Manuale della collana "Progettazione, Tecniche & Materiali" di Maggioli Editore

Manuale professionale
per la scelta
e la progettazione
di sistemi a biomasse

completo sia negli aspetti
progettuali che economici


con Software
BioSim_Pro 1.0

per l'analisi economica
dell’investimento


e con 5 esempi di progetti
realizzati, completi
di relazioni tecniche
ed elaborati grafici

SISTEMI A BIOMASSE: progettazione e valutazione economica. Impianti di generazione di calore e di elettricità.


1. Realizzazione di centrale
termica alimentata a cippato
P = 70 kW
2. Impianto di cogenerazione
alimentato ad olio vegetale
"grid connected" P = 1 MW
3. Centrale di produzione
di energia elettrica e termica
da biomassaP = 999 kW
4. Centrale di produzione
di energia elettrica da biomassa

"grid connected" P = 4,3 MVA
5. Centrale di produzione
di energia elettrica da biomassa
"grid connected" P = 6 MVA


Sistemi a biomasse
Progettazione e valutazione economica

Completo di cinque progetti, integrati da relazioni tecniche ed elaborati grafici, questo nuovo e aggiornatissimo Manuale, che prende in considerazione diverse taglie di impianto e tipologie strutturali, descrive e guida il professionista nella scelta e nella progettazione di sistemi a biomasse, per redigere un progetto, completo degli aspetti ingegneristici ed economici necessari per effettuare una valutazione dell’investimento, mettendolo a confronto con le reali problematiche di progettazione, in relazione ai vincoli tecnologici-ambientali del sito in cui sarà installato l’impianto e al budget del potenziale cliente.

Descrive dapprima in maniera completa le proprietà, le tipologie e i costi delle principali biomasse solide, liquide e gassose (comprendendo quindi anche i biocombustibili), poi i processi, le tipologie di conversione (pirolisi, gassificazione, combustione, digestione, fermentazione e estrazione di oli), di immissione, miscelazione e condizionamento delle biomasse (descrivendo, per la prima volta in letteratura e in maniera unitaria, non solo le analisi globali, ma anche i reattori ed i processi, fornendo così indicazioni per le analisi all’equilibrio e cinetiche).

Segue l’analisi degli impianti di generazione di calore (camini e caldaie) e di elettricità (motori, turbine, celle a combustibile) con la scelta della biomassa, del sistema di stoccaggio e della potenza termica e elettrica, punti fondamentali della progettazione. Per maggior chiarezza gli autori analizzano nel dettaglio gli impianti di digestione e di gassificazione, i sistemi di cogenerazione e i costi, dedicando anche una sezione del volume all’esercizio in parallelo alla rete elettrica e ai sistemi di incentivazione.

Particolare attenzione è posta al “Capital Budgeting”, di cui viene presentato il modello economico in relazione ai sistemi incentivanti e al regime fiscale attualmente in vigore, e all'illustrazione dei parametri (VAN, TIR, PBT) rispetto ai quali si analizza la convenienza o meno dell’investimento attraverso un Benchmark sui parametri stessi.


Concludono l'opera 5 utilissimi progetti, completi di relazioni tecniche, elaborati grafici e conto economico (per ciascuno di essi viene presentato anche il relativo conto economico.

Il software allegato al volume, BioSim_Pro1.0 (SIMulatore economico BIOmassa) è un programma per il dimensionamento e l’analisi economica di impianti a biomasse che in relazione al costo di investimento, al tipo di finanziamento rischiesto, al tipo di regime contrattuale GSE, alla tipologia dell’impianto, e ad altri moltissimi fattori tecno-economici, genera in automatico un’analisi economica dell’investimento; è sicuramente di grande aiuto per il professionista nella fase di consulenza: fase propedeutica per la stipula del contratto con i committenti stessi. BioSim_Pro1.0 è dotato di database interni che raccolgono le proprietà delle più comuni biomasse (riportate secondo le norme UNI e CEN) e dei più comuni sistemi a biomassa (camini, stufe, caldaie, stirling, digestori, gassificatori). Il volume fornisce una dettagliata Guida all’uso del software.



Indice dell'opera:


Capitolo I

Proprietà, tipologie e costi delle biomasse

1.1. Definizione, disponibilità, consumi e filiera

1.2. Proprietà delle biomasse
1.3. Poteri calorifici, temperatura e rendimento di combustione
1.4. Densità
1.5. Umidità
1.6. Tipologie
1.7. Lignocellulosiche

1.7.1. Legna e carbone di legna
1.7.2. Cippato
1.7.3. Pellets
1.7.4. Residui ligneo-cellulosici agroindustriali
1.7.5. Colture erbacee
1.8. Amidacee
1.8.1. Mais
1.8.2. Frumento (grano)
1.9. Saccarifere
1.9.1. Canna da zucchero
1.9.2. Barbabietola da zucchero
1.10. Oleaginose
1.10.1. Soia
1.10.2. Colza
1.10.3. Girasole
1.11. Rifiuti solidi urbani (RSU)
1.12. Reflui zootecnici
1.12.1. Allevamento suino
1.12.2. Allevamento bovino
1.12.3. Parco zootecnico italiano
1.13. Biocombustibili liquidi
1.13.1. Biodiesel
1.13.2. Etanolo
1.13.3. Metanolo
1.14. Biocombustibili gassosi
1.14. 1. Syngas
1.14.2. Biogas

Capitolo II

Processi di conversione delle biomasse

2.1. Tipologie e analisi globali dei sistemi di conversione
2.1.1. Trasformazioni, conversioni, usi, efficiente, EROI, impatti
2.1.2. Processi di conversione e utilizzo della biomassa
2.1.3. Reperimento, trasporto, conversione e impatto
2.2. Reattori, parametri e analisi di processo
2.2.1. Tipologie di reattori
2.2.1.1. Discontinui e continui in regime stazionario e variabile
2.2.1.2. Atmosferici e pressurizzati
2.2.1.3. Fissi e fluidizzati
2.2.1.4. Controcorrenti, equicorrenti, traversi: a Griglia fissa o mobile
2.2.1.5. Bollenti, trascinati, ricircolanti
2.2.1.6. Isotermi, adiabatici, a riscaldamento diretto e indiretto
2.2.2. Parametri di processo
2.2.2.1. Quantità, composizione chimica e forma fisica del combustibile e dell'ossidante
2.2.2.2. Umidità, capacità di campo, permeabilità
2.2.2.3. Temperatura e acidità
2.2.2.4. Tempo di residenza o permanenza o ritenzione
2.2.2.5. Produzione di gas
2.2.2.6. Condizioni atmosferiche
2.2.3. Analisi di processo
2.2.3.1. I componenti di base
2.2.3.2. La fenomenologia delle reazioni
2.2.3.3. Il calcolo dei prodotti all'equilibrio
2.2.3.4. Un esempio di calcolo all'equilibrio
2.2.3.5. Le equazioni nei modelli all'equilibrio e cinetici
2.2.3.6. L'analisi termochimica
2.2.3.7. Deduzione del meccanismo di pirolisi e analisi cinetica
2.2.3.8. Equazioni del processo
2.2.3.9. Il calcolo dei gas di pirolisi
2.2.3.10. Il calcolo dei gas di reforming
2.2.3.11. La camera di combustione
2.2.3.12. Il bilancio di calore
2.2.3.13. L'analisi dei processi biochimici
2.2.3.14. Bilancio di massa e resa in biogas
2.3. Conversione termochimica
2.3.1. Pirolisi
2.3.1.1. Prodotti
2.3.1.2. Pirolisi veloce e flash
2.3.2. Gassificazione e syngas
2.3.2.1. Fasi
2.3.2.2. Gassificazione più ulteriori processi (Fischer-Tropsch)
2.3.3. Combustione
2.3.3.1. Fasi
2.3.3.2. Combustione di biomasse solide, liquide e gassose
2.4. Conversione biochimica
2.4.1. Digestione anaerobica
2.4.1.1. Batteri
2.4.1.2. Fasi
2.4.1.3. Tipologie impiantistiche
2.4.1.4. Digestione a umido
2.4.1.5. Digestione a semisecco
2.4.1.6. Digestione a secco
2.4.1.7. La resa in biogas
2.4.2. Fermentazione
2.4.2.1. Produzione di etanolo da biomasse saccarifere
2.4.2.2. Produzione di etanolo da biomasse amidacee
2.4.2.3. Produzione di etanolo da biomasse lignocellulosiche
2.4.3. Estrazione di oli, raffinazione ed esterificazione
2.4.3.1. Fasi
2.4.3.2. Raffinazione ed esterificazione
2.4.3.3. Prodotti
2.5. Immissione, miscelazione, condizionamento, monitoraggio
2.5.1. Sistemi di immissione
2.5.1.1. I sistemi a pistone e i sistemi a caduta
2.5.1.2. I sistemi ad avvitamento
2.5.2. Sistemi di miscelazione
2.5.3. Sostanze nocive
2.5.3.1. Il particolat
2.5.3.2. Il tar
2.5.3.3. Gli alcali
2.5.4. Condizionamento a freddo
2.5.4.1. I filtri bag e a sabbia
2.5.4.2. Lo scrubber
2.5.5. Condizionamento a caldo
2.5.5.1. I cicloni
2.5.5.2. Il tar cracker
2.5.5.3. I filtri ceramici a caldo
2.5.6. Sistemi di monitoraggio

Capitolo III

Generazione di calore e di elettricità

3.1. Scelta della biomassa e del sistema di stoccaggio

3.1.1. Scelta della biomassa
3.1.2. Scelta del sistema di stoccaggio e di rifornimento
3.2. Scelta della potenza elettrica e/o termica
3.2.1. Fabbisogno di energia elettrica
3.2.2. Fabbisogno di energia termica
3.2.3. Scelta della potenza elettrica e/o termica ottimale
3.3. Generazione di calore
3.3.1. Termocamini
3.3.1.1. Descrizione della macchina
3.3.1.2. Dati tecnici
3.3.1.3. Schema d'impianto
3.3.1.4. Norme d'installazione
3.3.1.5. Analisi dei costi
3.3.2. Caldaie
3.3.2.1. Descrizione
3.3.2.2. Dati tecnici
3.3.2.3. Schemi d'impianto e semplici dimensionamenti
3.3.2.4. Analisi dei costi
3.3.3. Centrali termiche
3.3.3.1. Dispositivi di sicurezza, protezione e controllo
3.3.3.2. Vasi di espansione
3.3.3.3. Valvole di sicurezza e di scarico termico
3.3.3.4. Canne fumarie
3.3.3.5. Scambiatori di calore
3.4. Generazione di elettricità
3.4.1. Macchine motrici volumetriche
3.4.1.1. Motori alimentati a oli vegetali
3.4.1.2. Motori alimentati a bíodiesel
3.4.1.3. Motori a combustione interna alimentati a gas
3.4.1.4. Motori a combustione interna alimentati a biogas
3.4.1.5. Motori a combustione interna alimentati a syngas
3.4.1.6. Motori Stirling
3.4.1.7. Motori a pistoni a vapore
3.4.2. Turbomacchine motrici
3.4.2.1. Turbine a vapore
3.4.2.2. Turbine a ciclo organica Rankine
3.4.2.3. Turbine a gas
3.4.2.4. Turbine ad aria calda
3.4.2.5. Mieroturbine
3.4.3. Celle a combustibile
3.4.3.1. Definizione e funzionamento
3.4.3.2. Termodinamica e rendimenti
3.4.3.3. Tipologie di celle a combustibile
3.4.3.4. Impianti con celle a combustibile
3.5. Descrizione e analisi di due diversi sistemi di generazione da biomasse
3.5.1. Impianti di digestione anaerobica
3.5.1.1. Descrizione impianto
3.5.1.2. Dati tecnici dell'impianto di digestione
3.5.1.3. Dati tecnici del cogeneratore
3.5.1.4. Analisi dei costi con CV e TO
3.5.2. Impianto di gassificazione
3.5.2.1. Descrizione impianto
3.5.2.2. Dati tecnici dell'impianto di gassificazione
3.5.2.3. Dati tecnici del cogeneratore
3.5.2.4. Schema impiantistico
3.5.2.5. Analisi dei costi con CV e TO
3.6. La cogenerazione
3.6.1. Le macchine frigorifere per la trigenerazione
3.6.1.1. La termodinamicadelle macchinead assorbimento
3.7. Analisi dei costi e dei ricavi
3.7.1. Costo di investimento
3.7.2. Costo di esercizio
3.7.3. Ricavi e flussi di cassa
3.7.4. Costi di generazione di calore per impianti da 1÷50 kW
3.7.5. Costi di generazione di calore per impianti da 50÷1.000 kW
3.7.6. Costi di generazione di energia elettrica

Capitolo IV

Esercizio in parallelo alla rete elettrica di sistemi a biomasse

4.1. Produzione, trasmissione, trasformazione e distribuzione dell'energia elettrica

4.2. Esercizio in parallelo con la rete elettrica di sistemi a biomasse
4.3. Tipologie di connessione alla rete elettrica di distribuzione MT di impianti termoelettrici
      alimentati da biomasse solide o liquide o da biogas

4.4. Tipologie di connessione alla rete elettrica AT e AAT, di impianti termoelettrici alimentati
      da biomasse solide o liquide o da biogas
4.5. Condizioni tecniche ed economiche per la connessione alle reti elettriche con obbligo di
      connessione di terzi degli impianti di produzione di energia elettrica — TICA — Testo
      integrato delle connessione attive.

4.5.1. STMG-ENEL per un impianto di produzione della potenza P = 4,2 MW
4.5.2. STMG-TERNA per un impianto di produzione della potenza P = 27,5 MW

Capitolo V

Sistemi incentivanti e ritiro commerciale dell'energia iniettata in rete

5.1. Meccanismi incentivanti e regimi di esercizio commerciale

5.1.1. Certificati Verdi — CV
5.1.2. Sistema tariffario omnicomprensivo — STO
5.1.3. Gestione del transitorio per i sistemi CV e STO
5.1.4. Regolazione commerciale dell'energia elettrica prodotta da IAFR e scambiata con la rete
5.1.4.1. Mercato elettrico (ME) e contrattazione bilaterale
5.1.4.2. Regime di ritiro dedicato — Delibera AEEG n. 280/07
5.1.4.3. Il nuovo meccanismo di scambio sul posto SSP
5.2. Valorizzazione energia termica

Capitolo VI

Elementi base di capital-budgeting

6.1. Introduzione

6.2. Alcuni concetti di base
6.3. I criteri di scelta tra gli investimenti
6.3.1. Il Valore Attuale Netto (VAN)
6.3.2. Il Tasso Interno di Rendimento (TIR)
6.3.3. Il Payback Time (PT)
6.3.4. Interazione tra decisioni di investimento e di finanziamento: il Valore Attuale Netto
         Modificato (VAM)
6.3.5. Altri criteri di valutazione: il ROE (Return on Equity) ed il ROI (Return on Investment)
6.3.6. Indicatori di bancabilità degli investimenti

Capitolo VII

Raccolta di progetti di impianti a biomasse

7.1. Realizzazione di una centrale termica alimentata a cippato P = 70 kW

7.2. Impianto di cogenerazione alimentato ad olio vegetale "grid connected" P = 1 MW
7.3. Centrale di produzione di energia elettrica e termica da biomassa P = 999 kW
7.4. Centrale di produzione di energia elettrica da biomassa "grid connected" P = 4,3 MVA
7.5. Centrale di produzione di energia elettrica da biomassa "grid connected" P = 6 MVA

Capitolo VIII

Guida all'uso del software BioSim_pro1.0 - SIMulatore economico BI0massa

8.1. Utilizzo del programma



Indice delle figure
Indice delle tabelle


a cura di:
Enrico Bocci, ingegnere meccanico, è dottore e assegnista di ricerca presso l’Università degli Studi di Roma “La Sapienza” e ricercatore presso l’Università degli Studi “Guglielmo Marconi” dove insegna Elettrotecnica e Sistemi termochimici ed elettrochimici. Partecipa a numerosi progetti di ricerca nazionali e internazionali, pubblicando articoli e memorie su riviste e congressi internazionali. Ha curato progettazione, realizzazione e manutenzione di impianti a biomassa di piccola taglia e svolge attività di consulenza e progettazione. Fa parte del gruppo di ricerca Energia e Ambiente del CIRPS, nei cui laboratori, insieme con l’ing. Andrea Di Carlo, ha sviluppato sistemi di modellizzazione e test per differenti reattori, brevettando un sistema di gassificazione a doppio letto fluidizzato con condizionamento a caldo per piccole taglie.
Alessandro Caffarelli, ingegnere aerospaziale, esperto in impiantistica elettrica e tecnologie rinnovabili, è Vice Presidente di Intellienergia S.r.l. - Spin-off Università degli studi di Roma “Tor Vergata”, sviluppatore e progettista di impianti IAFR e di soluzioni per l’efficientamento energetico è consulente per conto di aziende, privati ed enti pubblici. è docente in corsi di formazione sulla materia per conto dell’Ordine Ingegneri di Roma, del CIRPS-Consortium “Sapienza Università di Roma”, del MIF - Master in Ingegneria del fotovoltaico Università degli Studi di Roma Tor Vergata, oltre ad altri istituti di formazione.
Mauro Villarini, ingegnere meccanico e Ph.D. in Energetica, è responsabile di un’unità di ricerca presso il CIRPS, Centro Interuniversitario di Ricerca per lo Sviluppo Sostenibile dell’Università di Roma “La Sapienza”, e insegna Impianti Tecnici presso la stessa Università. Sistemista energetico, esperto nello sviluppo di tecnologie sostenibili ed efficienti, sia stazionarie che mobili, cura, come project manager, a livello nazionale e internazionale, programmi di ricerca, progetti e realizzazioni di sistemi di generazione di potenza e di condizionamento alimentati da fonti energetiche convenzionali e, in particolare, rinnovabili e di strutture a basso impatto ambientale.
Alessio D’Amato, è ricercatore in Scienza delle Finanze presso la Facoltà di Economia, Università degli Studi di Roma “Tor Vergata”, dove ha conseguito il Dottorato in “Teoria Economica e Istituzioni”. Docente su tematiche ambientali nei programmi di Master e Dottorato dell’Università di “Tor Vergata”, oltre che presso istituzioni nazionali ed internazionali. L’attività di ricerca verte principalmente su: teoria degli incentivi, regolamentazione ambientale, ottimo uso delle risorse naturali.

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