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Il potenziale della Cogenerazione a Biomassa nell'Industria dei Pannelli di Legno

Figura 1
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A cura di Alessandro Guercio

Sommario

 Un semplice sguardo dentro le nostre case, scuole o uffici rivela l'importanza dell'industria del pannello di legno. Allo stesso modo in cui le nostre città e le nostre case sono fatte di cemento, così le nostre abitazioni e i nostri mobili sono fatti di pannello di legno.

Sebbene molto sia già stato fatto in termini di qualità e salubrità del prodotto, molto deve ancora essere fatto in termini di sostenibilità.

La cogenerazione a biomassa ha dimostrato di ridurre il fabbisogno di energia primaria e le emissioni di gas climalteranti rispetto alla produzione separata di calore ed energia elettrica.

L'industria del pannello di legno offre condizioni favorevoli per implementare la cogenerazione a biomassa: familiarità con sistemi di combustione della biomassa, biomassa disponibile a basso costo, contestuale domanda di elettricità e calore. Il costo di produzione dell'energia elettrica da cogenerazione a biomassa può essere competitivo con i prezzi di mercato.

L'implementazione della cogenerazione a biomassa nell'industria del pannello può essere tecnicamente possibile ed economicamente sostenibile.

keywords: Wood Based Panel Industry (WBPI); Combined Heat and Power (CHP); Steam Rankine Cycle (SRC); Organic Rankine Cycle (ORC); Particle Board (PB); Oriented Strand Board (OSB); Medium Density Fiberboard (MDF); Plywood

1. Introduzione

 Un semplice sguardo dentro le nostre case, scuole o uffici rivela l'importanze dell'industria del pannello di legno. Allo stesso modo in cui le nostre città e le nostre case sono fatte di cemento, così le nostre abitazioni e I nostri mobili sono fatti di pannello di legno.

La domanda termica nel processo di produzione del pannello di legno è coperta principalmente dalla combustione dei residui: legno di scarto, cortecce, segatura. In alcuni casi sono usati combustibili fossili, principalmente in caldaie ad olio diatermico per utilizzi nelle presse. La domanda di elettricità è coperta dalla rete elettrica nazionale. In alcuni casi motori a combustione interna alimentati con combustibili fossili sono usati per la cogenerazione. Raramente è presente la cogenerazione a biomassa.

La cogenerazione a biomassa ha dimostrato di ridurre il fabbisogno di energia primaria e le emissioni di gas climalteranti rispetto alla produzione separata di calore ed energia elettrica.

L'industria del pannello di legno offre condizioni favorevoli per implementare la cogenerazione a biomassa: familiarità con sistemi di combustione della biomassa, biomassa disponibile a basso costo, contestuale domanda di elettricità e calore.

Le tecnologie disponibili e mature per la cogenerazione a biomassa sono i Cicli Rankine a Vapore (SRC) e i cicli Rankine Organici (ORC). Le due tecnologie competono tra di loro nel mercato della cogenerazione a biomassa nelle taglie comprese tra 2 e 5 MW elettrici. I cicli a vapore convenzionali sono alimentati con vapore surriscaldato ad alta pressione, quindi una caldaia dedicata è necessaria. I cicli ORC sono alimentati con olio diatermico a 300°C, normalmente presente nei processi produttivi del truciolare e dell'MDF.

Il costo di generazione elettrica di un cogeneratore a biomassa dipende principalmente dal relativo costo di investimento. Possiamo assumere i seguenti costi di generazione nel caso di cogeneratore a biomassa con ORC nel range di taglie compreso tra 2ME elettrici – 5 MW termici e 5 MW elettrici – 25 MW termici. Nel caso di impianti a vapore convenzionale possiamo stimare costi di generazione simili per lo stesso range di taglie.

 

Investimento differenziale

Investimento complessivo

2MW elettrici, 10 MW termici @ 110°C

102€/MWh

154€/MWh

5MW elettrici, 25 MW termici @110°C

81€/MWh

117€/MWh

Table 1: Costo di generazione elettrica da cogenerazione a biomassa con ORC (dati elaborati da: Guercio, A., Bini, R. - “Biomass-fired Organic Rankine Cycle combined heat and power”, chapter 15 of “Organic Rankine Cycle (ORC) Power System”. Edited by Ennio Macchi and Marco Astolfi. Woodhead Publishing, Elsevier)

Per verificare se la cogenerazione a biomassa nell'industria del pannello è oltre che tecnicamente possibile anche economicamente sostenibile è importante individuare l'appropriate tecnologia per ogni processo produttivo. In questo studio I processi produttivi del pannello truciolare e dell'MDF sono stati analizzati. Il processo produttivo del compensato, anche questo interessante per essere implementato con la cogenerazione a biomassa, non è stato trattato in questo studio (...continua)


2. Truciolare (PB) e OSB

 La domanda termica nella produzione del truciolare proviene dal processo di essiccazione dei trucioli e dalle presse. La domanda elettrica proviene dall'essiccatoio, presse, mulini e trasportatori. L'essiccatoio è tipicamente un essiccatoio a tamburo rotante alimentato da gas caldi a 400°C. Le presse sono alimentate da olio diatermico a 280°C.

Vedere foto 1: Diagramma di flusso di un tipico processo produttivo del truciolare con essiccatoio a tamburo.

Con questa configurazione non si registrano casi rilevanti di cogenerazione a biomassa nella produzione del truciolare. Per implementare la cogenerazione a biomassa una modifica nel processo di essiccazione si rende necessaria. Alcuni casi di essiccatoi a nastro a bassa temperatura nella produzione del pannello truciolare sono stati realizzati con risultati interessanti. Gli essiccatoi a nastro a bassa temperatura sono compatibili con la cogenerazione a biomassa.

Ulteriori vantaggio offerto dagli essiccatoi a nastro rispetto agli essiccatoi a tamburo è la riduzione delle emissioni inquinanti, quali particolato e composti organici volatili, senza filtri addizionali.

Un impianto di produzione di pannello truciolare da 1000m3 al giorno necessita di un essiccatoio per evaporare 25 tonnellate di acqua per ora, con una domanda termica dell'essiccatoio a nastro pari a 25MW in forma di acqua a 110°C. La potenza elettrica producibile da un impianto di cogenerazione a biomassa dedicato è di 5 MW.

Entrambi I cicli a vapore convenzionale e ORC sono adatti in questo caso. L'ORC può essere direttamente connesso al circuito dell'olio diatermico. Il ciclo a vapore convenzionale necessita di una caldaia a vapore surriscaldato dedicata.

Il costo di generazione elettrica per un impianto con ORC da 5MW elettrici è compreso tra  81€/MWh e 117€/MWh, concorrenziale con il prezzo di mercato in molte nazioni.

Vedere foto 2: Diagramma di flusso di un processo produttivo del truciolare con turbina ORC ed essiccatoio a nastro con basse temperature.

3. MDF

 La domanda termica nella produzione di MDF proviene dal processo di essiccazione della fibra di legno, dalle presse e dal defibratore. La domanda elettrica proviene da essiccatoio, presse, mulini e trasportatori. L'essiccatoio è tipicamente un essiccatoio flash alimentato da gas caldi a 180 – 200°C. Non si registrano casi rilevanti di sistemi di essiccazione alternativi con temperature inferiori. Il defibratore, che trasforma il legno cippato in fibre di legno è alimentato con vapore saturo a 10 bar.

Le presse sono alimentate con olio diatermico a 280°C.

Vedere foto 3: Flusso di un tipico processo produttivo di MDF.

 

Un impianto di produzione da 1000 m3 al giorno di MDF necessita di 15MW di vapore saturo a 10 bar per alimentare il defibratore e 20 MW di gas caldi a 180°c par alimentare l'essiccatoio flash.

Alcune soluzioni di cogenerazione a biomassa sono possibili:

a) Un ciclo Rankine a vapore convenzionale che produca 35MW di calore come vapore saturo a 15 bar per alimentare sia un defibratore che un essiccatoio flash indiretto può cogenerare 3,5MW di energia elettrica. In questo caso è necessaria una caldaia a vapore surriscaldato dedicata per alimentare il ciclo termodinamico.

Vedere foto 4: Flusso di un processo produttivo di MDF con SRC CHP e flash dryer a riscaldamento indiretto.

b) Un Sistema con ORC che produca 10 MW di calore come acqua 110°C per preriscaldare l'acqua di reintegro per il defibratore a l'aria di miscela per i gas caldi diretto all'essiccatoio flash, può cogenerare 2MW di energia elettrica.

Il costo di generazione elettrica per un impianto di cogenerazione a biomassa da 2MW elettrici con ORC è compreso tra 102€/MWh e 154€/MWh, competitivo con il prezzo di mercato di molte nazioni. Prestazioni simili si possono ottenere con un ciclo Rankine a vapore convenzionale, ma in questo caso è necessaria una caldaia a vapore surriscaldato dedicata per alimentare il ciclo termodinamico.

Illustration 5: Flusso energetico per la produzione di pannelli MDF con ORC CHP e con riscaldamento dell'acqua verso il defibratore ed aria fresca verso la camera di miscela dell'essicatoio.

4. Considerazioni finali

 L'industria del pannello di legno offre condizioni favorevoli per implementare la cogenerazione a biomassa: familiarità con sistemi di combustione della biomassa, biomassa disponibile a basso costo, contestuale domanda di elettricità e calore. L'implementazione della cogenerazione a biomassa nell'industria del pannello può essere tecnicamente possibile ed economicamente sostenibile.

Nella produzione del pannello truciolare la cogenerazione a biomassa può essere implementata a seguito del cambiamento del processo di essiccazione, sostituendo l'essiccatoio a tamburo con un essiccatoio a nastro a bassa temperatura. L'essiccatoio a nastro offre ulteriori vantaggi rispetto all'essiccatoio a tamburo, quali la riduzione dell'emissione di particolato e di composti organici volatili senza filtri aggiuntivi.

I cicli Rankine a vapore convenzionali e I cicli ORC sono tecnologie mature e adatte ad essere implementate nel processo. I cicli Rankine a vapore convenzionali sono operati con vapore surriscaldato ad alta pressione, quindi una caldaia dedicata è necessaria. Gli ORC sono operati con olio diatermico a 300°C, che è comunque presente nella produzione del pannello truciolare de del MDF.

5. Letture suggerite

 Stubdrup, K., Karlis, P., Roudier, S., Delgado Sancho, L.,  - “Best Available Techniques (BAT). Reference Document for the Production of Wood-based Panels”. European Integrated Pollution Prevention and Control Bureau (EIPPCB) at the European Commission's Joint Research Centre, 2016.

http://eippcb.jrc.ec.europa.eu/reference/BREF/WBP_bref_2016.pdf

Guercio, A., Bini, R. - “Biomass-fired Organic Rankine Cycle combined heat and power”, chapter 15 of “Organic Rankine Cycle (ORC) Power System”. Edited by Ennio Macchi and Marco Astolfi. Woodhead Publishing, Elsevier, 2017.

http://www.sciencedirect.com/science/article/pii/B9780081005101000156

Duvia, A., Bini, R,. Spanring, R., Portenkirchner, K., - “Application of ORC units in the MDF and Particleboard sector – General considerations and overview of the experiences of the first ORC plant in this industry installed at MDF Hallein”. Proceedings of the World Biomass Congress, Berlin, Germany, 2007.

http://www.turboden.eu/en/public/downloads/Application_of_ORC_units_in_the_MDF_and_particleboard_sector.pdf

Low-temperature belt dryer for particle board, OSB-strands, sawdust. Stela Laxhuber website.

https://www.stela.de/en/archiv_menues_vor_2017/low_temperature_belt_dryer/for_particle_board_industry/

Low-temperature belt dryer for particle board production plant in China. Swiss Combi website.

https://www.swisscombi.ch/dam/documents/downloads/publikationen/PW_0317_44_Chiping-20170216.pdf


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