Valorizzazione energetica di biomassa in un impianto a celle a combustibile

Il presente lavoro, invece, ha come obiettivo quello di valutare la 
fattibilità di alimentare un sistema di produzione di energia elettrica quale 
la cella a combustibile, con un gas prodotto a partire da una biomassa 
forestale, tramite un gassificatore a letto fluido ricircolato. 
Inoltre la tesi tratterà argomenti inerenti gli impianti di 
valorizzazione delle biomasse  e la scelta del sito adatto alla localizzazione 
di un impianto di questo genere. 
Il primo capitolo è di carattere introduttivo, e dopo aver introdotto il 
concetto di biomassa, si occuperà di analizzare il settore energetico in 
Italia, la sua legislazione, e i fattori che contribuiscono alla possibilità di 
installazione di un impianto per la valorizzazione energetica delle biomasse 
in relazione al contesto geografico. 
Il secondo capitolo è più di carattere tecnico, e offre una 
panoramica delle tecnologie di valorizzazione della biomassa attualmente 
disponibili. Inoltre prende in considerazione alcuni esempi di impianti già 
esistenti, basati su diverse tecnologie. 
Nel terzo capitolo si passa invece alla descrizione di un ipotetico 
impianto, che viene simulato al calcolatore, tramite l’utilizzo di un 
programma di simulazione chiamato ASPEN PLUS ®, e di un programma 
scritto in linguaggio FORTRAN (MCFC-D3S ©), e si valuteranno le 
prestazioni ottenibili dall’impianto. 
L’ultimo capitolo è quello conclusivo, dove vengono riportate alcune 
valutazioni circa i risultati ottenuti.  
  
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1 LA BIOMASSA COME FONTE DI ENERGIA 
RINNOVABILE 
 
1.1 Concetto di biomassa per la produzione di 
energia 
 
Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, 
di natura estremamente eterogenea. In forma generale, si può dire che è 
biomassa tutto ciò che ha matrice organica, con esclusione delle plastiche 
e dei materiali fossili, che esulano dall’argomento in questione. Le più 
importanti tipologie di biomassa sono residui forestali, scarti dell’industria 
di trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.), scarti delle aziende 
zootecniche, gli scarti mercatali ed i rifiuti solidi urbani. Le principali 
applicazioni della biomassa sono: produzione di energia (biopower), sintesi 
di carburanti (biofuels) e sintesi di prodotti (bioproducts).  
La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo 
dell’energia solare. Questa, infatti, consente alle piante, durante la loro 
crescita, di convertire la CO2 atmosferica in materia organica, tramite il 
processo di fotosintesi. In questo modo vengono fissate complessivamente 
circa 2·10
11
 t di carbonio all’anno, con un contenuto energetico dell’ordine 
di 7·10
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 Mtep. La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti 
quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come 
combustibili oppure trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) 
di più facile utilizzo negli impianti di conversione. Altre forme di biomassa 
possono, inoltre, essere costituite dai residui delle coltivazioni destinate 
all’alimentazione umana o animale (paglia) o piante espressamente 
coltivate per scopi energetici.  
La combustione e in generale l’uso della biomassa a fini energetici è 
considerato “pulito”, in quanto si considera uguale a zero l’emissione netta 
di CO
2
  nell’atmosfera: è generalmente valida l’assunzione per la quale 
 7
tutto il carbonio inorganico prodotto con la combustione, venga poi fissato 
in carbonio organico tramite la fotosintesi durante il riformarsi della 
biomassa. Essa deve infatti  essere rinnovata,  per avere un effettivo 
bilancio del carbonio in parità e poter assumere pari a zero l’emissione 
netta.  
 
Le tecnologie del biopower convertono i combustibili rinnovabili 
della biomassa in calore ed elettricità usando apparecchiature simili a 
quelle usate con combustibili fossili. Negli Stati Uniti la biomassa 
rappresenta la seconda fonte di energia rinnovabile, dopo quella 
idroelettrica, per produrre elettricità. Una vantaggiosa caratteristica della 
biomassa è la sua disponibilità rispetto alla domanda, ed il fatto che essa è 
in grado di conservare intatta la sua energia fino al suo utilizzo. Ancora 
oggi nei paesi in via di sviluppo, la biomassa viene utilizzata per cucinare e 
per usi individuali; attualmente le tecnologie hanno raggiunto un tale 
sviluppo che  è possibile generare elettricità e calore per soddisfare i 
fabbisogni energetici di piccoli villaggi ma anche di una piccola città. 
Ad oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici 
primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno). L’utilizzo 
di tale fonte mostra, però, un forte grado di disomogeneità fra i vari Paesi. 
I Paesi in Via di Sviluppo, nel complesso, ricavano mediamente il 38% 
della propria energia dalle biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 
Mtep/anno), ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del 
fabbisogno energetico totale, mediante la combustione di legno, paglia e 
rifiuti animali.  
Nei Paesi Industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono 
appena per il 3% agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156 
Mtep/anno). In particolare, gli USA ricavano il 3,2% della propria energia 
dalle biomasse, equivalente a 3,2 milioni di TJ/anno (70 Mtep/anno); 
l’Europa, complessivamente, il 3,5%, corrispondenti a circa 40 Mtep/anno, 
con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria, l’Italia, 
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con il 2% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della 
media europea.  
L’impiego delle biomasse in Europa soddisfa, dunque, una quota 
piuttosto marginale dei consumi di energia primaria, ma il reale potenziale 
energetico di tale fonte non è ancora pienamente sfruttato. 
All’avanguardia, nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, 
sono i Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di 
cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse. La Francia, che 
ha la più vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla 
produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come combustibile 
ha adottato una politica di completa defiscalizzazione. La Gran Bretagna 
invece, ha sviluppato una produzione trascurabile di biocombustibili, 
ritenuti allo stato attuale antieconomici, e si è dedicata in particolare allo 
sviluppo di un vasto ed efficiente sistema di recupero del biogas dalle 
discariche, sia per usi termici che elettrici. La Svezia e l’Austria, che 
contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno 
continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per 
teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo 
(salice, pioppo) che hanno rese 3÷4 volte superiori alla media come 
fornitura di materia prima. Nel quadro europeo dell’utilizzo energetico delle 
biomasse, l’Italia si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante 
l’elevato potenziale di cui dispone, che risulta non inferiore ai 27 Mtep. 
 9
1.2 Il settore elettricità in Italia 
 
1.2.1 Fonti di approvvigionamento 
 
L'Italia, come sistema fisico nazionale comprendente le proprie 
centrali e le proprie stazioni di pompaggio ha consumato nel 2005 circa 
352.800 GWh di energia elettrica, con un incremento dell'1,11% rispetto 
all'anno precedente. Tale dato è il cosiddetto "consumo nazionale lordo" e 
indica l´energia di cui ha bisogno il Paese tutto per far funzionare qualsiasi 
impianto o mezzo che abbisogni di energia elettrica. Tale dato è ricavato 
come somma dei valori indicati ai morsetti dei generatori elettrici di ogni 
singolo impianto di produzione. Tale misura è effettuata prima di un 
eventuale detrazione di energia per alimentare le stazioni di pompaggio. 
Se si escludono i cosiddetti autoconsumi delle centrali e l'energia 
elettrica per immagazzinare energia durante la notte attraverso le stazioni 
di pompaggio, abbiamo un "consumo nazionale netto" o "richiesta 
nazionale", che nel 2005 è stato di 330.000 GWh circa. 
L'Italia ha quindi bisogno mediamente di 40,3 GW di potenza 
elettrica lorda istantanea (37,7 GW di potenza elettrica netta istantanea). 
Tali valori oscillano tra la notte e il giorno da 28 a 50 GW, con punte 
minime e massime rispettivamente di 21 e 56 GW. Il dato di "consumo 
nazionale lordo" contiene una percentuale pari al 13,9% di energia 
importata dall'estero (ovvero, al netto delle esigue esportazioni, circa 
49.000 GWh annui nel 2005). 
Il fabbisogno nazionale di energia elettrica viene coperto per il 
71,7% attraverso centrali termoelettriche che bruciano principalmente 
combustibili fossili in gran parte importati dall'estero (piccole percentuali - 
inferiori al 2% - fanno riferimento a biomassa, rifiuti industriali o civili e 
combustibile nazionale). Un altro 14,3% viene ottenuto da fonti rinnovabili 
(idroelettrica, geotermica, eolica e fotovoltaica) per un totale di energia 
 10
elettrica prodotta dall'Italia di circa 303000 GWh annui (2004). La 
rimanente parte per coprire il fabbisogno nazionale é importata 
direttamente all'estero nella percentuale già citata del 13,9%. 
1.2.2 Energie non rinnovabili 
 
Fig 1.1 Variazioni percentuali fonti di energia non rinnovabile in Italia. Elaborazione da 
dati pubblicati da Terna 
 
L'Italia non dispone di consistenti riserve di combustibili fossili e 
quindi la quasi totalità della materia prima utilizzata viene importata 
dall'estero. 
Secondo le statistiche di Terna, società che dal 2005 gestisce la 
rete di trasmissione nazionale, la maggior parte delle centrali 
termoelettriche italiane sono alimentate a gas naturale (59,2% del totale 
termoelettrico nel 2005), carbone (17,3%) e derivati petroliferi (14,2%). 
Percentuali minori (circa il 2,3%) fanno riferimento a gas derivati (gas di 
acciaieria, di altoforno, di cokeria, di raffineria) e a un generico paniere di 
"altri combustibili" (circa il 7%) in cui sono comprese diverse fonti 
combustibili "minori", sia fossili che rinnovabili (biomassa, rifiuti, coke di 
petrolio, bitume e altri). 
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È da notare come le percentuali relative ai tre principali combustibili 
siano cambiate radicalmente in pochissimi anni (1996-2005); solo nel 
1996, gas naturale, carbone e petrolio pesavano rispettivamente il 25%, 
l'11% e il 59%. Si può notare come, accanto ad un discreto aumento 
dell'utilizzo del carbone, ci sia stata una radicale inversione dell'importanza 
relativa tra petrolio e gas naturale, il cui utilizzo è cresciuto fortemente sia 
in termini assoluti che percentuali.  
Oggi gran parte delle centrali termoelettriche vengono concepite in 
maniera di poter utilizzare più combustibili, in maniera da poter variare in 
tempi relativamente rapidi la fonte combustibile. 
Tale politica è conseguita da considerazioni circa il costo, la 
volatilità dei prezzi e la provenienza da regioni politicamente instabili del 
petrolio; non deve inoltre essere trascurato il minor impatto ambientale 
del gas rispetto al petrolio, soprattutto alla luce dei dettami del Protocollo 
di Kyoto. 
Attualmente l'Italia figura tra i maggiori importatori mondiali di gas 
naturale, proveniente principalmente dalla Russia e dall'Algeria; un 
ulteriore gasdotto sottomarino (Greenstream) dovrebbe in futuro far 
crescere sensibilmente la quota di gas importata dalla Libia. 
Nonostante ciò, l'Italia rimane ancora oggi tra i paesi europei 
maggiormente dipendenti dal petrolio per la produzione di energia 
elettrica. 
 12
 1.2.3 Energie rinnovabili 
 
 
Fig 1.2 Variazioni percentuali fonti di energia rinnovabile in Italia. Elaborazione da dati 
pubblicati da GSE / Terna 
 
La maggior parte dell'energia elettrica prodotta in Italia con fonti 
rinnovabili deriva dalle fonti rinnovabili cosiddette "classiche". Le centrali 
idroelettriche (localizzate principalmente nell'arco alpino e in alcune zone 
appenniniche) producono il 12,2% del fabbisogno energetico; le centrali 
geotermoelettriche (Toscana) producono l'1,5% della potenza elettrica 
mentre le "nuove" fonti rinnovabili come l'eolico (con parchi eolici diffusi 
principalmente in Sardegna e nell'Appennino meridionale), sebbene in 
crescita, producono ancora circa lo 0,7% della potenza elettrica richiesta. 
Percentuali ancora minori vengono prodotte con il solare in impianti 
connessi in rete o isolati (circa 31 GWh nel 2005, pari a meno dello 0,01% 
del totale, considerando anche il contributo del programma "Tetti 
fotovoltaici"). 
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Infine, negli ultimi anni è diventata sempre più importante la quota 
di energia elettrica generata in centrali termoelettriche o termovalorizzatori 
dalla combustione di biomasse, rifiuti industriali o urbani. Tale fonte 
(sicuramente "rinnovabile" anche se non "pulita", e generalmente 
compresa nel computo generale delle "termoelettriche"), è quella che ha 
avuto i ratei di crescita più alti negli ultimi anni, passando da una 
produzione quasi nulla nel 1992, fino a superare la quota 
geotermoelettrica nel 2004, per giungere all'1,7% del fabbisogno 
energetico. 
In conclusione, considerando tutti i contributi, la quota 
"rinnovabile" italiana giunge fino al 16,4% della produzione totale 
nazionale e al 15,1% dell'energia elettrica richiesta. 
 
1.2.4 Importazione 
 
L'Italia è il secondo paese al mondo per importazione di energia 
elettrica. L'Italia importa una quantità di potenza elettrica media che può 
andare da un minimo di meno di 4000 megawatt (fase notturna, mese di 
agosto) fino ad un massimo di circa 7500 megawatt (fase diurna, mesi 
invernali), per un totale di circa 40000 GWh all'anno. 
L'importazione non è sempre proporzionale alla richiesta, cosicché il 
fabbisogno energetico italiano viene sostenuto da corrente prodotta 
all'estero per un'aliquota che può oscillare tra meno del 10% in fase 
diurna fino a punte massime del 25% durante la notte. Tale importazione 
avviene da quasi tutti i paesi confinanti, anche se l'aliquota maggiore è 
quella proveniente dalla Francia e, a seguire, dalla Svizzera. 
Buona parte di questa energia (in particolare gran parte di quella 
"francese") viene prodotta con centrali nucleari. In effetti l'importazione 
notturna è percentualmente molto più importante di quella diurna proprio 
a causa della natura della produzione elettrica con questo tipo di centrali; 
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queste infatti funzionano al meglio in regime costante e quindi l'energia 
prodotta durante la notte viene praticamente "svenduta" a basso costo. 
Ciò consente di fermare in Italia durante la notte le centrali meno efficienti 
e di attivare le stazioni di pompaggio idriche che servono per 
immagazzinare l’energia sotto forma di energia potenziale dell’acqua, che 
può poi venire convenientemente sfruttata quando si ha più richiesta 
(segnatamente durante il giorno). Questo meccanismo ha reso 
"conveniente" l'importazione di energia dall'estero, da cui il grande 
sviluppo del commercio di energia negli ultimi anni. 
 
1.2.5 Costo 
 
Il risultato della eterogeneità di fonti italiane è che comunque la 
corrente elettrica in Italia costa circa il 60% in più che nel resto d'Europa. 
Costa ad esempio il doppio di quella prodotta in Francia (con una forte 
componente di energia nucleare) e il triplo di quella prodotta in Svezia in 
gran parte idroelettrico). Un costo così elevato è dovuto ad un mix di 
centrali elettriche ancora sbilanciato verso l'utilizzo di risorse pregiate e 
costose (come il petrolio) o comunque di provenienza estera (come il gas 
naturale), nonché alla resistenza verso l'uso di fonti considerate ad alto 
impatto ambientale come il nucleare, il carbone o la termovalorizzazione. 
 
1.2.6 Dipendenza 
 
Considerando sia i combustibili che l'energia elettrica importata, 
l'Italia dipende dall'estero per quasi l'84% della propria energia elettrica. 
Questo genera un settore produttivo instabile, soggetto in particolare a 
forti variazioni del costo per chilowatt a causa delle variazioni del costo del 
combustibile (petrolio e gas naturale). Ovviamente ciò è un notevole 
pericolo per il Paese; un'improvvisa penuria del combustibile o un 
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improvviso aumento dei prezzi potrebbe rendere problematica la 
produzione di energia elettrica paralizzando il Paese. 
 
1.2.7 Storia della produzione di energia elettrica in 
Italia 
 
 
Fig 1.3 Riepilogo storico variazioni percentuali fonti di energia in Italia. Elaborazione da 
dati pubblicati da Terna 
 
1.2.7.1 Gli inizi 
I primi impianti di generazione elettrica italiani (sul finire del XIX 
secolo) furono centrali termoelettriche a carbone situate all'interno delle 
grandi città. La prima centrale in assoluto fu costruita appunto a Milano. 
In seguito, lo sviluppo della rete di trasmissione nazionale permise 
lo sfruttamento del grande bacino idroelettrico costituito dalle Alpi, e 
grazie all'energia idroelettrica (unica fonte nazionale e a buon mercato) fu 
possibile un primo timido sviluppo industriale italiano. Le caratteristiche 
della risorsa idroelettrica diedero anche per un certo periodo l'illusione che 
l'Italia potesse essere indefinitamente autosufficiente dal punto di vista 
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energetico (sovente anche con eccessi retorici sul "carbone bianco delle 
Alpi"). 
Inoltre, nel 1904, veniva costruita a Larderello la prima centrale 
geotermoelettrica del mondo. Tale fonte continua a dare il suo contributo 
anche oggi, sebbene, a causa della limitatezza delle aree interessate, tale 
contributo non abbia mai superato l'8% della richiesta nazionale. 
Dopo la seconda guerra mondiale apparve chiaro che la risorsa 
idroelettrica non poteva più tenere il passo con le richieste 
dell'industrializzazione e quindi l'Italia dovette sempre più affidarsi a nuove 
centrali termoelettriche.  
Il potenziale idrolelettrico fu quasi completamente sfruttato negli 
anni 50 finché, anche a causa di enormi disastri ambientali (come la strage 
del Vajont), non fu del tutto abbandonata la costruzione di nuove centrali 
di questo tipo. 
 
1.2.7.2 La nazionalizzazione e la crisi petrolifera 
Fin dall'inizio della sua storia, la produzione dell'energia elettrica in 
Italia era sempre stata affidata all'impresa privata (ove si escludano alcuni 
tentativi parziali di controllo statale nel periodo fascista); il 27 novembre 
1962 la Camera approvava il disegno di legge sulla nazionalizzazione del 
sistema elettrico e l'istituzione dell'ENEL (Ente Nazionale per l'Energia 
Elettrica), cui venivano demandate "tutte le attività di produzione, 
importazione ed esportazione, trasporto, trasformazione, distribuzione e 
vendita dell'energia elettrica da qualsiasi fonte prodotta". In base a ciò 
anche produttori "storici" (come "SIP" - Società Idroelettrica Piemonte, 
"Edison", "SADE", SME) dovevano vendere le loro attività al nuovo 
soggetto; venivano esclusi dal provvedimento solo gli autoproduttori e le 
aziende municipalizzate cui rimasero comunque quote marginali del 
mercato. In definitiva, l'ENEL si trovò ad assorbire le attività di oltre 1000 
aziende elettriche. 
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