lezione 05 parte 02 - iuav
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Energia rinnovabilebioenergie
Piercarlo Romagnoni - Università IUAV di Venezia (I)
Biomasse
Biomass is organic material that comes from plants and animals,and it is a renewable source of energy.
Biomass contains stored energy from the sun. Plants absorb thesun's energy in a process called photosynthesis. When biomass isburned, the chemical energy in biomass is released as heat.Biomass can be burned directly or converted to liquid biofuels orbiogas that can be burned as fuels.
Examples of biomass and their uses for energy•Wood and wood processing wastes—burned to heat buildings, toproduce process heat in industry, and to generate electricity•Agricultural crops and waste materials—burned as a fuel orconverted to liquid biofuels•Food, yard, and wood waste in garbage—burned to generateelectricity in power plants or converted to biogas in landfills•Animal manure and human sewage—converted to biogas, which canbe burned as a fuel
From: https://www.eia.gov/energyexplained/biomass/
La biomassa solida, come legno e rifiuti, può essere bruciatadirettamente per produrre calore. La biomassa può anche essereconvertita in un gas chiamato biogas o in biocarburanti liquidicome etanolo e biodiesel. Questi combustibili possono quindiessere bruciati per produrre energia.
Il biogas si forma quando la carta, gli avanzi di cibo e i rifiuti dicantiere si decompongono in discarica e può essere prodottotrasformando liquami e letame in speciali vasi chiamati digestori.
L'etanolo è prodotto da colture come mais e canna da zuccheroche vengono fermentate per produrre etanolo da utilizzare neiveicoli.Il biodiesel è prodotto da oli vegetali e grassi animali e può essereutilizzato nei veicoli e come olio combustibile.
Legislazione e uso efficiente dell’energia
«cogenerazione» è la produzione e l'utilizzo simultanei dienergia meccanica o elettrica e di energia termica a partire daicombustibili primari, nel rispetto di determinati criteri qualitatividi efficienza energetica;dal D.Lgs. 192/2005
gg) rete di teleriscaldamento e teleraffreddamento:sistema di trasporto dell’energia termica, realizzatoprevalentemente su suolo pubblico, finalizzato a consentire achiunque interessato, nei limiti consentiti dall’estensione dellarete, di collegarsi alla medesima per l’approvvigionamento dienergia termica per il riscaldamento o il raffreddamento dispazi, per processi di lavorazione e per la copertura delfabbisogno di acqua calda sanitaria;dal D. Lgs. 102/ 2014
Il teleriscaldamento
Il teleriscaldamento portadirettamente nelle case il caloreper il riscaldamento e l'acquacalda sanitaria senza bisogno diavere caldaie, bruciatori,serbatoi per il combustibile ecanne fumarie.
Nel 2018 la potenza degli impianti alimentati con le bioenergie(biomasse, biogas, bioliquidi) rappresenta il 7,7% della potenzacomplessiva degli impianti alimentati da fonti rinnovabili installati inItalia; la maggior parte degli impianti è di piccole dimensioni, conpotenza inferiore a 1 MW.
Nel corso del 2018 la produzione da bioenergie è pari a 19.153GWh, pari al 16,7% della produzione totale da fonti rinnovabili. Il42,8% dell’energia elettrica da bioenergie è stata prodotta inimpianti di potenza superiore a 10 MW, il 42,5% in quelli di potenzainferiore a 1 MW e il restante 14,7% in impianti appartenenti allaclasse intermedia, tra 1 e 10 MW.
Biomasse nel settore elettrico
Gli impianti a bioenergieNumerosità e potenza degli impianti a bioenergie per la produzione elettrica
A fine 2018 la maggior parte degli impianti alimentati da bioenergie sitrova nel Nord Italia (72,8% del totale), che prevaleconseguentemente anche in termini di potenza installata (61,9%).
La Lombardia si caratterizza per la maggior potenza installata (931MW), seguita dall’Emilia Romagna con circa 651 MW.
Nel Centro la maggior potenza è rilevata nel Lazio (208 MW), mentrePuglia e Campania si distinguono nel Sud, rispettivamente, con 347MW e 241 MW installati.
Produzioneelettricadegliimpiantialimentati dabioenergie
Evoluzione della produzione elettrica degli impianti alimentati da bioenergie
Produzione elettrica da bioenergy nel 2018 per Regione (in GWh)
La Lombardia detiene il primato (38,4%) della produzione totale nazionale dalla frazione biodegradabile dei rifiuti nel 2018. Al Centro predomina il Lazio con il 6,4%, al Sud la Campania con il 13,9%.
Produzione Italiana da biogas: 8.300 GWh
Dall’analisi della distribuzione della produzione 2018 da biogas sipuò osservare come il contributo predominante (83% del totalenazionale) sia fornito dalle regioni dell’Italia settentrionale. Laprima regione è la Lombardia, con il 34,4%, seguita da Veneto(14,9%), Emilia Romagna (14,6%) e Piemonte (12,2%).
A livello provinciale, la produzione da biogas è concentrataprevalentemente nelle province della Pianura Padana, con Cremonache fornisce il contributo maggiore a livello nazionale nel 2018(9,9%). Tra le province dell’Italia centrale il dato più rilevante èosservato a Roma (1,3%).
BioliquidiProduzione in ITALIA: 4.291 GWh
Osservando la situazione a livello provinciale si nota che la produzioneda bioliquidi è presente in modo significativo in poche realtà, situateprevalentemente in vicinanza di scali portuali.
Bari detiene il primato nel 2018 con il 15,8% della produzione totale;seguono la provincia di Ravenna (13,8%), Napoli (13,8%), Brindisi(6,3%) e Nuoro (5,2%).
Ai sensi dell’art. 38, comma 1, del Decreto Legislativo 3 marzo 2011,n. 28, a partire dal 1° gennaio 2012 i bioliquidi utilizzati a finienergetici possono ricevere incentivi ed essere computati per ilraggiungimento degli obiettivi nazionali solo se rispettano i criteri disostenibilità stabiliti dal D.Lgs. 31 marzo 2011, n. 55 (i medesimicriteri della Direttiva 2009/28/CE).Nel 2018 si rileva un minor impiego di bioliquidi sostenibili rispettoall’anno precedente: da circa 966.000 tonnellate a 938.000 tonnellate(-2,9%). I bioliquidi sostenibili rappresentano il 98,1% del totale deiconsumi di bioliquidi (dato rilevato da Terna); tale percentuale simantiene allo stesso livello dell’anno precedente.
Nel 2018 l’olio di palma si conferma di gran lunga il bioliquidomaggiormente utilizzato (564.416 tonnellate, nonostante si osservi unariduzione pari al -10% rispetto al 2017), seguito dagli oli e grassi animali(141.482 tonnellate) il cui impiego registra un forte incremento rispettoal 2017 (+27%). Rimangono stabili gli usi di olio di soia e di colza(superano le 65.000 tonnellate) mentre si evidenzia la crescita dell’oliodi girasole (+14%) e degli oli vegetali generici.
Circa il 60% dei bioliquidi impiegati in Italia viene lavorato nel Sud-estasiatico da materie prime locali. Il 31,6% dei bioliquidi viene lavoratoall’interno dei confini nazionali, in forte crescita rispetto al 2016 e al2017 (quando tali quote erano pari rispettivamente al 25% e al 27%).In Italia è lavorata la totalità degli UCO e degli oli vegetali generici e deiderivati da oli vegetali e la quasi totalità dell’olio di soia e degli oli e deigrassi animali. A queste produzioni corrisponde quasi sempre unamateria prima di origine nazionale.
Energia da fonti rinnovabili nel settore Termico nel 2018
Nel 2018 i consumi di energia da fonti rinnovabili nel settore Termicorilevati in Italia ammontano a 446.386 TJ (10,7 Mtep); il datoaumenta leggermente (di circa 460 TJ) se si considera la grandezzautile ai fini del monitoraggio degli obiettivi UE, per effettodell’inclusione del biometano che compensa l’esclusione dei bioliquidinon sostenibili e del contributo delle pompe di calore con prestazioniinferiori a quelle fissate dalla Direttiva 2009/28/CE.
Rispetto al 2017 si registra una diminuzione dei consumi complessivida FER di circa 22.500 TJ (-4,9%); tale dinamica è legata alladiminuzione dei consumi di biomassa solida, generata principalmentedel clima più caldo e dal conseguente minor fabbisogno di calore cheha caratterizzato il 2018.
Il 91% circa dell’energia termica viene consumato in modo direttoda famiglie e imprese; il restante 9% rappresenta la produzione dicalore derivato, ovvero calore prodotto in impianti di trasformazioneenergetica alimentati da fonti rinnovabili e ceduto/venduto a terzi,principalmente attraverso reti di teleriscaldamento.
Circa il 90% del calore derivato è prodotto in impianti cheoperano in assetto cogenerativo, il restante 10% in impiantidestinati alla sola produzione di calore.
Considerando sia i consumi diretti sia il calore derivato prodotto, lafonte rinnovabile più utilizzata in Italia si conferma la biomassasolida (compresa la frazione biodegradabile dei rifiuti), checoncentra oltre i due terzi dei consumi totali (69% circa); moltorilevante è anche il contributo dell’energia fornita da pompe di calore(circa 24%), mentre l’incidenza delle altre fonti considerate insiemesi attesta poco sopra il 6%.
Impieghi di biomassa solida nel settore Termico
Nel 2018 l’energia termica complessiva ottenuta in Italia dall’impiegodella biomassa solida per riscaldamento (legna da ardere, pellet,carbone vegetale/charcoal) ammonta a circa 300.000 TJ, corrispondentia 7,12 Mtep
Consumi diretti di biomassa solida nel settore residenziale
Nel settore residenziale i consumi di energia da biomassa solida nel2018 ammontano, come già precisato, a circa 262.000 TJ (6,25Mtep).
Più in dettaglio:• 221.735 TJ (5.296 ktep), pari all’84,7% del totale, sono legati agli
impieghi di legna da ardere in caminetti, stufe, caldaie ecc. Sistima che circa l’1,4% di questi volumi sia utilizzato in secondecase. È interessante precisare che l’indagine Istat sui consumienergetici nel settore residenziale indichi come il 45% dellefamiglie acquisti tutta la legna da ardere che consuma, mentre ilrestante 55% utilizzi esclusivamente (38% delle famiglie) oparzialmente (17%) legna autoprodotta o recuperata;
• 38.116 TJ (910 ktep), pari al 14,6% del totale, sono associati aconsumi di pellet. La porzione consumata in seconde case utilizzateper vacanza è stimata intorno all’1,4%;
• 1.895 TJ (45 ktep), che rappresentano meno dell’1% del totale,sono legati all’utilizzo di carbone vegetale, principalmente per usocucina (barbecue).
Consumi di calore derivato prodotto da fonti rinnovabili nelle regioni e nelle province autonome
Biomasse
Materiali organici non fossili che posseggono un intrinseco contenuto dienergia chimica.Biomassa è ogni sostanza organica derivante direttamente oindirettamente dalla fotosintesi clorofilliana
L’energia solare è raccolta e stoccata tramite la fotosintesi clorofilliana
6CO2 + 6H2 O + luce + clorofilla (C6H12O6) + 6O2
Il glucosio C6H12O6 è il principale prodotto organico
Ogni grammomole (gmol) di Carbonio fissato rappresenta 480 kJ
L’efficienza della cattura dell’energia solare è di quasi 1%
Superficie di Confinedel Sistema
Fumi
CombustibileCalore disperso
ECH
Aria comburente Generatore di calore
Fluido in uscita
Fluido in ingresso
QD
QF
La produzione del calore: la combustione
Teoricamente:
Qtotale = Mcombustibile Hu = QFumi + Qutile + Qdisperso
Hu = potere calorifero del combustibile
La combustioneI combustibili solidi
I combustibili solidi naturali (o carboni) derivano dallacarbonizzazione del legno e di altre sostanze vegetali (etalvolta animali) che si sono trasformati nel tempo in:TorbaLigniteLitantraceAntraciteCoke (artificiale)Legna
Alcuni combustibili solidi possono essere gassificati.
La gassificazione consiste schematicamente nel portare acontatto ad alte temperature il carbone con il vapor d’acqua edottenere idrogeno H2.
Combustibili liquidi
Il petrolio rivela la presenza di 86-87% in peso di C e di 11-13% di H e di piccole quantità di S, O, N.
Per distillazione è possibile ottenere:GPL: gas di petrolio liquefatto. Ottenuto per liquefazione a bassapressione dei gas propano e butano che escono dalla parte piùalta della colonna di distillazione
BENZINA: condensa a temperature fino a 200°C
CHEROSENE: carburante per aerei
GASOLIO: impiegato in motori diesel per autotrazione e per ilriscaldamento civile
OLIO PESANTE: impiegato negli impianti termoelettrici, nelriscaldamento industriale, nei motori diesel fissi di grandepotenza, condensa a T>330°C.
Combustione gassosaIl metano CH4, in presenza di O2, fornisce la seguentereazione:
CH4 + 2 O2 CO2 + 2 H2O + calore
in cui CO2 e H2O sono i prodotti della combustione.
Nell’aria è presente anche l’azoto N2, che non intervienenella reazione: per ogni volume di O2 sono presenti 7,52volumi di altri gas (prevalentemente N2). La reazionediviene:
CH4 + 2 O2 + 7,52 N2 CO2 + 2 H2O + 7,52 N2 + calore
ovvero in totale 9,52 m3 di aria per ogni m3 di metano.
Potere calorifico di biomasse riferito alla sostanza secca
Biomassa [kcal/kg] Biomassa [kcal/kg]
Corteccia 4350 Paglia 4100
Robinia 4300 Lolla 3600
Pioppo 4200 Stocchi di girasole 4300
Salice 4200 Eucalipto 4150
Sorgo 4200 Rifiuti solidi urbani 2500
1 kcal = 4186 JIl tenore di umidità generalmente varia dal 30% al 50% in pesoLa formula chimica con cui vengono indicate è Cx Hy Oz
Per quanto riguarda i poteri calorifici inferiori, non essendo disponibiliinformazioni dettagliate su qualità e livello di umidità della legnautilizzata, si fa necessariamente riferimento ai parametri indicati nelManual for statistics on energy consumption in households, predispostoda Eurostat nel 2013; in particolare, il PCI applicato alla legna daardere è il valore standard attribuito al legno di latifoglie (13,911MJ/kg), mentre il PCI applicato al pellet è pari a 17,284 MJ/kg.
Combustibile per impianti: la legna
L’uso di biomasse
Per calcolare la superficie di terreno da coltivare a biomassa o che comunque deve essere resadisponibile per un impianto in grado di Potenza Pel [MW], è necessario definire:
a) l’energia elettrica prodotta in un anno Eel, come:
Eel = Pel ∙ h · 3600 ∙ 1000 [kJel/anno]
dove: h = ore funzionamento centrale all’anno [es. 8000 h]
b) definire l’energia termica E che deve essere fornita sulla base dell’efficienza ditrasformazione elettrica del processo hel:
E =
c) considerata la biomassa di potere colorifico H [kJ/kg], si può ricavare la quantità dibiomassa necessaria in un anno mc come:
𝑚 = 𝑃 10 ℎ 3600
𝜂 𝐻
d) nota la produttività p [t/(ettaro anno)] della biomassa considerata in termini di massa simateriale secco, posso ricavare la superficie A di terreno necessario:
𝐴 =
[ha] =
[𝑘𝑚 ]
La biomassa viene convertita in energia elettrica o in calore tramite processi di:
- combustione;- gassificazione;- digestione anaerobica;
oppure trasformata in combustibile liquido
Combustione
C6H10O5 + 6O2 6CO2 + 5H2O + 17,5 MJ/kg
Bruciatori oltre i 50 MW
Gassificazione
La gassificazione di una biomassa è un’ossidazione inparziale difetto di O2 a temperatura elevata (oltre 900°C).
Dalla gassificazione si ottiene un gas combustibilecomposto da H2, CO, CO2, H2O, CH4, CmHn (idrocarburivari) e N2.
Esempio: gassificazione di gusci di riso per produrre ungas a basso valore energetico che in una turbina puòprodurre energia elettrica
C6H10O5 + 0,5 O2 6CO + 5H2 + 1,85 MJ/kg
Pirolisi (temp. 300 ÷ 500°C) si ottiene Char, bio-oil e gas(potere calorifico > 15 MJ/Nm3)
Digestione anaerobicaSi usano bio-solidi per produrre gas (biogas) ad elevato contenuto di metano a potere calorifico medio
C6H10O5 + H2O 3CO2 + 3CH4
Il biogas prodotto da rifiuti zootecnici possiede la seguente composizione volumetrica:
CH4 = 50% ÷ 80%
CO2 = 20% ÷ 50%
N2, H2, NH3, H2S < 1%
Si introduce aria nel digestore per ridurre il contenuto di H2S (altamente corrosivo)
Impieghi di biogas e biometano nel settore Termico
Nel 2018 l’energia termica complessiva ottenuta in Italia dallosfruttamento dei biogas ammonta a 10.702 TJ (corrispondenti a 256ktep), in decrescita rispetto all’anno precedente (-4,4%).I consumi diretti di biogas, in particolare risultano pari a 1.749 TJ (circa41,8 ktep); l’industria ne assorbe circa il 45% circa, mentre il restante55% si riferisce al commercio e ai servizi.
Impianti a biogas presenti nella provincia di Rovigo
Dati del Gestore Servizi Energetici (2015):• Numero impianti: 19• Potenza totale: 17,866 MW• Energia prodotta: 142.928 MWh
Fonte regione Veneto
Fonte regione Veneto
Fonte: Tesi N. Smorgon
Stima del potenziale derivante dal comparto zootecnico
Nella provincia di Rovigo sono presenti 1.490 aziende con relativo allevamento così distribuiti:• Bovini: numero animali 36.633, aziende 537• Suini: numero animali 136.960, aziende 867
Fonte: Istituto Zooprofilattico Sperimentale delle Venezie
Specie Allevata Refluo(t/capo)
Energia(kWh/t)
Capi(capi/kW)
Bovini Capo adulto (>400kg) 10,40 40,00 20Vacche da latte in produzione 19,80 145,00 3
Suini Capo adulto (fino a 100 kg) 3,29 30,00 81Scrofe e suinetti 9,26 30,00 28
Resa energetica derivante dal comparto zootecnico
Fonte: Tesi N. Smorgon
Potenza installabile per numero di capi allevati
0
5.000
10.000
15.000
20.000
25.000
30.000
100 200 300
num
ero
capi
Potenza installabile (kW)
suini ingrasso
scrofe e suinetti
bovini da carne
bovini da latte
kW installabili nei comuni della provincia di Rovigo
Fonte: Tesi N. Smorgon
Impianti installabili Comune Potenzainstallabile kW
Comune Potenzainstallabile kW
Adria 570 Lendinara* 105Ariano Polesine** 212 Loreo 135
Arquà Polesine 79 Lusia 39Badia Polesine 47 Melara 23Bagnolo di Po* 37 Occhiobello 33Bergantino 184 Papozze 19Canaro 50 Pettorazza Grimani 102Castelguglielmo 48 Pincara 156
Castelmassa 27Pontecchio Polesine 100
Castelnovo Bariano** 117 Porto Viro*** 345
Ceneselli 58 Rovigo 259Ceregnano 301 San Bellino 101Corbola 47 Taglio di Po* 1.620Costa di Rovigo* 66 Trecenta* 146
Crespino* 180 Villadose* 90Frassinelle 49 Villamarzana 97
Fratta Polesine 32Villanova del Ghebbo 16
Giacciano con Baruchella 29
Villanova Marchesana 58
Guarda Veneta* 65 Impianti 37
kW installabili 5.640* comuni dove è già presente un impianto a biogas
Fonte: Tesi N. Smorgon
Impianti installabili*Comune Potenza
installabile kWComune Potenza
installabile kWAdria 570 Loreo 135Arquà Polesine 79 Lusia 39Badia Polesine 47 Melara 23Bergantino 184 Occhiobello 33Canaro 50 Papozze 19Castelguglielmo 48 Pettorazza Grimani 102
Castelmassa 27 Pincara 156Ceneselli 58 Pontecchio Polesine 100Ceregnano 301 Rovigo 259Corbola 47 San Bellino 101Frassinelle 49 Villamarzana 97
Fratta Polesine 32Villanova del Ghebbo 16
Giacciano con Baruchella 29
Villanova Marchesana 58
Impianti 26kW installabili 2.657
* Sono stati esclusi i comuni dove è già presente almeno un impianto a biogas
Fascia di potenza elettrica (kW)
Numero di impianti installabili
Potenza elettrica complessiva installabile
(kW)da 11 a 100 18 849
da 101 a 200 5 678da 201 a 300 1 259da 301 a 600 2 871
totale 26 2.657
numero di impianti e potenza installabile per fascia di potenza elettrica
Dati Programma Energetico Provinciale
Tipologia Programma Energetico Provinciale (2010)
Dati studio Zooprofilattico (2016)
n. capiVacche da latte 5.600 36.633Altri Bovini 67.186Suini 72.800 136.960Totale 145.586 173.593
Energia producibileTotale (kW) 6.142 5.640Totale (MWh) 49.134 45.120
La distinzione del Programma energetico è più precisa dato che diversifica le vacche da lattedagli altri bovini in quanto hanno un potenziale maggiore, e ricalcolando il potenziale con letabelle di conversione fornite in “BIOGAS piccoli impianti”, abbiamo che:vacche da latte: 5.600/3 = 1.866 kWaltri bovini: 67.186/20 = 3.359 kWsuini: 72.800/54,5 = 1.336 kWI kW installabili secondo il fattore di conversione proposto per questa tesi sono 6.561, pari aduna produzione annua di 52.488 MWh (6,56 MW*8.000 ore), mentre il programma energeticoprevedeva una produzione annua di 49.134 MWh.
I Rifiuti Solidi Urbani possono costituire, se opportunamente separatie trattati, combustibile per impianti di generazione termica di energiaelettrica. Un apposito elenco (Allegato A) del decreto legislativo 5febbraio 1997, n. 22, recante “Attuazione delle direttive 91/156/CEEsui rifiuti, 91/689/CEE sui rifiuti pericolosi e 94/62/CE sugliimballaggi” precisa le diverse categorie di RSU.
In coerenza con la metodologia approvata dal Decreto 14 gennaio2012 del Ministero dello Sviluppo economico, il calcolo dei consumidiretti viene sviluppato sulla base dei quantitativi di rifiuti utilizzatia scopo energetico e del potere calorifico inferiore associato aciascuna categoria di rifiuto; per i PCI sono stati adottati valoriconcordati con gli operatori, o, in assenza di tali informazioni, unvalore medio conservativo di 11,5 MJ/kg.
Energia da rifiuti
Secondo le informazioni Eurostat nel 2015, nell’UE 28, sono prodotticirca 242,3 milioni di tonnellate di rifiuti urbani, 117mila tonnellate inmeno rispetto all’anno precedente (-0,05%).
Nel 2015, nell’UE 28, il 29,4% dei rifiuti urbani gestiti nei 28 Statimembri è avviato a riciclaggio, il 16,8% a compostaggio e digestioneanaerobica, mentre il 27,5% e il 26,3% sono, rispettivamente,inceneriti e smaltiti in discarica.
Il ricorso alla discarica è ancora preponderante nei nuovi Statimembri (con una media pro capite di 179 kg/abitante per anno),nell’ambito dei quali si segnala Malta, che smaltisce in discarica il92,7% dei rifiuti trattati.
Tra i vecchi Stati membri (caratterizzati da una media di smaltimentoin discarica pro capite di 107 kg/abitante per anno), si segnalanopercentuali di ricorso alla discarica molto contenute (fino all’1,4%) inGermania, Svezia, Belgio, Danimarca e Paesi Bassi.
Per quanto riguarda l’incenerimento (comprensivo del recuperoenergetico), è di gran lunga più diffuso nell’UE 15 (con una media di152 kg/abitante per anno) che nei nuovi Stati (in media 33kg/abitante per anno)
Impieghi della frazione biodegradabile dei rifiuti nel settore Termico
Nel 2016 sono stati trattati in impianti di incenerimento con recuperodi energia 5,4 milioni di tonnellate di rifiuti urbani (-3,2% rispetto al2015), inclusi la frazione secca (FS), il combustibile solido secondario(CSS) ed il bioessiccato ottenuti dal trattamento degli stessi. Il 69%dei rifiuti viene incenerito al Nord, dove è localizzata la maggioranzadegli impianti presenti sul territorio nazionale, l’12% al Centro ed il19% al Sud.
I dati relativi al recupero energetico evidenziano che, nel 2016, tuttigli impianti sul territorio nazionale producono energia; 28 impiantihanno trattato circa 3,8 milioni di tonnellate di rifiuti ed effettuato ilsolo recupero energetico elettrico pari a quasi 2,9 milioni di MWh.
13 impianti, invece, sono dotati di cicli cogenerativi ed hannoincenerito oltre 2,4 milioni di tonnellate di rifiuti con un recupero dienergia termica di circa 2,2 milioni di MWh e quasi 1,7 milioni di MWhdi energia elettrica
I biocarburanti
Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le tecnologie standard per ettaro di coltura:
Canna da zucchero: 7tonnellate
Mais: 3 tonnellate
Barbabietola da zucchero: 4 tonnellate
Patate: 3 tonnellate
Il bioetanolo
Volvo
Mercedes
Il biodiesel
Le materie primenecessarie sono olii vegetali, anche usati, aspetto questo che rende molto interessante l' utilizzo del biodiesel.
La sua produzione è del tutto ecologica, poiché non presuppone la generazione di residui, o scarti di lavorazione. La reazione di transesterificazione prevede la generazione di glicerina quale “sottoprodotto” nobile dall’elevato valore aggiunto, della quale sono noti oltre 800 diversi utilizzi.
L'utilizzo può essere diretto poiché non richiede alcun tipo d’intervento sulla produzione dei sistemi che lo utilizzano (motori e bruciatori).• Nell’autotrazione (motori diesel) sia puro che miscelato con il normale gasolio.• Nel riscaldamento.
Il biodiesel può essere usato dai motori tipo Diesel miscelato con gasolio da idrocarburo o puro.
L’uso diretto degli oli vegetali nei motori è da evitare a causa della loro elevata viscosità e per l’alta percentuale di residui carboniosi.
Vantaggi: emissioni CO2 nulle, ridotte quelle di CO ed HC, basse quelle di SO2, NOx dipende dal carico e dal tipo di motore;è facilmente degradabile;punto di infiammabilità più elevato (facilità di stoccaggio)
Proprietà Gasolio Olio di colza Bioestere
Viscosità a 20°C 5,1 77,8 7,5
Densità [kg/m3] 0,835 0,916 0,88
PCI [MJ/kg] 42,4 37,4 37,6
Numero di cetano > 0,45 44 ÷ 51 52 ÷ 56
Residui carboniosi 0,15 0,25 0,02
Residuo in zolfo 0,005 0,0001 0,002
Impiego di bioliquidi nel settore termico
Energia geotermica o geotermia
Il termine "geotermia" deriva dal greco "gê" e "thermòs" ed il significato letterale è "calore della Terra ".
Tale calore è presente in quantità enorme e praticamente inesauribile. Il calore interno si dissipa con regolarità verso la superficie della terra, la quale emana calore nello spazio quantificabile in una corrente termica media di 0,065 Watt per metro quadrato.
Oltre alla produzione di energia elettrica, a seconda della temperatura del fluido geotermico sono possibili svariati impieghi:acquicoltura (al massimo 38 °C), serricoltura (38 - 80 °C), teleriscaldamento (80 - 100 °C), usi industriali (almeno 150 °C).
Islanda, USA (Yellowstone-Park), New Zeland, Australia, Kenya
Le centrali geo-termoelettriche
Impianti geotermici in funzione ad Orbetello
Consiste nell'usare il fluido geotermico per scaldare direttamente, tramite degli scambiatori di calore, l'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori o pannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.
Impianti geotermici per teleriscaldamento
Schema di impianto di teleriscaldamento tipicamente utilizzato in assenza di acqua calda o vapore
Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usare direttamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).
La fonte geotermica è caratterizzata da una disponibilità pressochécostante nel corso dell’anno; di conseguenza, in confronto agli altriimpianti alimentati da fonti rinnovabili, le prestazioni degli impiantigeotermoelettrici risultano le migliori in termini di producibilità.Nel 2018, in particolare, il 50% degli impianti ha prodotto per almeno7.174 ore equivalenti, un dato inferiore a quello registrato l’annoprecedente (7.378 ore).Le ore di utilizzazione medie, infine, nel 2018 risultano pari a 7.509: sitratta di un valore più basso rispetto a quello rilevato nei 3 anniprecedenti (erano 7.627 nel 2017, 7.720 ore nel 2016, 7.534 ore nel2015).
Impieghi di geotermia nel termico
Nel 2018 l’energia termica complessiva ottenuta in Italia dallosfruttamento dell’energia geotermica ammonta a 6.242 TJ,corrispondenti a circa 149 ktep, in leggera diminuzione rispettoall’anno precedente (si trascurano eventuali differenze tra l’energiaprodotta o estratta e l’energia consumata dall’utenza).
Più in particolare, nel 2018 i consumi diretti risultano pari a 5.364 TJ(86% del totale), 114 TJ in meno rispetto al 2017 (-2,1%). I settoriche utilizzano maggiormente la fonte geotermica per usi termicidiretti sono il commercio e i servizi (61,6%, principalmente per lanotevole diffusione degli stabilimenti termali), seguiti daacquacoltura/itticoltura (26,3%) e dall’agricoltura (10,5%); gli utilizzinell’industria e nel settore residenziale (dai quali sono esclusi gliimpieghi di risorsa geotermica tramite pompe di calore) siconfermano piuttosto modesti.
Ai consumi diretti si aggiungono 878 TJ di calore derivato (circa 21ktep) prodotto da impianti di sola produzione termica; si trattaprincipalmente di impianti di teleriscaldamento localizzati in Toscanae in Emilia Romagna. Non si rilevano impianti cogenerativi alimentatida fonte geotermica.
Impianti di produzione e utilizzo di energia termica da fonte geotermica nel 2018
Teleriscaldamento da fonti geotermiche
Il teleriscaldamento è uno dei modi più interessanti per usaredirettamente i fluidi geotermici a bassa temperatura (80 - 100 °C).Si utilizzano scambiatori di calore che permettono di riscaldarel'acqua circolante nei corpi scaldanti (radiatori, termoconvettori opannelli radianti) dell'impianto di riscaldamento delle abitazioni.Un impianto del genere è quello di Ferrara nel quale si utilizza unpozzo geotermico situato a 2000 metri di profondità, sviluppa unapotenza di 12 MW con i quali vengono riscaldati circa 500.000 m3 dialloggi collegati alla rete.
Il teleriscaldamentoFerrara
GeotermicoPortata complessiva: 400m3/hTemperatura fluido geotermico: 100-105°CTemperatura fluido teleriscaldamento in mandata: 90-95°CTemperatura fluido teleriscaldamento in ritorno: 60-65°CPotenza termica nominale: 14 MWtDisponibilità di utilizzazione: continua
Energia termica fornita:77.490 MWt/anno (il dato è relativo all'anno 2003)
In 22 anni sono stati collegati alla rete degli impianti diCassana oltre 22.000 appartamenti circa.
Uso di RSU (Ferrara)
Capacità nominale dell'impianto di smaltimento: 50.000 t/annoCarico termico nominale della linea di incenerimento: 15,6 Gcal/h (forno a "griglia")Produzione nominale di vapore: 18t/hSistema depurazione fumi: a semiseccoPotenza nominale turboalternatore: 3,3 MWePotenza termica in assetto cogenerativo massimizzato: 6,4 MWtPotenza elettrica in assetto cogenerativo massimizzato: 1,5 MWePotenza elettrica in assetto a tutta condensazione: 2,7 MWe
L'impianto, fin dalla sua realizzazione, è stato dotato di unoscambiatore avente una potenzialità di 8,4 MWt che, nel 1999,venne posto in parallelo al turboalternatore.
Dati principali d'esercizio dell'impianto (anno 2003)
Giorni d'esercizio: 290Rifiuti termovalorizzati: 36.128 tonnellatePotere calorifero medio dei rifiuti: 2.497 kcal/kgEnergia elettrica netta: 6.445,2 MWheEnergia termica prodotta: circa 21.467 MWht
Scorie avviate allo smaltimento:10.278 tonnellate (circa il 28,5% su RSU)
Polveri avviate allo smaltimento:1.408,7 tonnellate (circa il 3,9% su RSU)
Il teleriscaldamentoIl calore viene prodotto in un impianto centrale, ad esempio unacentrale termica a legna o un impianto di incenerimento dei rifiuti odei trucioli di legna, e successivamente distribuito agli utentiattraverso una rete di condutture sotto forma di acqua calda destinataal riscaldamento degli edifici e alla produzione di acqua calda.
Con la cogenerazione è possibile produrre contemporaneamenteenergia elettrica e termica.
un solo camino di emissione controllato in centrale
caldaia dell’impianto alimentata da rifiuti o biomasse
«teleriscaldamento» o «teleraffrescamento»: la distribuzionedi energia termica in forma di vapore, acqua calda o liquidirefrigerati, da una fonte centrale di produzione verso unapluralità di edifici o siti tramite una rete, per il riscaldamentoo il raffreddamento di spazi o di processi di lavorazione
Il teleriscaldamento da biomasse
La cogenerazione è possibile con combustibili rinnovabili quali il biogas o
biomasse in genere.
Un esempio di centrale per cogenerazione a biomasse è a Tirano, in
Valtellina, trattasi di un impianto tra i migliori 5 in Europa, caratterizzato da
un elevato rendimento (80%) grazie alla contemporanea produzione
d’elettricità e calore, totalmente da fonti rinnovabili.
Quindi 8.500.000 kWh per 7000 ab ? kWh /ab
CENTRALE DI TELERISCALDAMENTO A BIOMASSA LIGNA CALORDI LA VILLA IN ALTA BADIALA CENTRALE
La Centrale termica sorge nella zona artigianale di La Villa, concaratteristiche di un edificio industriale.All' interno troviamo la sala con due caldaie a biomassa e una caldaia diemergenza a gasolio, i gruppi di generazione di calore, un locale condue accumulatori di acqua calda e caldaia a olio vegetale, il sistema ditrattamento dei fumi, l'impianto di condensazione, il sistema didistribuzione dell'acqua calda con gruppi di pompaggio, il locale tecnicoe di servizio ove trovano posto i quadri elettrici.
All'esterno è ubicato il deposito di biomassa con il sistema automatico dialimentazione.
Impianto di teleriscaldamento:- 2 caldaie funzionanti a biomassa della capacità di 2,50 MW ciascuna
- 1 bruciatore ad olio vegetale, capacità 8 MW
- 1 bruciatore a gasolio funzionante solo nei casi di malfunzionamentodelle caldaie a legna oppure nelle ore di punta, capacità 3 MW
- 2 accumulatori di acqua calda della capienza di 50.000 litri ciascuno
Impianto fotovoltaico: è stato realizzato nel 2007; è posizionato sullatettoia del deposito del cippato; produzione annuale di oltre 24.000 kWh
Richiesta energetica da parte immobili allacciati: 19.884,0 MWh
Contratti di fornitura sottoscritti: circa 330
LA RETELa rete di teleriscaldamento è suddivisa in due rami principali:- La Villa Bassa che comprende la zona centrale del paese con la zonaBoscdaplan e Cianins
- La Villa Alta con zona Funtanacia, quest'ultima servita da una stazionedi pompaggio sotterranea.
La rete è del tipo diramato a due tubazioni, una per l'andata e una per ilritorno. Il singolo tubo preisolato è costituito dal tubo interno di servizioin acciaio, dalla coibentazione in schiuma poliuretanica e dal tuboesterno in polietilene.
I tubi sono dotati di un sistema d'allarme e di localizzazione guasti. Talesistema elettronico consente di sorvegliare la perfetta tenuta delletubazioni.
La materia prima…. Area a bosco e terre boscate (FAO)
Superfici in ha in Italia(confronto 2005-2015)
Si hanno a disposizione diversi tipi di motori alternativi dual fuel (gas e gasolio)
Cogenerazione (=generazione combinata di energia termica e di energia elettrica) di grossa taglia
Si hanno a disposizione diversi tipi di turbine a gas o vapore
Cogenerazione di grossa taglia
Tubazioni acqua caldaTubazioni acqua calda
Combustibile
100 unitàMacchina produzione energia
Caldaia
Recupero
Generatore
Calore + gas di scarico70 unità
Gas di scarico15 unità
Calore55 unità
Energia elett.30 unità
Carichi
Termici
Carichi
Elettrici
Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%
Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%
Combustibile
100 unitàMacchina produzione energia
Caldaia
Recupero
Generatore
Calore + gas di scarico70 unità
Gas di scarico15 unità
Calore55 unità
Energia elett.30 unità
Carichi
Termici
Carichi
Elettrici
Efficienza recupero termico (55/70) = 78,6%
Efficienza totale ((30+55)/100) = 85,0%
Cogenerazione e teleriscaldamento
Impianto cogenerazione e produzione separataIl confronto
Lo schema di un cogeneratore
LFG CHP for district heating system, Sweden
Centrale di Lunes - Brunico Centrale di La Villa – Alta Badia
Esempi di centralidi cogenerazione
Direttiva 2012/27/UE: Teleriscaldamento/ Teleraffrescamentoefficiente (art. 2)
• 50% energia rinnovabile
• 50% calore di recupero
• 75% calore cogenerato
• almeno 50% combinazione di queste forme di energia
Emerge la necessità di pensare a sistemi integrati in rete
Map showing European cities with DH systems and heat demand for each system (from Halmstad University District Heating & Cooling Database)
Fonte: ENEA
Si può utilizzare il calore prodotto dall’impiantocogenerativo anche come sorgente principale dienergia, in luogo dell’elettricità, per la produzione difreddo tramite sistemi ad assorbimento(chiller ad assorbimento).
Lo schema di un trigeneratore
L’impianto di trigenerazione a servizio del complesso di edificidello IUAV è stato installato sulla copertura dell'ex cotonificiodi Santa Marta.
Una rete di teleriscaldamento permette di distribuire ai varistabili che compongono il complesso il vettore termico per ilriscaldamento.
Il raffrescamento è direttamente a servizio della sede di S.Marta
Potenza elettrica = 238 kWPotenza termica = 363 kW
Assorbitore = 255 kW
ASSORBITORECOGENERATORE
TORRE EVAPORATIVA
… il terrazzo dell’ex cotonificio
Dettaglio del cogeneratoreMotore e alternatore
La rete di distribuzione
Utenze servite
Negli ultimi 5 anni si sono messi a punto cogeneratoridi piccolissime dimensioni 1-5 kWelettrici, da installare insingole abitazioni e di piccole dimensioni per condomini50-100 kWe. Si tratta di turbine, motori alternativi ecelle a combustibile.
La micro-cogenerazione
celle a combustibile 1,5 kWe.
Stirling WhisperGen 5 kWe.
Microturbina Capstone 30 kWe.
Il motore Stirling
La microgenerazione
Abbinare alla produzione di calore la produzione di energia elettrica con ingombri limitati
Utilizzo: gas metano o idrogeno con reforming
Ciclo Stirling
Cogeneratori a fuel cell
La pila a combustibile e' ungeneratore elettrochimico in cui, inlinea di principio, entrano uncombustibile (tipicamente idrogeno)e un ossidante (ossigeno o aria) e dacui si ricavano corrente elettricacontinua, acqua e calore .
Il combustibile (idrogeno) e i gasossidanti (ossigeno datosemplicemente dall'aria) lambisconorispettivamente l'anodo e il catodo(sulle facce opposte a quelle incontatto con l'elettrolito).
I rendimenti delle celle a combustibile vanno dal 40 - 48% per gli impianti con celle a bassa temperatura, fino al 60% per quelli con celle ad alta temperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizza anche il calore da esse prodotto.
L’idrogeno viene inserito all’interno della cella mediante l’anodo,mentre l’ossigeno o aria mediante il catodo.
Favorito da un catalizzatore, all’interno dell’anodo l’atomo diidrogeno si suddivide in un protone ed un elettrone.
La corrente separata costituita dagli elettroni può essereutilizzata prima che ritornino al catodo, per essere unitiall’ossigeno in una molecola di acqua.
Una singola cella produce normalmente circa 0,7 V, quindi perottenere la potenza ed il voltaggio desiderato più celle sonoaffiancate una all’altra e collegate elettricamente fra loro inserie a formare il cosiddetto stack.
A seconda, quindi, della potenza richiesta i generatori sonoottenuti da stack assemblati in moduli.
Per rendimento della cella si intende il rapporto tra i kWhprodotti e kJ termici (riferiti al potere calorifico inferiore delcombustibile) necessari per la produzione.
I valori vanno dal 40 - 48% per gli impianti con celle a bassatemperatura, fino al 60% per quelli con celle ad altatemperatura e giungono addirittura fino al 85% se si utilizzaanche il calore da esse prodotto.
Inoltre, una cella può operare tra il 30 ed il 100% di caricosenza perdite consistenti di efficienza, ma al di sotto del 25%non riesce più ad alimentare il carico.
Emissioni
Il contenuto di CO2 di 1kWh (termico) di metano è circa 200g.
Tipi di tecnologia Fuel cell
Condizioni operative resaPEM 80 ÷ 100 °C; 1 ÷ 8 atm 36÷38 %(proton exchange membrane)
PAFC 150 ÷ 250 °C; 1 ÷ 8 atm 40 %(phosforic acid)
AFC 80 ÷ 250 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷60 %(alcaline)
MCFC 600 ÷ 700 °C; 1 ÷ 10 atm 50÷55 %(Molten Carbonate Fuel Cell)
SOFC 800 ÷ 1000 °C; 10 atm 50÷55 %(Solid Oxide Fuel Cell)
Vantaggi
Alta efficienza: una fuel cell ha un'efficienza molto più alta di un normale motore a combustione interna, in quanto, non risentendo dei limiti di Carnot come tutte le macchine termiche, ha un rendimento che non è limitato dalla massima temperatura raggiungibile. Questo discorso vale anche e soprattutto ai carichi parziali, dove spesso un motore a combustione interna ha difficoltà ad operare alla massima efficienza;
Rapida risposta al carico: una fuel cell ha una risposta rapidissima allevariazioni del carico proprie di un veicolo stradale; inoltre è in grado diautoregolarsi al variare delle richieste di carico, mantenendo sempre la massimaefficienza;
Bassa temperatura operativa: le fuel cells di tipo PEM operano a temperature intorno ai 70°C, molto più basse delle temperature operative dei motori a combustione interna. Questo rende l'impianto e il loro utilizzo sul veicolo molto più semplice;
Trasformazioni energetiche ridotte: una fuel cell opera lo stesso numero di trasformazioni energetiche di un motore a combustione interna, ma con efficienza maggiore, per cui non c'è un decremento di rendimento complessivo dovuto a trasformazioni energetiche aggiuntive
SVANTAGGIIdrogeno: uno degli svantaggi maggiori è nel fatto che l'idrogeno è un gas ancora molto costoso da acquistare, anche se è facile trovare soluzioni economiche di auto-produzione o produzione da fonti rinnovabili; inoltre è un gas potenzialmente pericoloso e necessita di particolari accorgimenti per lo stoccaggio a bordo;
Impurezze: allo stato attuale le fuel cells risentono molto di eventuali impurezze presenti nel combustibile (per la presenza del catalizzatore), per cui è necessario utilizzare idrogeno sufficientemente puro; questo obbliga ad utilizzare idrogeno prodotto da elettrolisi dell'acqua o a depurarlo se prodotto tramite reforming;
Catalizzatore costoso: attualmente il catalizzatore usato agli elettrodi è Platino, che è un metallo molto costoso e costituisce una delle voci di costo principali della fuel cell;
Ghiaccio: per l'umidificazione delle membrane (che resta ancora uno dei punti più critici per il buon funzionamento delle fuel cells) si utilizza acqua pura, eventualmente sfruttando anche quella prodotta al catodo; questo significa che a basse temperature c'è il rischio che si formi del ghiaccio all'interno della cella, danneggiandola;
Impianto a idrogeno (il futuro?)
ciclo combinato alimentato con idrogeno per produrre energia elettrica e calore: sviluppa una potenza di circa 12 MW.
La centrale, che utilizza 1,3 tonnellate di idrogeno all'ora, ha unrendimento elettrico complessivo pari a circa il 42%, è sostanzialmentepriva di emissioni di ogni tipo. L'energia prodotta, pari a circa 60 milionidi chilowattora l'anno, sarà in grado di soddisfare il fabbisogno di 20.000famiglie, evitando di rilasciare in atmosfera di oltre 17.000 tonnellate dianidride carbonica
Centrale a H2 di Porto Marghera
ReferencesA. BortolazziLe energie rinnovabiliHoepli, 2010
J. Tester, E. Drake, M. Driscoll, M. Golay, W. PetersSustainable energyThe MIT Press, 2005