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Co-combustione della biomassa: analisi dei costi di approvvigionamento

CCC/286

Ben Dooley & Patrick Mason

Aprile 2018

Negli ultimi 20 anni l’utilizzo della biomassa nel settore della produzione dell’energia elettrica è cresciuto costantemente, per far fronte ai sempre più stringenti target ambientali. La sua combustione è considerata “Carbon Neutral”, in quanto l’anidride carbonica assorbita durante il ciclo di vita della pianta viene liberata durante la sua combustione.

Il consumo di biomassa nel settore energetico crescerà nei prossimi anni a causa delle politiche ambientali in atto in Europa, Cina e Giappone ma sarà importante, nel lungo termine, valutarne la sostenibilità economica.

La co-combustione della biomassa con il carbone è una soluzione promettente per la riduzione delle emissioni di anidride carbonica, in quanto facilmente implementabile su impianti esistenti, senza modifiche sostanziali al sistema di approvvigionamento del combustibile e ai bruciatori.

Il consumo e la produzione di pellet a livello mondiale (Mt/anno) è riportato in fig. 1. Dalla figura 1 risulta evidente come l’unione Europea sia tra i maggiori produttori e consumatori di pellet. La produzione mondiale di pellet è aumentata costantemente dalle circa 7 Mt/anno del 2006 alle circa 26 Mt/anno del 2015: il maggiore aumento di produzione si è registrato nel nord America. Dal punto di vista economico l’impiego della biomassa per la produzione di energia elettrica è sostenibile solo se il costo della biomassa utilizzata è basso o nullo. Il costo del pellet in l’Europa, dove i costi di trasporto impattano per un 25-40% sul totale e possono essere molto variabili, è di 150 $/t (2017).

Figura 1 – Produzione, consumo e flussi a livello mondiale per il pellet (espressi in milioni di tonnellate anno)

Gli impianti aventi ridotti consumi di biomassa, operanti in co-combustione con il carbone, riescono a reperire le biomasse in un raggio di poche centinaia di chilometri dall’impianto.

I grandi impianti con consumi considerevoli di biomassa si approvvigionano invece a livello mondiale. In questo caso i costi di trasporto diventano fondamentali e rendono la biomassa non più esente da emissioni di gas ad effetto serra. Questo, dal punto di vista ambientale, ne riduce la virtuosità. Non è scorretto affermare che l’utilizzo di biomassa concorre alla riduzione delle emissioni inquinanti solo se si tratta di biomassa residuale che non richiede energia per essere trattata e trasportata. La biomassa residuale difficilmente può essere usata così com’è in un grosso impianto di produzione di energia elettrica, è preferibile pellettizzarla per conferirgli geometrie standard e aumentarne il contenuto energetico.

Il trasporto della biomassa ha anche un impatto notevole in termini di emissioni inquinanti. Le emissioni di anidride carbonica equivalente sono comprese tra il 26-60% delle emissioni totali della filiera della biomassa. Di conseguenza appare evidente la necessità di limitare la distanza tra i punti di approvvigionamento della biomassa e le centrali elettriche, al fine di massimizzare la riduzione delle emissioni inquinanti legate all’impiego della biomassa.

Dal punto di vista impiantistico la co-combustione della biomassa richiede ridotte modifiche impiantistiche se la percentuale di biomassa nel mix di combustibile è minore del 10%. Per percentuali di biomassa superiori al 10% è necessario modificare i mulini, i bruciatori e il sistema di controllo delle emissioni inquinanti.

Alcuni tipi di biomassa possono provocare localizzati imbrattamenti del generatore di vapore, principalmente legati alla presenza di calcio, alluminio e silice. A seconda della tipologia di biomassa e della sua percentuale nel mix questo problema può causare interventi di manutenzione più frequenti e una riduzione dell’efficienza del generatore di vapore.

Problemi risolvibili modificando i parametri operativi del generatore di vapore. Per quanto riguarda la modifica ai sistemi di controllo delle emissioni inquinanti il problema principale riguarda le ceneri leggere prodotte dalla combustione della biomassa; infatti queste hanno proprietà elettriche differenti rispetto a quelle prodotte dal carbone. Di conseguenza il  filtro elettrostatico comunemente impiegato in tutte le centrali elettriche può perdere di efficacia; ciò comporta la necessità di apportare delle modifiche ai parametri operativi del filtro elettrostatico. In linea di massima la conversione di un impianto esistente da carbone a mix di carbone e biomassa ha un costo specifico di 250.000-700.000 $/MW.

Un importante parametro in grado di rappresentare la sostenibilità economica di un impianto di produzione di energia elettrica e il Levelised Cost of Electricity (LCOE). Esso tiene conto di tantissimi parametri che caratterizzano la singola tecnologia di produzione come per esempio: il costo capitale dell’impianto, i costi di manutenzione e il costo del combustibile.

Nei grafici seguenti sono riportati il LCOE per diversi tipi di tecnologie di produzione di energia elettrica.

Figura 2 In alto il LCOE per differenti tecnologie di produzione di energia elettrica senza considerare il costo dell’anidride carbonica. In basso il LCOE calcolato tenendo conto di 30$/tCO2 come prezzo dell’anidride carbonica.

I due grafici evidenziano che la co-combustione della biomassa introduce dei costi aggiuntivi rispetto alla combustione del solo carbone. Un aspetto che gioca un ruolo molto importante è il costo legato alle emissioni di anidride carbonica: al suo aumentare il LCOE conseguibile con la combustione del solo carbone tende a convergere con il LCOE conseguibile con la co-combustione. Attualmente il costo per tonnellata dell’anidride carbonica è estremamente basso. Storicamente il LCOE relativo alla co-combustione era minore rispetto al LCOE degli impianti solare e degli impianti eolici.

Attualmente con il crollo del costo di produzione degli impianti solari ed eolici di grossa taglia il LCOE è favorevole a quest’ultimi, soprattutto nel caso di un’alta percentuale di biomassa nel mix per la co-combustione.

Il ruolo che giocheranno le biomasse di scarto nel settore dell’energia elettrica dipende dall’andamento della domanda, dal costo dell’anidride carbonica, dal trasporto e dal costo energetico per la produzione del pellet. Tutti fattori molto volatili e legati ai mercati mondiali ma è chiaro che la co-combustione ha il potenziale di mitigare le emissioni clima-alteranti. APorcu