori/impianto, gas cleaning
raccomandazione CTI
Progetto GAST
Progetto Yanmar
Pirolisi
Biogas
Conclusioni
pag.2 David Chiaramonti
Chi siamo … pag.3 David Chiaramonti
SEDI E RISORSE RE-CORD
Area sperimentale di 1 ha presso l’azienda agricola Montepaldi (sede legale)
Laboratorio chimico-analitico dedicato a biomasse solide, liquide e gassose
RE-CORD, attraverso CREAR, progetta e esercisce impianti pilota 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.Ingegneria Industriale)
pag.4 David Chiaramonti
Breve elenco Impianti Pilota/Demo presso RE-CORD
Brichettatrice (100 kg/h)
Impianto di pirolisi intermedia catalitica (1.5 kg/h)
Gassificatore open-top twin-fire (70 kWe)
Gassificatore downdraft di Imbert (10 kWe)
Impianto pilota di Torrefazione/Carbonizzazione (in realizzazione)
Reattore pilota di metanazione (in realizzazione)
Microturbina Capstone convertita a biofuels (30 kWe)
Microturbina Garret convertita a biofuels grezzi (20 kWe, 40 HP)
Turbina a combustione esterna a biomassa/NG gas turbine (50-100 kWe)
Microcogeneratore a olio vegetale puro (5 kWe/10 kWth)
Motore ad olio vegetale puro (7 kWe)
Impianti pilota per coltivazione di alghe (in collaborazione con DIBA/F&M)
Digestori anaerobici per prove di laboratorio
David Chiaramonti
Briquetting machine
100 kg/h compactation system
for testing conventional and
unconventional feedstocks (e.g.
agricultural residues,
bioprocess co-products, etc) in
pyrolysis and gasification
David Chiaramonti
Pyrolysis - Advanced biofuels
Development of pyrolysis and
torrefaction systems
Pyrolysis of innovative (2°gen)
feedstocks: microalgae, lignin
Torrefaction and Pyrolysis of
lignocellulosic feedstocks,
either dedicated or residual
biomass
1.5 kg/h pilot pyrolyser
In partnership with SEA-Marconi Lignocellulosic ethanol chain
Lignocellulosic ethanol chain scheme (Source:IEA)
David Chiaramonti
In partnership with
DIBA and F&M
Gasification & Anaerobic
Digestion
Development and test of small
scale gasification systems (in
collaboration with IIS-Bangalore)
Thermochemical conversion to
upgraded biofuels (e.g.
thermochemical methanation)
Upgrading of biogas (from
anaerobic digestion) or producer
gas to bio-methane/SNG
2L
1L
David Chiaramonti
Laboratory fully dedicated to
Renewable Energy/Biomass
In addition: NDIR/Electrochem.Producer Gas Analyzer, Portable MicroGC
Gas Analyzer, Portable Tar sampling collection system
David Chiaramonti
Reti, scambi, progetti…
\
pag.10 David ChiaramontiDavid Chiaramonti
Tecnologie e sistemi di pretrattamento
Attraverso il pretrattamento si prepara la biomassa (intermedio
energetico) all’utilizzo in impianti di conversione che richiedono
specifiche caratteristiche fisiche (es. contenuto di umidità e pezzatura):
• Essiccazione
• Cippatura
• Macinatura
• Densificazione
• Pellet
• Briquettes
• Torrefazione
• Pirolisi
pag.12 David ChiaramontiCombustione
Tecnologia matura, accoppiata a cicli a vapore od ORC
(anche solo produzione elettrica)
Possibilità di alimentazione multicombustibile. Tipicamente
però biomasse legnose con basso contenuto di ceneri.
Elevata affidabilità, prestazioni interessanti
Costi di investimenti significativi – effetto di scala
Source: Turboden, BIOS BIOENERGIESYSTEME
David ChiaramontiCombustione
Ciclo a vapore dominante su taglie maggiori, ma si
sta estendendo anche a impianti di scala inferiore
(motori a vapore)
David ChiaramontiBiomasse per impianti di
gassificazione di piccola scala
• Necessaria una buona qualità della
biomassa per garantire prestazioni
stabili.
• Possibilità pretrattamento per
standardizzare la biomassa in
ingresso.
Contratto di manutenzione/assistenza
pag.15 David ChiaramontiTipologie principali di Gassificatori a Letto Fisso
Updraft Open-top Two/Three Stage
Double Fire
Biomass
Brennstoff
L u ft
Air
Air
Trocknung
Pyrolyse
L u ft
Air Air
P ro d u k tg a s Oxidation
Gas,
Reduktion
Tar
Oxidation
Downdraft L u ft
Air
Asche
Ash
Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007
IMPIANTI DI PICCOLA TAGLIA O PER SOLA GENERAZIONE DI CALORE
David ChiaramontiTipologie principali di Gassificatori a Letto Fluido
Bubbling fluidised bed Circulating fluidised bed Dual fluidised bed
gasifier gasifier gasifier
product gas flue gas
biomass
vapor
steam
air
Fonte: H.Hofbauer, Wien University, 2007
David Chiaramonti Tar (cartami, peci) devono Rimozione/Conversione
essere sempre rimossi quando
Il gas è raffreddato prima del suo dei tar
utilizzo
Il gas è compresso prima del suo
utilizzo
In sistemi quali motori a CI o GT
Due principali sistemi per la
pulizia dei tar contenuti nel gas
grezzo (producer gas)
Rimozione fisica – si
condensano gocce di tar e le si
rimuovono con sistemi simili a
quelli per il particolato
Rimozione chimica – Cracking
catalitico o termico
David ChiaramontiRimozione Tar
Gas Cleaning
Def basata su condensazione
(princ.problemi).
“tutti I composti organici con
punto di ebollizione superiore a
quello del benzene”.
Tipologie di reattori e tar
Updraft: 100 g/Nm3
Prevalentemente tar primari (con
molto ossigeno)
Fluid-Bed: 10 g/Nm3
Miscela tar primari e secondari
Downdraft: 1 g/Nm3
Prevalentemente tar terziari
Two-stage downdraft: contenuto
di tar molto basso
pag.19 David Chiaramonti Tre prodotti
Pirolisi
carbone (char), olio (tar) e gas.
Tecnologia emergente, anche se non nuova Bio-oil
Boiler Extract
Devolatilizzazione anaerobica a 450-550 °C Upgrade
seguita da combustione o gassificazione
Heat Chemicals
Due opzioni di processo Electricity Transport fuel
• valorizzazione energetica del solo gas di
pirolisi (biomasse “difficili”) in pirolisi lenta/intermedia + char e tar
• pirolisi flash (veloce) per produzione di bio crude oil
Flash: Sistemi disponibili ma spesso non ancora a livello dimostrativo.
Provenienza: USA, NL, Canada, Germania. Elevato rischio tecnico.
Progetti in Toscana.
Lenta/Intermedia: sistemi affidabili, di provenienza anche Nazionale.
Rendimenti di conversione elettrica generalmente modesti.
David ChiaramontiBiogas
Sistema pienamente maturo. Difficoltà con le attuali tariffe
incentivanti se non residui.
Possibile in presenza di materia prima idonea
Fondamentale la conduzione opportuna dell’azienda agricola
Innovazione: il biometano
David ChiaramontiSistemi di conversione energetica accoppiati a gassificazione pag.22 David Chiaramonti
Sistema di conversione Motori alternativi (20
MGT (20
Aspetti contrattuali pag.25 David Chiaramonti
Alcuni elementi di criticità nello sviluppo di un
progetto di gassificazione
UTILITA’ DI VERIFICHE
EFFETTUATE DA ENTE TERZO
Gruppo CTI su gassificazione
pag.26 David ChiaramontiAlcuni elementi di criticità nello sviluppo di un
progetto di gassificazione
• Riferimenti chiari e linguaggio comune
fornitore-cliente
Si evitano imprecisioni/fraintendimenti
Offerte confrontabili
• Verifica delle prestazioni e controllo loro
mantenimento nel tempo
Finanziamento impianto
Definizione contratto di manutenzione e
certezza sui costi
Copertura assicurativa su garanzia per il
fermo macchina.
• Altro
Verifica terza filiera di approvvigionamento
pag.27 David ChiaramontiRaccomandazione CTI 13 Impianti per la produzione e l’impiego di gas da gassificazione di biomassa ligno-cellulosica – Classificazione, requisiti essenziali, regole per l’offerta, l’ordinazione, la costruzione e il collaudo pag.28 David Chiaramonti
Misure minime per verifica prestazioni
Misura e Misura
caratterizzazione Distribuzione T
Biomassa in nel reattore
ingresso Analisi dei principali dati di
funzionamento: potenza
Misura (a caldo)
elettrica, ore accumulate,
caratteristiche
energia generata (netta e lorda),
producer gas
emissioni
Analisi
condensato
Analisi
producer
gas
Analisi
ceneri
Bilancio di Massa ed Energia
pag.29 David ChiaramontiRE-CORD
RE-CORD dispone di competenze e Collaborazione con TÜV-
strumenti analisi impianti di gassificazione. Italia Gruppo TÜV-Sud).
Sampling
Tars Condensation
Portable GC
pag.30 David ChiaramontiProgetto GAST
Experiences in biomass GAsification in South-Tyrol:
energy and environmental assessment
Scopo
Preliminary screening of small scale biomass-gasification-based cogeneration
plants located in South Tyrol
Two or three representative plants selected for the monitoring campaign
Characterisation/Monitoring
Coordinatore e Partners
Libera Università di Bolzano (Coordinatore prof Marco Baratieri)
Eco Research SrL
Sottocontraenti: RE-CORD, TIS Innovation Park
pag.31 David ChiaramontiRE-CORD: YANMAR project
Scopo
Installazione e test impianto
di gassificazione da 40 kWe
Tecnologia Giapponese,
diversi impianti esistenti
(visitati in Luglio 2013)
Adattamento sistema a
condizioni/standard EU
Modifiche migliorative alcuni
sezioni
Analisi della prestazioni
pag.32 David ChiaramontiConclusioni (1)
Biomassa Solida
tecnologie disponibili. Per le piccole taglie gli impianti di
pirolisi/gassificazione si sono evoluti verso la piena maturità
industriale. Necessari riduzione di costo sia per combustione che
gassificazione. Impianti che richiedono attenzione nell’utilizzo.
Premialità emissioni.
Biogas e Biometano
processi maturi, necessaria disponibilità di materia prima,
conduzione azienda agricola fondamentale.
Olio vegetale
tecnologie consolidate, criticità di approvvigionamento.
Fattore comune: valorizzazione Energia Termica
David ChiaramontiConclusioni (2)
Aspetti economici-finanziari
Le attuali tariffe richiedono valutazioni molto attente, i margini
sono minori. Necessario valorizzare l’energia termica.
La taglia tipica è minore che in passato. Particolare interesse fino
a 200 kWe perchè «fuori registro» GSE. Ma i costi specifici di
investimento (€/kWe installato) sono ancora maggiori.
Improbabile sviluppare le iniziative tramite finanza di progetto:
normalmente serve equity dell’imprenditore
Perchè un progetto sia bancabile occorre la disponibilità della
risorsa e che il costo sia competitivo per consentire il business
I BP si reggono su ore di fuz./anno ... Attenzione a tecnologie e
modalità di esercizio!
David ChiaramontiDavid Chiaramonti
david.chiaramonti@re-cord.org Grazie per
david.chiaramonti@unifi.it
l’attenzione
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