Progetto Ente Foreste Sardegna – Biomasse

 

Titolo progetto: Utilizzo di biomasse forestali per la cogenerazione diffusa
Soggetto finanziatore: Ente Foreste della Sardegna
Importo finanziato: € 35.000
Soggetti partner: Ente Foreste della Sardegna, Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali –(Università degli Studi di Cagliari), Sartec S.p.A.
Durata: novembre 2011 – maggio 2015
Partecipanti al progetto: Ing. Emanuela Melis (assegnista si ricerca), Ing. Laura Fais (borsista), Dr. Dianshi Feng (borsista), Dott. Andrea Vincis (borsista)

 

1. Introduzione
Il progetto di ricerca “Utilizzo di biomasse forestali per la cogenerazione diffusa”, finanziato da Ente Foreste della Sardegna, è stato sviluppato nell’ambito di una convenzione di durata triennale col Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali dell’Università di Cagliari e Sartec S.p.A.. Il progetto si è avvalso della collaborazione del Laboratorio Biocombustibili e Biomasse di Sardegna Ricerche.
Il progetto in questione ha avuto, come obiettivo primario, l’individuazione delle migliori soluzioni tecnologiche ed economiche per lo sfruttamento energetico di biomasse forestali locali, grazie all’installazione di un impianto di conversione energetica. La biomassa forestale, se prelevata nel rispetto dei principi della gestione forestale sostenibile, può, infatti, rappresentare un’importante fonte di energia rinnovabile e a minore impatto ambientale rispetto ai combustibili fossili. Il progetto di ricerca, pertanto, ha voluto produrre importanti risultati nell’ambito della produzione e gestione energetica locale, preservando al contempo la naturalità delle aree forestali.
Lo sviluppo della ricerca ha previsto le seguenti fasi:

  • la stima della biomassa forestale ritraibile per usi energetici;
  • la caratterizzazione chimico-fisica di campioni di biomassa forestale;
  • la quantificazione dei fabbisogni di energia termica ed elettrica dell’utenza;
  • l’analisi tecnico-economica finalizzata alla scelta della migliore configurazione impiantistica da adottare nel caso specifico;
  • l’analisi degli impatti ambientali di alcune configurazioni impiantistiche, ai fini della verifica della compatibilità fra i vantaggi economici della scelta e la sua sostenibilità ambientale.

A corredo degli studi effettuati, è stato progettato un cogeneratore mobile, trasportabile all’interno di un container.

 

2. Individuazione del sito
L’area di studio scelta per lo sviluppo delle attività progettuali è la foresta demaniale di Monte Olia (Fig. 1), ricadente nei Comuni di Monti e Berchidda (Sardegna nord-orientale) ed estesa su una superficie di circa 2.366 ettari; la costituzione come patrimonio indisponibile dello Stato risale al periodo 1910-1916. Negli anni si è assistito ad un progressivo degrado della vegetazione forestale, anche a causa della vasta presenza di aie carbonili, i cui resti testimoniano l’intensità dello sfruttamento al quale la foresta è stata sottoposta nel tempo.
Il territorio è ricompreso nel Complesso Forestale “Alta Gallura-Buddusò”–UGB “Monte Olia” e, a partire dal 2000, è gestito dall’Ente Foreste della Sardegna. Dal punto di vista dei popolamenti forestali presenti, circa l’80% delle aree a bosco è costituito da impianti artificiali di conifere mediterranee, il cui nucleo più importante ha un’età compresa fra 30 e 90 anni ed è rappresentato da una fustaia adulta di Pinus pinea. Le aree con popolamenti più recenti presentano un denso sottobosco di macchia e arbusti; spesso, il sottobosco è tanto denso da rappresentare un ostacolo all’accessibilità alle aree forestali. Nelle aree con i popolamenti più maturi, invece, il sottobosco è quasi assente.
A tali impianti si sono succeduti rimboschimenti più recenti (1990-1991), in aree a forte pendenza, caratterizzati da conifere (Pinus pinea, Pinus halepensis, Pinus pinaster, Pinus nigra ssp. Laricio, …) e latifoglie autoctone (Quercus ilex, Quercus suber, Quercus pubescens). Tali formazioni presentano attualmente la necessità di diradamenti, a causa dell’elevata densità e la presenza di un fitto sottobosco, che aumenta il rischio di incendio.

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Figura 1. Inquadramento geografico della foresta demaniale di Monte Olia.

 

3. Quantificazione della biomassa
La prima fase dello studio ha riguardato la stima della disponibilità di biomassa forestale utilizzabile per la produzione energetica: sono stati, a tal fine, applicati in ambiente GIS tre metodi di stima (PFAR, 2007; Nocentini et al., 2011; Barbati et al., 2012). I risultati ottenuti e le assunzioni di ciascuno dei metodi sono notevolmente differenti; pertanto, è di fondamentale importanza, nelle valutazioni di fattibilità di installazione di una filiera bosco-energia, scegliere attentamente il metodo di stima della biomassa ritraibile. Tali scelte devono basarsi sulle caratteristiche del territorio che possono condizionare negativamente i prelievi (condizioni infrastrutturali, aspetti morfologici, vegetazionali) e sulle forme gestionali applicate nell’area. Pertanto, le superfici a bosco sono state decurtate delle aree poco accessibili (Fig. 3).

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Figura 2. Distribuzione delle tipologie forestali.

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Figura 3. Distribuzione delle superfici nette, sulle quali sono state effettuate le simulazioni.

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Tabella 1. Risultati di stima della biomassa ottenuti nel periodo 2015-2022.

Per la foresta di Monte Olia è emerso che il modello di stima più idoneo a rappresentare le suddette caratteristiche è quello di Nocentini et al. (2011), che ha fornito, fra il 2015 e il 2022, quantità annue comprese fra 260 e 450 tonnellate (umidità del 20%) (Tab. 1). Tale dato è molto importante per definire la dimensione massima dell’impianto installabile.

 

4. Caratterizzazione della biomassa
Successivamente, sono stati raccolti, cippati e caratterizzati dal punto di vista chimico-fisico 14 campioni di cippato fresco della foresta demaniale: 12 campioni di conifere (Pinus halepensis, Pinus pinaster, Pinus pinea) e 2 campioni di macchia mediterranea. Le seguenti determinazioni: umidità alla raccolta, analisi prossima, analisi ultima e potere calorifico, sono state realizzate grazie alla collaborazione col Laboratorio Biocombustibili e Biomasse di Sardegna Ricerche (Z.I. Macchiareddu, Uta-Cagliari).
5. Soluzione impiantistica ottimale
I risultati della caratterizzazione sono stati adoperati come dati di input per la scelta della configurazione impiantistica più idonea al caso in esame, assieme a quelli derivanti dalla quantificazione della domanda annua di energia termica ed elettrica di un complesso di sei edifici di servizio utilizzati dall’Ente Foreste nella foresta di Monte Olia. Tali valutazioni sono state realizzate mediante il software TRNSYS e l’utilizzo di dati rilevati in situ.
Il complesso (Fig. 4) comprende: due edifici gemelli, di 424 m2 ciascuno, ad uso uffici e alloggi, un edificio di 36 m2, usato dal custode, un edificio di 145 m2, utilizzato come magazzino e officina, una struttura di 304 m2, adoperata come garage e carpenteria e, infine, un edificio di 130 m2, utilizzato come rifugio per gli operai.

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Figura 4. Vista dall’alto del complesso di edifici di servizio e scorcio degli edifici gemelli.

Per la scelta della configurazione impiantistica economicamente più conveniente dal punto di vista economico, si è partiti dalla condizione attuale: una caldaia a gasolio produce l’energia termica, mentre l’elettricità è acquistata dalla rete.
Sono state, poi, considerate differenti combinazioni, basate su due ipotesi:

  1. il mantenimento della caldaia a gasolio per l’energia termica, con macchine ad assorbimento per la climatizzazione estiva o l’installazione di un impianto fotovoltaico per l’autoproduzione parziale di energia elettrica o, ancora, l’installazione di un cogeneratore costituito da caldaia a biomassa accoppiata ad un motore Stirling;
  2. la sostituzione della caldaia a gasolio con una alimentata a biomassa per la produzione di energia termica, l’utilizzo di macchine ad assorbimento per la climatizzazione estiva, l’installazione di un sistema fotovoltaico per l’autoproduzione parziale dell’energia elettrica, l’installazione di un cogeneratore costituito da caldaia a biomassa accoppiata ad un motore Stirling.

Tutte le combinazioni di taglie e delle tecnologie summenzionate sono state analizzate dal punto di vista economico, grazie al software HOMER, mediante il calcolo del NPC (Costo Attualizzato Netto), conducendo, successivamente, le analisi di sensitività in funzione dei range di variazione del potere calorifico inferiore e del costo della biomassa. Sono stati valutati anche i più diffusi indicatori economici: NPV (Net Present Value), PBT (Pay-Back Time), IRR (Internal Rate of Return).
La combinazione di taglie e tecnologie più conveniente per l’utilizzo della biomassa forestale di Monte Olia è la classica combustione in caldaia, alla quale si associano: la contestuale rimozione della caldaia a gasolio, l’installazione di pompe di calore a compressione per la climatizzazione estiva e l’installazione di un impianto fotovoltaico per l’autoconsumo di energia elettrica.
La caldaia considerata ha una taglia di 80 kWt e un’efficienza del 90% e, per il soddisfacimento della domanda di energia termica annua degli edifici dell’Ente, utilizza circa 14 tonnellate di biomassa.
Per quanto riguarda la possibilità di installare un impianto di cogenerazione, in virtù del fatto che le taglie coinvolte nello studio sono piccole e i carichi energetici non sono elevati, l’alternativa della caldaia accoppiata ad un motore a ciclo Stirling non si è rivelata particolarmente conveniente dal punto di vista economico.
Al fine di verificare se l’approccio economico e quello degli impatti ambientali convergessero verso la stessa configurazione impiantistica, è stata condotta un’analisi di tipo Life Cycle Assessment (LCA) su tre configurazioni: la condizione attuale, quella economicamente più vantaggiosa e la migliore fra le configurazioni cogenerative. In particolare, è stata utilizzata la metodologia di analisi degli impatti “ReCiPe”. I risultati ottenuti sui tre scenari hanno permesso di verificare che la soluzione impiantistica più redditizia è anche quella a minore impatto ambientale. Fra lo scenario attuale e quello cogenerativo, il secondo occupa una posizione intermedia, mentre il primo produce gli impatti maggiori.

 

6. Conclusioni
Benché dagli studi effettuati sia emerso che la cogenerazione a biomassa forestale non è più vantaggiosa della classica combustione in caldaia, nel caso in cui si optasse, comunque, per una configurazione cogenerativa, la soluzione più idonea per lo sfruttamento di biomasse forestali è la pirogassificazione. Tale risultato, ottenuto sulle alternative tecnologiche attualmente esistenti e sulla base di metodi di analisi multiattributo, è puramente teorico. Infatti, se si tiene conto del fatto che, attualmente, questa tecnologia è poco matura e che richiede materiali di buona qualità e di caratteristiche costanti, la pirogassificazione di residui forestali (come nel caso della foresta di Monte Olia) non è facilmente realizzabile.

 

7. Ricerca collaterale
Grazie alla collaborazione con Sartec S.p.A., è stato possibile realizzare una ricerca a margine degli studi sulla foresta di Monte Olia, focalizzata sulla progettazione di un piccolo impianto di pirogassificazione a biomassa forestale di tipo mobile, trasportato all’interno di un container.
L’idea progettuale ha consistito nello sviluppo di un piccolo impianto di cogenerazione a biomassa legnosa mobile, basato su pirogassificatore e MCI, con alcuni requisiti:

  • Facilità di arresto e avvio;
  • Stabilità delle prestazioni;
  • Elevato fattore di servizio;
  • Ridotti oneri di manutenzione.

Un impianto facilmente trasportabile consente, infatti, di ottenere numerosi vantaggi, fra i quali:

  • la riduzione dei costi di approvvigionamento della biomassa;
  • la possibilità di assemblare l’impianto nei cantieri proprietari;
  • la possibilità di valutare le prestazioni dell’impianto all’interno dell’azienda;
  • la possibilità di eseguire interventi di manutenzione straordinaria nei cantieri dell’azienda.

Il pirogassificatore considerato presenta le seguenti caratteristiche:

  • Potenza elettrica effettiva 150 kW;
  • Potenza termica 330 kW;
  • Consumo orario di biomassa 150 kg.

Sulla base delle valutazioni economiche effettuate, si evince che tale impianto di pirogassificazione offre un ritorno sull’investimento dopo 3 anni e un IRR dopo 10 anni pari al 31%.
Sono state condotte valutazioni economiche su 3 ipotesi diversificate:

  1. Impianto tradizionale ORC;
  2. Impianto tradizionale ORC accoppiato a un impianto per la produzione di pellet;
  3. Impianto di pirogassificazione accoppiato a un impianto per la produzione di pellet.

Il confronto economico fra l’impianto di pirogassificazione studiato e alcune tecnologie concorrenti ha evidenziato la maggior convenienza del primo, poiché è più versatile per sistemi di piccola taglia e ha rapporti di produzione Ee/Et superiori; inoltre, l’affiancamento dell’impianto di produzione di pellet al pirogassificatore consente tempi di recupero dell’investimento di circa 2 anni e IRR superiori al 60% in 10 anni.
L’impianto trasportabile è composto da due container da 40 piedi.
Nel primo container sono contenute:

  • una cippatrice di piccole dimensioni;
  • un’unità di essiccazione per il pretrattamento della biomassa.

Nel secondo container, invece, è contenuto il pirogassificatore.

 

Pubblicazioni

  1. Orrù P.F., Melis E., Napoli F., Fais L. Technical and economic evaluations for the development of a short supply chain based on energy production in cogeneration plants. Proceedings of the XVIII Summer School “Francesco Turco”, Senigallia (AN), Italy, 11-13 september 2013 [ISBN: 978-88-908649-0-2; ISSN (online) 2283-8996]
  2. Orrù P.F., Melis E., Fais L., Napoli F., Pilo C., Puxeddu M., Evaluation of the Northern Sardinia Forests Suitability for a Wood Biomass CHP System Installation. In the Proceedings of SIMUL 2013: The Fifth International Conference on Advances in System Simulation, Venezia Mestre, Italy, 27-31 Oct. 2013, IARIA, pp. 147-152
  3. Melis E., Caredda F.V., Pilo C., Orrù P.F. (2014). Environmental and Economic Assessment of Energy Production in Small Plants by Using Forest Residues: a Case Study. In the Proceedings of the 5th International Conference “Development, Energy, Environment, Economics”, DEEE’14, Florence, Italy, 22-24 November 2014, pp. 160-169
  4. Articolo divulgativo sulla rivista trimestrale dell’Ordine degli Ingegneri della Provincia di Cagliari “L’Informazione” – n.126, anno 2015, pp. 27-33: Orrù P.F., Melis E., Fais L., Napoli F., Pilo C., Puxeddu M. Valutazione della biomassa ritraibile dalle foreste del Nord Sardegna per usi cogenerativi – Uno studio sull’area demaniale di Monte Olia per un impianto di piccolo taglia.
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