Pellet di legno vs carbone: costo per GJ di calore utile

Ogni confronto tra combustibili parte da una tabella di poteri calorifici, ed è proprio lì che la maggior parte di essi sbaglia. I pellet di legno a circa 16–17 GJ per tonnellata contro il carbone bituminoso a quasi 29 GJ per tonnellata sembrano un colpo da KO. Non lo è, perché nessuno compra gigajoule. Gli impianti comprano tonnellate, le bruciano con una certa efficienza e pagano per le emissioni che escono dal camino.

Questo è un confronto pratico per ingegneri d'impianto e team acquisti a cui viene chiesto se passare, co-combustibile o restare sul carbone. I numeri provengono da dati pubblicati sui combustibili, e i calcoli sono mostrati così da poter sostituire i nostri prezzi con i vostri preventivi.

Due numeri decidono il confronto

Il primo è l'energia per tonnellata, il secondo è l'energia per tonnellata di calore utile. Il divario tra i due è l'efficienza della caldaia, ed è lì che la maggior parte delle dichiarazioni di marketing crolla silenziosamente.

Il contenuto energetico dei pellet è delimitato da uno standard, il che lo rende facile da gestire. ENplus A1 richiede un potere calorifico netto minimo di 4,6 kWh/kg, pari a 16,56 GJ per tonnellata, con umidità pari o inferiore al 10% e ceneri pari o inferiori allo 0,7% (ENplus Handbook v3.0, Parte 3). Questo è un limite minimo, non una media, ma è un numero difendibile su cui basare i modelli.

Il carbone è più complicato perché conta il rango. La US Energy Information Administration pubblica coefficienti di carbonio che consentono di ricavare il contenuto termico di ciascun rango, poiché il coefficiente è fornito sia per short ton di combustibile sia per milione di Btu di energia. Il carbone bituminoso a 5.124,76 lb di CO2 per short ton contro 205,57 lb di CO2 per milione di Btu implica circa 25 MMBtu per short ton, ovvero circa 29 GJ per tonnellata. Il subbituminoso risulta vicino a 20 GJ per tonnellata, la lignite vicino a 16,5 (EIA, coefficienti di emissione di anidride carbonica). I ranghi stessi differiscono nel contenuto di carbonio e nel potere calorifico nel modo descritto dall'EIA dall'antracite alla lignite (EIA, il carbone spiegato).

Quest'ultimo dato conta più di quanto sembri. Lignite e pellet di legno hanno quasi la stessa energia per tonnellata. Un impianto che brucia lignite non compie un sacrificio drammatico in termini di densità energetica passando ai pellet. Un impianto che brucia bituminoso ad alto rango, invece, sì.

I dati sui combustibili, da fonti primarie

Due letture di questa tabella sono entrambe corrette ed entrambe incomplete. I pellet perdono in termini di energia per tonnellata rispetto al carbone bituminoso di un fattore di circa 1,75, il che rappresenta un costo logistico reale: si acquistano più tonnellate, serve più volume di silo, si effettuano più movimenti di camion. I pellet vincono sulle emissioni per GJ con un ampio margine in qualsiasi sistema di contabilità che tratti il carbonio biogenico come parte del ciclo breve, che è il modo in cui l'UE tratta la biomassa sostenibile (Commissione europea, Bioenergia).

Ciò che i pellet non fanno è emettere zero CO2 al camino. Il legno contiene carbonio e bruciarlo rilascia anidride carbonica. L'argomentazione climatica si basa su da dove proviene quel carbonio e quanto rapidamente ritorna, non sull'assenza della molecola. Gli acquirenti che ripetono "carbon neutral" senza quella frase si preparano a un incontro imbarazzante con un revisore della sostenibilità.

Costo per GJ di calore utile, calcolato nel dettaglio

Ecco il calcolo che decide la maggior parte dei progetti. Prendere il prezzo del combustibile per tonnellata, dividerlo per l'energia per tonnellata, dividerlo per l'efficienza della caldaia. Si ottiene il costo per GJ di calore erogato.

Caso base, e le ipotesi sono volutamente semplici: carbone bituminoso a 90 USD/t, pellet a 180 USD/t, e la stessa efficienza della caldaia dell'85% per entrambi, così il confronto riguarda il combustibile e non le dichiarazioni sulle apparecchiature.

Dividi il divario per le emissioni e ottieni il prezzo del carbonio al quale i due combustibili vanno in pareggio: circa 88 USD per tonnellata di CO2 in questo caso. Questo è il dato onesto. I pellet non sono più economici del carbone sul costo del combustibile. Diventano comparabili quando il carbonio ha un prezzo, o quando le alternative sono peggiori per un altro motivo.

Il risultato varia con gli input, quindi ecco lo stesso calcolo su una gamma di prezzi. Ogni cella è il prezzo della CO2, in USD per tonnellata, al quale i pellet eguagliano il carbone sul costo per GJ di calore.

Leggilo come una mappa, non come una previsione. Nei mercati in cui il carbonio è ben al di sotto di queste cifre, il passaggio è una decisione di conformità o di sostenibilità, e va giustificato come tale. Nei mercati al di sopra, è una decisione di costo che risulta anche verde.

Ciò che il carbone offre e i pellet no

Fingere che questi vantaggi non esistano è il modo in cui si scrivono gli studi di fattibilità e poi li si accantona in silenzio.

Energy density and storage footprint. Sostituire una tonnellata di carbone bituminoso richiede circa 1,75 tonnellate di pellet, e i pellet necessitano di circa 1,3-1,7 m³ per tonnellata secondo la fascia di densità apparente ENplus. Il tuo parco carbone non conterrà la stessa energia in pellet. La maggior parte delle conversioni richiede più stoccaggio o consegne più frequenti.

Profondità dell'approvvigionamento. Il carbone ha un mercato globale con futures, indici e decenni di logistica. L'approvvigionamento di pellet industriale è più sottile, più regionale e più esposto a fermi di singoli impianti. Un contratto di 12 mesi con un solo produttore è un rischio di concentrazione che un acquirente di carbone non ha mai dovuto considerare.

Temperatura di fiamma e chimica delle ceneri. I processi ad alta temperatura come i forni da cemento e i forni per vetro si basano su condizioni di fiamma e comportamento delle ceneri che la biomassa non riproduce. Le ceneri di biomassa contengono anche alcali e cloruri che si comportano male nei sistemi dei forni. Ecco perché i progetti di decarbonizzazione del cemento di solito ricorrono a materie prime alternative e combustibili diversi dai semplici pellet di legno.

Comportamento nella movimentazione. I pellet sono morbidi, friabili e igroscopici. Il carbone è indulgente. Ogni punto di trasferimento nel tuo parco diventa un generatore di fini e ogni magazzino aperto diventa un rischio di umidità, il che significa che la conversione è un progetto di movimentazione dei materiali prima che un progetto di combustibile.

Ciò che i pellet offrono

Volume delle ceneri. ENplus A1 limita le ceneri allo 0,7%, e il buon materiale A1 è al di sotto di tale valore. Il carbone produce ceneri a un tasso multiplo, e le ceneri devono essere gestite, smaltite in discarica o vendute. Per gli impianti che pagano lo smaltimento delle ceneri, il risparmio è reale e spesso sottovalutato nel confronto basato solo sul combustibile.

Zolfo e SO2. La combustione del carbone produce biossido di zolfo e richiede attrezzature di controllo o carbone a basso contenuto di zolfo per rispettare i limiti. Il legno contiene pochissimo zolfo, quindi una caldaia a pellet di solito rispetta i limiti di SO2 senza desolforazione dei fumi. Questo elimina una voce di capitale e un costo di consumo dall'equazione.

Contabilità del carbonio. Secondo le norme UE, la biomassa sostenibile conta come rinnovabile e le sue emissioni di combustione sono riportate nel flusso biogenico anziché come emissioni fossili (Commissione europea, Bioenergia). Per un impianto con un cliente che chiede riduzioni Scope 1, questo cambiamento contabile vale spesso più del risparmio sul combustibile.

Certificazione verificabile. Una catena di approvvigionamento certificata dà al tuo team di sostenibilità qualcosa di concreto a cui collegare l'affermazione. ENplus copre la qualità; schemi tipo SBP coprono l'approvvigionamento. Nessuno dei due esiste nella filiera del carbone.

Prima la co-combustione, poi la conversione

La conversione completa è un progetto di capitale. La miscelazione è una modifica operativa e, per molti impianti, rappresenta il primo passo sensato: una miscela del 10% in termini di energia riduce la CO2 del carbone di circa il 10%, collauda i sistemi di ricezione, stoccaggio e alimentazione e fornisce all'operatore della caldaia dati reali prima che qualcuno firmi un ordine di acquisto per un nuovo sistema di combustione.

La miscelazione ha una sua disciplina. I pellet e il carbone non si comportano allo stesso modo in un mulino o in un alimentatore, e il rapporto di miscelazione che funziona in una prova potrebbe non reggere a pieno carico. Se si sceglie questa strada, dimensionare il deposito dei pellet accanto al parco carbone anziché al suo interno, mantenere i due combustibili separati fino al bruciatore e misurare ciascun flusso per sapere cosa si è effettivamente bruciato.

Se si sta costruendo contemporaneamente il lato dell'approvvigionamento dei pellet, la configurazione della linea e la struttura dei costi delle macchine determinano il costo consegnato che entra nella tabella sopra. La certificazione è l'altra metà: cosa richiede effettivamente la ENplus A1 decide se i propri pellet possono essere venduti sul mercato premium o solo per la co-combustione industriale.

Tre casi in cui la conversione è la scelta sbagliata

La maggior parte degli articoli come questo si conclude con una raccomandazione a convertire. Qui si sostiene il contrario, perché una cattiva conversione costa più di una conversione rinviata.

1. La caldaia è a carbone polverizzato e l'unica fonte di pellet è a 400 km di distanza. I polverizzatori sono costruiti per combustibili fragili. I pellet sono fibrosi e morbidi e arrivano con una specifica di umidità per cui la movimentazione del carbone non è mai stata progettata. Se il combustibile deve viaggiare ed essere movimentato due volte prima di raggiungere il bruciatore, il costo logistico annullerà il vantaggio in termini di carbonio.

2. È necessaria un'elevata temperatura di fiamma. Cemento, calce, vetro e alcuni processi metallurgici richiedono condizioni che i pellet di legno non possono garantire, e gli alcali presenti nelle ceneri di biomassa creano problemi operativi a valle. Per questi impianti, l'elettrificazione, i combustibili alternativi o la CCS sono di solito percorsi migliori rispetto alla sostituzione con pellet.

3. Il carbonio non ha un prezzo e il carbone è a basso costo. Con un prezzo del carbone di 70 USD/t e i pellet a 220 USD/t, il prezzo di pareggio del carbonio supera i 120 USD per tonnellata, come mostra la tabella. Un impianto in questa situazione che converte solo in base all'economia del combustibile sta acquistando una storia di sostenibilità costosa. Si converta perché un cliente, un finanziatore o una normativa lo richiede — e lo si dichiari nel business case.

Se nessuno di questi tre casi si applica, vale la pena eseguire il confronto in modo accurato con i propri dati. Si parta dal prezzo consegnato per tonnellata, non dal prezzo di listino, e si utilizzino i valori di energia ed emissioni tratti dalle norme anziché da un opuscolo del fornitore. L'aritmetica è semplice. È sui dati di input che i progetti si vincono o si perdono.