Appunti Tecnologie e Processi per la conversione Energetica delle Biomasse

Tecnologie e processi per la conversione energetica delle biomasse

Francesco Papi

Appunti del corso, anno accademico 2018/19, Università degli Studi di Firenze

Programma 2017/18

Parte 1: La risorsa

• Tipologie di biomasse. Principali componenti della biomassa.
• Colture forestali ed agricole
• Colture energetiche
• Residui agroindustriali e residui agricoli
• Microalghe e macroalghe
• Caratteristiche chimico-fisiche della biomassa solida. Tecniche analitiche per la caratterizzazione dei biocombustibili solidi. Curva termo-gravimetrica Umidità nella biomassa, dry e wet basis.
  • Potere calorifico
  • Contenuto di carbonio e di zolfo
  • Contenuto di ceneri
  • Comportamento ceneri ad alta temperatura

Parte 2: Le tecnologie di pretrattamento

• Essiccaggio: tecnologie, consumi energetici
• La cippatura, vagliatura, trattura Pezzatura
  • Vantaggi
  • Tipi di cippatrici e processi
• Compattazione: pellets e briquettes

Parte 3: Le tecnologie di conversione energetica

• Combustione: tipologie di impianti domestici ed industriali
• Torrefazione della biomassa.
• Pirolisi della biomassa: pirolisi lenta, intermedia e veloce. Prodotti della pirolisi. Configurazioni impiantistiche
• Gassificazione di biomassa. Processi, tecnologie ed impianti.
• Digestione anaerobica e produzione di biogas. Materie prime, caratteristiche del biogas.
• Utilizzo di biogas per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione
• Utilizzo di olii di pirolisi per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione
• Utilizzo di gas di gassificazione per la generazione di energia elettrica e la cogenerazione

Parte 4: I biocarburanti

• Richiami di chimica organica. I combustibili
• Biocombustibili liquidi per trasporti. Introduzione ai biocarburanti di prima e seconda generazione (advanced biofuels).
• Biocarburanti di prima generazione. Olio vegetale puro: materie prime, processi ed impianti.
• Biocarburanti di prima generazione. Biodiesel: materie prime, processi ed impianti.
• Biocarburanti di prima generazione. Bioetanolo: materie prime, processi ed impianti.
• Biocarburanti di seconda generazione. Biocarburanti di sintesi (BTL) e Bioetanolo da lignocellulosico: materie prime, processi ed impianti.
• Microalghe. Tecnologie di coltivazione e di biomasse algali tramite fotobioreattori e vasche aperte.
• Utilizzo di biocarburanti in motori
• La chimica verde

Caratterizzazione della biomassa

La biomassa può esser classificata in base al suo uso finale in ambito energetico:

• Biomassa ligno-cellulosica: L’intera biomassa viene utilizzata o in processi di combustione o altri processi di tipo termico. Rientrano in questo gruppo il sorgo, miscanto e colture di tipo forestale quali salice, eucalipto etc.
• Biomassa oleaginosa: Dal seme di queste colture si estrae olio vegetale che viene utilizzato tal quale o successivamente ad un processo di trans-esterificazione in apparati di produzione energetica. L’olio estratto dalla biomassa oleaginosa è di due tipi, acido linoleico ed acido oleico. L’acido linoleico è un acido grasso insaturo con due o più doppi legami, l’acido oleico è invece un acido insaturo con un solo doppio legame. All’interno di ogni specie vi è inoltre un certo numero di varietà di cultivar, ogni cultivar produce olio con diverse percentuali di acido oleico e linoleico. Un olio alto oleico contiene un’ elevata quantità di acido oleico, ha un alto numero di cetano, che facilita le partenze a freddo, e il basso numero di iodio lo rende stabile e poco propenso a formare gomme e cere. L’olio di palma è costituito oltre che da acido linoleico (10%), da acido oleico (38%) e da acido palmitico (50%). Il Crude Palm Oil (CPO) è solido a temperatura ambiente e deve essere estratto utilizzando vapore.
• Biomassa alcolaginosa: La biomassa, caratterizzata dall’elevato contenuto di zuccheri, viene sottoposta a fermentazione per ottenere etanolo. La canna da zucchero costituisce il 75% della produzione mondiale di zuccheri e si adatta meglio a climi tropicali. La barbabietola da zucchero costituisce il 25% della produzione ed è invece più adatta ai climi temperati. L’alcol può essere estratto anche dagli amidi, pertanto oltre alla barbabietola da zucchero e canna da zucchero per produrre etanolo è possibile utilizzare anche mais o patata. Il mais è inoltre la biomassa migliore per produrre biometano e si sta diffondendo il suo utilizzo nei digestori anaerobici.

In generale la biomassa è composta da:

• Fibre: Lignina, cellulosa ed hemicellulosa
• Acqua: L’umidità può essere chimicamente legata alle fibre della biomassa (Umidità Adsorbita) oppure intrappolata nei pori della biomassa stessa (Umidità Assorbita) per differenziale di pressione osmotica. Il meccanismo che lega l’umidità alle fibre legnose è di tipo chimico: le molecole di acqua sono polari e la superficie del legno è carica negativamente.
• Ceneri: Il contenuto di materiale non carbonioso che non partecipa ad una reazione di combustione varia tra il 2 e il 12% a seconda della biomassa trattata.
• Estrattivi e volatili: Su base secca il potere calorifico è circa lo stesso per tutti i tipi di biomassa.

Biomass Drying

Una biomassa con basso contenuto di umidità presenta diversi vantaggi: la temperatura di fiamma cresce al diminuire dell’umidità contenuta nella biomassa. Questo è anche causa di un miglior trasferimento di calore. La caldaia può quindi essere di dimensioni minori. Inoltre la combustione è più efficiente e i livelli di monossido di carbonio scendono. D’altra parte all’aumentare della temperatura di fiamma la qualità del materiale impiegato deve aumentare assieme al suo costo. Materiale legnoso con il 50% di umidità ha una temperatura di fiamma di circa 980 °C, legno completamente asciutto ha una temperatura di fiamma attorno a 1260-1370°C.

Il contenuto di umidità nella biomassa può essere quantificato in due modi:

    100( )  % = ( ) + ( ) 
    100( )  % = ( )

Alcuni valori tipici possono essere: legno appena tagliato 50% wb, legno dopo un anno di stagionatura 35%wb, miscanto dopo la raccolta 25%wb, segatura e paglia 20% wb.

I processi di rimozione dell’umidità sono classificabili:

• Dewatering: Rimozione dell’acqua in forma liquida. Tra questo tipo di processi sono comuni operazioni di stagionatura all’aria aperta, centrifugatura o spremitura meccanica. Le lesioni meccaniche sulla biomassa possono disturbare le pareti cellulari causando una perdita di carbonio che si riflette su un leggero decremento del potere calorifico. Dewatering tramite spremitura meccanica riduce il contenuto di umidità fino ad un minimo di circa il 50% wb. La tecnologia è adatta quindi a biomassa molto umida.
• Drying: Rimozione dell’acqua in forma gassosa. Tecnologie comuni sono Open air solar drying; circolazione forzata di aria in ambiente riscaldato da energia solare è un processo poco costoso ma anche molto lento. L’asciugatura può avvenire alternativamente ad opera di correnti calde, preferibilmente calore di scarto come gas combusti.

A seconda della tecnologia utilizzata per la conversione energetica della biomassa sono tollerati vari livelli di umidità. Un combustore a griglia accetta fino al 60%wb, un pirolizzatore a letto fluido fino ad un massimo del 15%. La tecnologia utilizzata influenza la filiera che deve esser prevista, nonché la tipologia di biomassa che si può usare come materia prima. Ci si concentrerà sull’analisi dell’asciugatura evaporativa:

Come si può vedere in figura la biomassa attraversa 3 fasi durante il processo:

• A-B la biomassa si riscalda progressivamente e l’acqua sulla superficie della biomassa inizia ad evaporare
• B-C constant rate period: la temperatura e il drying rate restano costanti. L’umidità asportata per evaporazione viene costantemente rimpiazzata da umidità che dall’interno della biomassa in asciugatura viene portata verso l’esterno.
• C-D falling rate period: l’umidità che dal centro del pezzo di biomassa raggiunge la superficie non è più in grado di rimpiazzare l’umidità che viene persa per asciugatura, il passo tende quindi a scaldarsi e la velocità con cui l’umidità viene persa diminuisce.

Il mezzo che asciuga la biomassa può essere una miscela di gas di scarico ed aria, soltanto aria o in alcuni casi anche vapore surriscaldato. La biomassa è igroscopica, se mantenuta dunque in contatto con aria a contenuto di umidità costante il materiale riterra un certo contenuto di umidità. Per materiale legnoso il contenuto di equilibrio varia tra il 12 e il 25% in wb a seconda della zona. Se la biomassa viene asciugata oltre tale limite, se esposta all’aria tenderà a riassorbire umidità fino ad arrivare in condizioni di equilibrio.

Se la temperatura della biomassa supera i 100°C vengono perse volatili leggere causa del caratteristico blue haze. A temperature maggiori di 200°C si hanno perdite significative di componenti volatili.

Dryer Efficiency

Il calore fornito non viene tutto impiegato per l’evaporazione della biomassa. In parte infatti questo viene perso come calore sensibile nella biomassa e nei fumi in uscita e in parte perso attraverso le pareti dell’asciugatore.

Tecnologie

Asciugatoi possono essere di tipo batch in cui aria calda è pompata dal basso, costretta ad attraversare la biomassa e raccolta carica di umidità dall’alto dell’asciugatoio, oppure di tipo continuo. Nel secondo caso esistono varie tecnologie:

• Aria calda attraversa uno strato di biomassa trasportato da una grata. Asciugatoi di questo tipo possono comprendere anche più passaggi. L’aria calda in questo caso passa più volte attraverso la biomassa asciugandola in modo migliore. Le velocità dell’aria sono generalmente mantenute abbastanza basse in modo da limitare le emissioni di particolato.
• Asciugatoi a tamburo rotante: la biomassa attraversa un tamburo dotato di sporgenze adatte a rimescolare la biomassa. Il tamburo è leggermente inclinato in modo che la biomassa in ingresso avanzi dall’alto verso il basso. L’aria calda è immessa dal basso in controcorrente con la biomassa. Lo scambio di calore non è tuttavia molto efficiente e sono richiesti quindi alti volumi di gas.
• Asciugatoi a letto fluido: molto efficienti, tuttavia la biomassa in ingresso deve avere pezzatura uniforme e i consumi elettrici possono talvolta essere rilevanti. Sono state sviluppate anche applicazioni di letti fluidi a vapore surriscaldato.

Svantaggi

Gli svantaggi connessi all’asciugatura per via termica stanno nelle emissioni causate dalla componente volatile che può esser talvolta parzialmente persa e dai rischi di sicurezza. La componente volatile inquinante è mal tollerata dalle normative antinquinamento di alcuni paesi ed è difficile da separare con scrubber convenzionali ma richiede filtri ESP. Le emissioni di particolato possono esser facilmente abbattute con filtri o cicloni. I rischi di sicurezza sono legati all’infiammabilità della biomassa in ambiente caldo e secco. Tuttavia tali rischi sono generalmente abbastanza limitati e diventano significativi solo se il contenuto di ossigeno eccede l’8% e le temperature eccedono i 250°C.

Altre tecnologie

La stagionatura è un metodo di essiccaggio lento ed economico. Il contenuto finale di umidità dipende molto dalle condizioni climatiche locali. Inoltre anche il periodo in cui avviene il taglio influenza l’umidità contenuta nel legno. La stagionatura può essere velocizzata tramite convezione forzata o riscaldamento dell’aria. Va prestato un occhio di riguardo ai consumi che tali apparati possono avere in quanto l’impatto sulla filiera potrebbe essere rilevante. Esistono asciugatori a microonde che riscaldano la biomassa dall’interno e permettono una asciugatura uniforme in tempi molto rapidi. Sono tuttavia molto costosi e scarsamente impiegati.

Biomass Chipping

La cippatura consiste nello sminuzzamento della biomassa legnosa in pezzi di dimensioni che vanno dai 2 a 5 cm di altezza, una larghezza di 2cm al massimo e uno spessore di qualche millimetro. La cippatura consente di aumentare di molto il rapporto superficie volume della biomassa, favorendo reazioni chimiche come la combustione. Permette inoltre una più facile movimentazione della stessa in quanto il cippato può esser facilmente trasferito da un deposito all’altro per “fluidizzazione”.

La cippatura rende inoltre possibile l’utilizzo su scala industriale di ramaglie, con un incremento di biomassa anche del 15-30% in massa rispetto all’utilizzo del solo fusto della pianta. Viene incrementata inoltre anche la Bulk Density, permettendo un notevole risparmio sui costi di trasporto. Vi sono tuttavia anche degli svantaggi associati alla cippatura; con l’incremento del rapporto area-volume incrementa anche la propensione della biomassa ad essere attaccata da microrganismi. Se il contenuto di umidità è elevato questo si può tradurre in una perdita in massa di anche il 2-4% al mese. È inoltre difficile ottenere cippato di pezzatura uniforme e il processo di cippatura richiede investimenti in macchinari. Il costo del processo di cippatura può andare da 5 a 20 €/tonn.

Tecnologie

Le cippatrici in commercio sono essenzialmente di due tipi:

• Cippatrici fisse: grandi macchine industriali che non possono essere spostate. Adatte al trattamento di grandissimi volumi a basso costo. La qualità del cippato viene spesso sacrificata in nome di volumi di produzione maggiori e costi più bassi. Se questa soluzione è disponibile nell’area operativa è quasi sempre la più conveniente.
• Cippatrici mobili: Quando la soluzione precedente non è praticabile si ricorre ad apparati mobili che possono esser trasportati direttamente sul luogo del taglio della pianta. Vi sono vari tipi di cippatrice mobile:
  • Tractor-mounted: Con una presa di forza queste macchine vengono alimentate direttamente dal trattore che le trasporta. Sono la soluzione più piccola ed economica e sono adatte a trattare piccoli volumi.
  • Towed: La cippatrice viene trascinata dal trattore. È però dotata di motore indipendente. I volumi trattati sono generalmente più elevati. Adatta ad applicazioni industriali.
  • Self-Propelled: La cippatrice è dotata di sistema di movimentazione indipendente.

Le cippatrici mobili degli ultimi due tipi possono esser dotate anche di apparato di caricamento del cippato. Il costo di una cippatrice dotata di braccio di caricamento e cabina per l’operatore è inferiore rispetto all’acquisto separato dei due apparecchi (tre nel caso in cui si debba acquistare anche il trattore per trainare la cippatrice), tuttavia la versatilità di questi apparecchi è ovviamente molto limitata. Le cippatrici stazionarie sono nella quasi totalità dei casi a tamburo. Un tamburo dotato di lame aggredisce frontalmente il tronco e lo taglia in scaglie. Possono essere equipaggiate con delle griglie che impediscono lo scarico dei pezzi troppo grossi che vengono nuovamente sminuzzati dalle lame del tagliente. Questa operazione può ridurre la produttività del cippatrice fino al 25%.

In applicazioni mobili sono comuni le cippatrici a disco. In queste cippatrici si ha un disco con 4-5 lame e corrispondenti intagli. Il tronco viene spinto a contatto con la superficie del disco dove le lame lo aggrediscono. Il cippato passa quindi attraverso i tagli nella superficie del disco. Dalla parte opposta rispetto al tagliente sono spesso poste delle palette trascinate dal disco stesso che provvedono alla fluidizzazione del cippato. Sono poste da questo lato del disco anche lame che provvedono a tagliare ulteriormente i pezzi di dimensioni elevate.

Il cippato

La qualità del cippato è funzione della tecnologia, del legno che si va a cippare, del tipo di biomassa che si cippa (fusto o ramaglie) e del contenuto di umidità della biomassa. Una biomassa secca produce un cippato di scarsa qualità in quanto il legno è fragile e tende a rompersi in grandi pezzi. D’altra parte cippare un legno troppo umido può esser causa della sua degradazione come discusso in precedenza.

L’usura delle lame è un altro fattore da tenere in considerazione in quanto lame usurate tendono a frantumare la biomassa più che tagliarla e sono causa di diminuzione di qualità del cippato che tende ad essere in pezzature troppo grandi e troppo piccole e fortemente disomogeneo. A seconda del tipo di legno che si va a cippare il tagliente dovrà esser sostituito ogni 100-300 t di cippato.

Spesso la biomassa viene sottoposta ad asciugatura almeno parziale prima di essere cippata per limitare questi problemi.