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Sgarbossa, Andrea (2015) Study on the optimization of the pellet production and on the development of a forest-wood-pellet chain. [Tesi di dottorato]

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Abstract (inglese)

The biomass and biofuels markets have increased substantially in the last two decades, mainly driven by the national and European policy targets on green energy. The same positive trend is registered in particular for wood pellet markets.
In comparison with other wooden biofuels (firewood or wood-chips) pellets have a number of positive aspects such as:
- regular and optimized shape;
- wide range of energetic applications (to produce thermal energy, syngas, electricity);
- high solid density resulting in the concentration of a huge amount of energy in small volume;
- high calorific value on volume bases (i.e.: energy density);
- high energetic conversion factors due to the efficiency and regularity of their burning;
- possibility to enhance the qualitative parameters of some biomasses or bio-wastes in a recycling perspective.
The supply chains of wood pellets were traditionally based on residues and by-products from the lumber production industry which could be purchased at low cost locally. Even if these raw materials represent the best option, the potential of residual biomasses has now already reached its availability limit and new forms of supply are needed.
The research program aims to verify the technical and economical feasibility to develop and improve alternative raw materials supply chains for wood pellet production verifying their qualitative output and environmental performances compared with traditional ones.
The research will consider the forestry sector as main source of raw material, as a large amount of low quality timber is annually harvested and even bigger amounts of allowable annual cut (AAC) are not actually harvested both for technical or economic issues. The possibility to build a forest-wood-pellet chain is going to be studied and tested.
The project is mainly focus on four pillars:
1) The study of the actual quality of commercial pellets in the market. Through a consistent sampling activity and the statistical elaboration of the acquired data via SIMCA modeling it is possible to build a model able to classify each sample and predict its certifiability. The model defines a critical metric distance below which a sample can be considered of certifiable quality.
2) The study of the achievable quality that can be technically obtained from forestry assortments. A experimental design is established for the sampling of different raw material retrievable form forest operation in the alpine region. The analysis of wood pellets, produced by the mean of a pilot pelletizing plant, give answers about the quality of the final product.
3) The study of the color of pellets and its relationship with quality parameters. The color of each sample from point 1) is measured through a spectrometer and image scanner and the results elaborated and statistically analyzed to find correlation between color and quality parameter of pellets.
4) The impact assessment of different supply and production pellet chains with the LCA methodology. Five supply and production scenarios are studied and discussed from their environmental performance point of view. Each of them is separated into elementary processes involved in the whole chain and their energetic input and emission output studied and analyzed to detect the best option possible compared with reference one.
The results of this study show that there are still chances of improvement in the production potential of wood pellets by an optimal organization of the supply, not only of traditional raw materials, but also of innovative ones. Their exploitation, moreover, can find a proper position in the market of commercial pellets since the quality performance of such products is comparable with traditional ones.

Abstract (italiano)

I mercati delle biomasse e biocombustibili sono aumentati notevolmente negli ultimi decenni, principalmente sotto la spinta degli obiettivi di politica nazionale ed europea in materia di energia rinnovabile. Lo stesso trend positivo si è registrato in particolar modo per i mercati del pellet di legno.
In confronto con altri biocombustibili legnosi (legna o cippato) il pellet ha un certo numero di aspetti positivi, tra i quali:
- forma regolare e ottimizzata;
- vasta gamma di applicazioni energetiche (per produrre energia termica, syngas, energia elettrica);
- alta densità risultante della concentrazione di una grande quantità di energia in un ridotto volume;
- elevato potere calorifico su base volumetrica (ad esempio: densità energetica);
- elevati fattori di conversione energetici grazie all’efficienza e la uniformità di combustione;
- possibilità di migliorare i parametri qualitativi di alcune biomasse e bio-rifiuti in una prospettiva di riciclaggio.
Le catene di approvvigionamento di pellet di legno sono tradizionalmente basate sui residui e sottoprodotti dell'industria di produzione di legname che potevano essere acquistati a basso costo a livello locale. Anche se queste materie prime rappresentano l'opzione tecnicamente migliore, il potenziale di biomasse residuali ha ormai già raggiunto il limite di disponibilità massimo e sono necessarie nuove forme di approvvigionamento.
Il programma di ricerca si propone di verificare la fattibilità tecnica ed economica dello sviluppo e miglioramento delle catene di approvvigionamento di materie prime alternative per la produzione di pellet di legno e verificare la loro qualità e prestazioni ambientali in confronto con quelli tradizionali.
La ricerca prenderà in considerazione il settore forestale come fonte principale di materia prima, dal momento che una grande quantità di legname di bassa qualità viene annualmente raccolto e una ancora più grande quantità di provvigione tagliabile e disponibile non è effettivamente utilizzata, sia per questioni tecniche che economiche. La possibilità di implementare una catena foresta-legno-pellet è qui studiata e testata.
Il progetto si basa principalmente su quattro pilastri:
1) Lo studio della qualità effettiva di pellet commerciali nel mercato. Attraverso una consistente attività di campionamento e di elaborazione statistica dei dati acquisiti tramite modellazione SIMCA è possibile costruire un modello in grado di classificare ciascun campione e prevederne la sua possibile certificabilità. Il modello definisce una distanza metrica critica sotto la quale un campione può essere considerato di qualità certificabile.
2) Lo studio della qualità tecnicamente ottenibile dalla produzione di pellet da assortimenti forestali. Si è definito uno schema di campionamento delle materie prime recuperabili da operazioni di utilizzazione forestale nella regione alpina. L'analisi dei pellet prodotti con un impianto di pelletizzazione pilota industriale dà risposte sulla qualità del prodotto finale.
3) Lo studio del colore del pellet e il suo rapporto con I parametri di qualità. Il colore di ciascun campione del punto 1) viene misurato attraverso uno spettrometro e uno scanner di immagine e i risultati elaborati ed analizzati statisticamente per trovare eventuali correlazioni tra il colore e i parametri qualitativi del pellet.
4) La valutazione d'impatto delle diverse filiere di approvvigionamento e produzione di pellet con la metodologia LCA. Cinque scenari di diverse catene di approvvigionamento e produzione sono studiati e discussi dal punto di vista delle loro prestazioni ambientali. Ciascuno di essi è stato scomposto in processi elementari coinvolti nell'intera catena e i loro input energetici e output di emissioni sono studiati e analizzati per rilevare la migliore opzione possibile rispetto allo scenario di riferimento.
I risultati di questo studio mostrano che c'è ancora possibilità di miglioramento del potenziale di produzione di pellet da un'organizzazione ottimale della fornitura non solo di materie prime tradizionali, ma anche di altre innovative. Il loro sfruttamento può inoltre trovare un posizionamento sul mercato di pellet commerciali poiché le caratteristiche di qualità di tali prodotti sembrano essere paragonabili a quelli commerciali.

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Tipo di EPrint:Tesi di dottorato
Relatore:Cavalli, Raffaele
Dottorato (corsi e scuole):Ciclo 27 > scuole 27 > TERRITORIO, AMBIENTE, RISORSE E SALUTE
Data di deposito della tesi:23 Gennaio 2015
Anno di Pubblicazione:2015
Parole chiave (italiano / inglese):pellet qualità certificazione colore
Settori scientifico-disciplinari MIUR:Area 07 - Scienze agrarie e veterinarie > AGR/09 Meccanica agraria
Struttura di riferimento:Dipartimenti > Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Codice ID:7534
Depositato il:10 Nov 2015 11:09
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