Bezzo - energia biomassa - ppt

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Bezzo - energia biomassa - ppt

  1. 1. Energia da biomasse:Aspetti fondamentali e prospettive<br />Fabrizio Bezzo<br />fabrizio.bezzo@unipd.it<br />049 8275468<br />www.capelab.dipic.unipd.it<br />
  2. 2. Sommario<br />L’umanità ha la capacitàdirenderesostenibile lo sviluppo, cioèdigarantirechequestosvilupposoddisfiibisognidella nostra generazionesenzacompromettere la possibilitàdellegenerazioni future di fare altrettanto<br />(The Bruntland Report, 1987)<br />Introduzione<br />Produzione di energia elettrica<br />Produzione di biocarburanti <br />Conclusioni<br />
  3. 3. Redditi e popolazione<br />Introduzione<br />Mia nonna diceva: ci sono solo due famiglie al mondo, gli Hannotanto e gli Hannopoco<br />(Miguel de Cervantes, Don Chisciotte)<br />
  4. 4. Costo del progressoAlcuni dati di fatto<br />Introduzione<br />benessere ed inquinamento<br />il pianeta si sta riscaldando<br />per promuovere la prosperità economica deve crescere il PIL<br />per far crescere il PIL si deve aumentare il consumo di energia<br />più energia si consuma, più CO2 si produce<br />più CO2 viene immessa nell’atmosfera….<br />la CO2 “buona” e quella “cattiva”<br />quanto pesa la CO2 sul global warming?<br />
  5. 5. Consumo globale di energia<br />Introduzione<br />BOE=Barile di petrolio equivalente (159 L, ovvero 6.1 GJ)<br />
  6. 6. Consumo di energiaQuale energia?<br />Introduzione<br />7%<br />6%<br />23%<br />38%<br />26%<br />I combustibili fossili forniscono più dell’85% dell’energia consumata<br />
  7. 7. Prospettive e ipotesi (a 50 anni)<br />Introduzione<br />La lotta per l’esistenza è la lotta per l’energia disponibile<br />(Ludwig Boltzmann)<br />Crescita lenta nei paesi industrializzati<br />Crescita rapida nei paesi in via di sviluppo<br />Popolazione mondiale a 9-10 miliardi<br />aumento di 6-7 volte del PIL mondiale<br />aumento di 5-6 volte della produzione per la maggior parte dei beni di base (ferro, prodotti chimici, legname, etc.) <br />aumento di 3.5 volte della domanda energetica<br />aumento di 7 volte della domanda di elettricità<br />richieste energetiche ancora più elevate per affrontare questioni ambientali!<br />
  8. 8. EnergiaRiserve e consumo<br />Introduzione<br />
  9. 9. Energia nel mondoFonti primarie (dati IEA)<br />Introduzione<br />rinnovabili<br />altro<br />nucleare<br />petrolio<br />geotermia<br />solare/maree<br />idroelettrico<br />carbone<br />vento<br />gas<br />biomassa<br />Italia<br />
  10. 10. Il consumo di petrolioQualche disequilibrio<br />Introduzione<br />…seconno le statistiche d'adesso / risurta che te tocca un pollo all'anno: / e, se nun entra nelle spese tue, / t'entra ne la statistica lo stesso / perch'è c'è un antro che ne magna due(Trilussa)<br />Ogni giorno sono estratti oltre 80 milioni di barili di petrolio (circa 2 litri al giorno per ogni abitante sulla terra). Ma:<br /><ul><li>Africa
  11. 11. India
  12. 12. Cina
  13. 13. Europa
  14. 14. America</li></li></ul><li>Il consumo di petrolioCosa ne facciamo?<br />Introduzione<br />58%<br />35%<br />7%<br />
  15. 15. Qualche confronto…Dati IEA<br />Introduzione<br />% rinnovabili su energia totale<br />Francia 6.5% (eolico 2%, solare 0.5%, biomassa 68%)<br />Germania 6.9%: (eolico 15%, solare 2.7%, biomassa 74%) <br />UK 2.1% (eolico 9%, solare 0.9%, biomassa 80%) <br />Italia 6.7% (eolico 2%, solare 0.3%, biomassa 32%)<br />
  16. 16. Qualche confronto…Energia per abitante<br />Introduzione<br />Intensità energetica (energia/abitante) rispetto a Italia<br />Francia +40% <br />Germania +33%<br />UK +23%<br />USA +150%<br />Giappone +32%<br />Intensità emissioni CO2 (CO2/abitante) rispetto a Italia<br />Francia -22% <br />Germania +29%<br />UK +13%<br />USA +148%<br />Giappone +20%<br />
  17. 17. Qualche confronto…Energia per ricchezza prodotta<br />Introduzione<br />Intensità energetica (energia/PIL) rispetto a Italia<br />Francia +12% <br />Germania +6%<br />UK -12%<br />USA +29%<br />Giappone -35%<br />Intensità emissioni CO2 (CO2/PIL) rispetto a Italia<br />Francia -34% <br />Germania +5%<br />UK -17%<br />USA +31%<br />Giappone -39%<br />
  18. 18. Come viene usata energia?E come viene prodotta CO2?<br />Introduzione<br />12% edifici<br />22% industria<br />edifici<br />servizi<br />agricoltura<br />industria<br />19% trasporto<br />11% trasformazione fonti primarie<br />36% produzione energia elettrica<br />trasporto<br />CO2<br />
  19. 19. Consumo di energiaL’uso dell’energia negli edifici<br />
  20. 20. Scelta di materia prime<br />Disponibilità<br />Accessibilità<br />Concentrazione<br />Costo di estrazione (in termini di impatto e risorse necessarie)<br />Concorrenza per materia prima<br />Esistenza di alternative<br />“Vicinanza” nella struttura chimica o fisica<br />“vicinanza” nello stato di ossidazione<br />Introduzione<br />
  21. 21. Riserve di carbonio(consumo petrolio: ~30 miliardi barili all’anno)<br />Introduzione<br />Riserve di gas recuperabili – 75-90 GTC (1 Tera-BOE)<br />Riserve di petrolio recuperabili – 120-150 GTC (1.2 Tera-BOE)<br />Riserve di carbone recuperabili – 900-1000 GTC (6.6 Tera BOE)<br />Argillite petrolifera (Oil Shale) – 225 GTC<br />Sabbie bituminose – 250 GTC<br />Altre riserve fossili (non estraibili con tecnologia attuale) – 2500 GTC<br />Torba e carbonio del suolo – 2000 GTC<br />Idruri del metano – 10000 (??) GTC<br />Biomassa – 500-800 GTC<br />Produzione annuale terrestre – 50-60 GTC/y (400 Giga-BOE/y)<br />Produzione annuale acquatica – 15-25 GTC/y (100 Giga-BOE/y)<br />CO2 atmosferica (360ppm) – 750 GTC<br />Carbonio oceanico (30ppm) – 40000 GTC<br />Calcare/dolomite/gesso – 100000000 GTC<br />Uranio: 4 mil ton provate (~5 Tera-BOE con tecnologie attuali)<br />22 mil probabili<br />
  22. 22. Stima del consumo di energiaUna previsione semplice<br />Introduzione<br />Al giorno d’oggi:<br />6.7 miliardi x 12 BOE/persona = 80 miliardi di BOE<br />Fra 40 anni:<br />10 miliardi x 15 BOE/persona = 150 miliardi di BOE<br />Secondo alcuni calcoli, questo comporterebbe un esaurimento di TUTTE le fonti fossili in meno di 100 anni.<br />In assenza di soluzioni emissioni di CO2 passeranno nel 2050 dalle attuali circa 7 GTC/anno ad almeno 26 GTC/anno.<br />
  23. 23. Introduzione<br />
  24. 24. Introduzione<br />
  25. 25. Sviluppo sostenibile<br />Controllo della qualità dell’aria<br />Gestione delle risorse idriche<br />Conservazione qualità del terreno<br />Conservazione natura e paesaggio<br />Sicurezza ed efficienza energetica<br />Gestione demografica<br />Gestione rifiuti<br />Pianificazione della mobilità<br />Sviluppo tecnologico e pianificazione della produzione<br />Introduzione<br />
  26. 26. La Produzione di Energia Elettrica<br />da Biomassa<br />
  27. 27. Produzione mondiale di elettricitàFonti primarie (dati IEA)<br />Energia elettrica<br />altro<br />rinnovabili<br />gas<br />nucleare<br />petrolio<br />carbone<br />88% idroelettrico<br />6% biomassa<br />
  28. 28. Produzione di elettricitàFonti rinnovabili (dati IEA)<br />Energia elettrica<br />
  29. 29. Energia elettricaFonti rinnovabili<br />Le tre principali fonti rinnovabili oggi disponibili per la produzione di energia elettrica utilizzano:<br />sole: fotovoltaico e solare termodinamico (concentrato)<br />vento: energia eolica (mulini)<br />biomassa: combustione e gassificazione<br />Energia elettrica<br />
  30. 30. Costi dell’energia elettricaDati e previsioni IEA 2008<br />Energia elettrica<br />Sequestro CO2 in impianti a carbone o metano comporta costa aggiuntivo di circa 20-40 $ per MWh prodotto.<br />costo carbone<br />costo metano<br />
  31. 31. Energia elettricaIl fotovoltaico<br />Energia elettrica<br />Dal 2004 prezzo non è sceso a causa dell’aumento del costo del silicio (da 25 $/kg a 400 $/kg!)<br />Conversione diretta dell’energia solare (fotoni) in energia elettrica (elettroni)<br />Il modulo fotovoltaico è solitamente a base di silicio<br />Rendimenti commerciali si attestano oggi attorno al 15% (silicio monocristallino)<br />Radiazione solare massima 1 kW/m2<br />sole: 1 GW  1 km2<br />considerata efficienza, variabilità insolazione, etc. per ottenere 1 GW servono circa 40 km2<br />Italia necessita di circa 41 GW<br />Possibile generazione distribuita (anche piccola scala)<br />Erogazione discontinua<br />
  32. 32. Energia elettricaIl solare termodinamico (o concentrato)<br />Energia elettrica<br />Raggi solari sono concentrati su ricevitore che scalda oli minerali (< 400 °C) o sali fusi (> 600 °C) che vengono utilizzati per produrre vapore che aziona turbina e produce energia elettrica<br />Vantaggio: non c’è discontinuità perché è possibile accumulare oli o sali fusi in serbatoi di raccolta<br />Efficienza 15-50%  serve minor superficie<br />
  33. 33. Energia elettricaL’eolico<br />Energia elettrica<br />Vento muove pale e l’energia meccanica è trasformata in energia elettrica.<br />Una installazione terrestre oggi può arrivare a 3 MW di potenza<br />Una installazione offshore oggi può produrre circa 6 MW (in progetto mulini da 10 MW), ma costi sono 40% superiori<br />Efficienza è attorno al 20%, ma molto variabile  come fotovoltaico è un’energia discontinua<br />
  34. 34. Energia elettricaLa biomassa<br />Oggi principali tecnologie che partono da biomassa prevedono (quasi) sempre la produzione di vapore che serve per azionare una turbina per la produzione di energia elettrica<br />Vi sono principalmente tre strade<br />combustione diretta della biomassa (legno, residui agricoli, pellets, oli vegetali)<br />gassificazione della biomassa: biomassa viene trasformata ad elevata temperatura in un gas che contiene idrogeno, monossido di carbonio e metano e questo viene bruciato<br />fermentazione della biomassa (rifiuti di tipo organico) per produrre biogas (metano e anidride carbonica) che viene bruciato <br />Energia elettrica<br />
  35. 35. Il consumo di biomasse<br />Energia elettrica<br />Attualmente circa il 10% del consumo primario di energia deriva da biomasse<br />paesi industrializzati solo 3.5% (anche se Finlandia 18%, Svezia 17%, Austria 13%)<br />paesi in via di sviluppo 38%<br />sono intese come biomasse coltivazioni e residui legnosi come pure i residui zootecnici<br />Si noti che l’energia primaria è l’energia solare che si trasforma in biomassa attraverso la fotosintesi<br />efficienza media 0.1% (punte al 2%)<br />reazione per produzione lignocellulosa<br />CO2 + 0.72 H2O  CH1.44O0.66 + 0.66 O2<br />
  36. 36. Produttività biomasse<br />Energia elettrica<br />
  37. 37. Energia elettrica<br />Biomassa terrestreSfruttamento umano delle risorse (Haberl et al., 2007)<br />Superficie terrestre è già molto sfruttata. Uso biomassa per energia determina numerosi problemi:<br /><ul><li> tecnologici, economici, etici/sociali, ambientali</li></ul>Intervento su zone già sfruttate impone o rivoluzioni tecnologiche o cambio della destinazione finale della biomassa coltivata <br />
  38. 38. Elettricità e calore<br />Le biomasse possono essere trasformate attraverso processi chimici (combustione, gassificazione, pirolisi) o biologici (fermentazione) allo scopo di produrre energia elettrica e calore<br />Il potere calorifico delle biomasse è abbastanza vario:<br />legno (essiccazione naturale): 11 MJ/kg<br />legno (essiccazione termica): 14.5 MJ/kg<br />pellets: 17 MJ/kg<br />trucioli: 15.9 MJ/kg<br />paglia: 14.5 MJ/kg<br />granella di mais: 16.7 MJ/kg <br />Energia elettrica<br />
  39. 39. Elettricità e caloreI processi termochimici: combustione<br />Le risorse sono molto varie: residui forestali e agricoli<br />solitamente il combustibile è solido, ma vi sono numerose eccezioni (biogas)<br />talvolta biomassa è “tagliata” con combustibili fossili per aumentare potere calorifico (tipico per residui zootecnici)<br />Si tratta di una complessa reazione di ossidoriduzione, esotermica nella quale il carbonio e l’idrogeno del combustibile reagiscono con l’ossigeno per formare CO2 e H2O. Sono riconoscibili 3 fasi:<br />riscaldamento ed essiccamento<br />gassificazione (distillazione)<br />reazioni in fase gassosa <br />Energia elettrica<br />
  40. 40. Combustione diretta<br />Impianti di piccole dimensioni: stufe, caminetti (a legna, tronchetti o pellets) a rendimento molto variabile:<br />caminetti aperti: 10% (ma con inserti: 50-60%)<br />stufe a pellets: 60-75%<br />Impianti di grandi dimensioni: tecnologie a letto fisso e a letto fluido (>30 MW)<br />rendimento: 75-90%<br />Negli impianti di grandi dimensioni la combustione è solitamente utilizzata per la produzione di vapore per la produzione di energia elettrica<br />solo energia elettrica: he = 40% max (<30% se rifiuti organici solidi)<br />cogenerazione di elettricità e calore: he = 30%<br />Energia elettrica<br />
  41. 41. Tipi di combustori<br />Energia elettrica<br />Combustori a letto fisso: adatta anche per pezzatura disomogenea, umidità variabile.<br />Solitamente avviene in due stadi: aria primaria poco turbolenta (per non smuovere braci); aria secondaria per combustione ottimale degli effluenti gassosi.<br />Combustori a letto fluido: aria fornita dal basso e mantiene materiale in stato fluido. Richiede omogeneità pezzatura.<br />Si una minor eccesso d’aria (meno NOx), <br />è possibile operare a bassa temperatura (800-900 ºC).<br />
  42. 42. Elettricità e caloreI processi termochimici: gassificazione<br />La gassificazione è la conversione termochimica di un combustibile solido o liquido in un gas che avviene attraverso un agente gassificante.<br />Divisa in varie fasi: combustione, pirolisi, gassificazione.<br />Sono utilizzati come agenti gassificanti:<br />aria<br />ossigeno<br />vapore<br />Differenza sostanziale con combustione è minor rapporto ossigeno/combustibile<br />Energia elettrica<br />
  43. 43. Principali reazioni<br />Energia elettrica<br />Reazioni principali:<br />Combustione: C + O2 CO2<br />Ossidazione parziale: C + 0.5O2 CO<br />Reforming: C + H2O  CO + H2<br />Reazione di Boudouard: C + CO2 2CO<br />Metanazione: C + 2H2 CH4<br />Water/Gas Shift: CO + H2O  CO2 + H2<br />La composizione del gas è molto variabile e dipende dal tipo di biomassa, dall’umidità della stessa, dall’agente gasogeno, dalle condizioni operative (temperatura), dall’apparecchiatura:<br />CO: 10-15 (aria); 30-38% (ossigeno); 32-41% (vapore)<br />CO2: 14-20 (aria); 25-30% (ossigeno); 15-20% (vapore)<br />H2: 9-10 (aria); 30-35% (ossigeno); 24-30% (vapore)<br />CH4: 2-5 (aria); 4-6% (ossigeno); 12-14% (vapore)<br />N2: 55-70 (aria); 2-5% (ossigeno); 2-5% (vapore)<br />
  44. 44. Gassificazione: uso del syngas<br />Energia elettrica<br />Il potere calorifico del gas di sintesi: 3.8 – 5 MJ/Kg<br />Se si utilizza per produrre energia elettrica rendimento è del 20-30% <br />consumo di biomassa 1.3-2 kg/kWh<br />cicli gassificazione + turbina a vapore: he = 20-30%<br />cicli gassificazione + ciclo combinato a gas: he = 30-40%<br />Problemi: <br />tecnologia in molti gasi è ancora antieconomica (conviene in casi particolari: gassificazione del black liquor delle cartiere)<br />qualità del syngas difficile da garantire<br />Il syngas contiene contaminanti (acidi e vari composti solforati e clorurati). Il livello di depurazione dipende da uso finale<br />bassa depurazione se usato come riducente in processi chimici<br />media depurazione per produzione energia elettrica<br />massima depurazione per produzione metanolo, carburanti sintetici, H2<br />
  45. 45. GassificazioneSchema di processo<br />Energia elettrica<br />vapore hp<br />acqua<br />Boiler<br />Purificazione<br />syngas<br />N2<br />syngas<br />O2<br />Turbina a gas<br />elettr.<br />Gassificatore<br />Separazione<br />aria<br />aria<br />biomassa<br />solida<br />Boiler<br />Macina<br />vapore surr.<br />Gassificazione è molto modulare e anche per questo permette grande flessibilità nella potenza degli impianti. Inoltre, ha minor impatto ambientale rispetto a combustione.<br />vapore lp<br />Turbina <br />a vapore<br />elettr.<br />
  46. 46. Tipi di gassificatori<br />Energia elettrica<br />Letto fisso: sono più flessibili nella granulometria del materiale; usati per media taglia<br />tiraggio updraft, downdraft, crossdraft<br />Letto fluido: se agiscono sotto pressione consente una certa flessibilità nella granulometria (oltre a inerte, possono essere aggiunti catalizzatori)<br />letto fluido sospeso o circolante<br />Letto trascinato: combustibile viene miscelato con ossigeno e vapore (o miscele acqua/carbone) e operato in equicorrente a temperature molto elevate (>1200 ºC); serve granulometria molto fine<br />
  47. 47. Elettricità e caloreI processi termochimici: pirolisi<br />La pirolisi è una decomposizione termochimica dei materiali organici, ottenuta fornendo calore a temperature comprese tra i 400 e gli 800 ºC in assenza (o difetto) di ossigeno<br />I prodotti sono gassosi, liquidi e solidi a seconda della biomassa e delle condizioni di reazione<br />pirolisi lenta: 35% solido (50% contenuto energetico), 25% liquido, acqua 20%, gas 20%<br />pirolisi rapida (flash; permanenza < 1 s) a bassa temperatura (500-650 ºC): 80% liquido  pirolio<br />pirolisi rapida ad alta temperatura (>650 ºC): 80% gas<br />Processo è costoso e di difficile manutenzione<br />Energia elettrica<br />
  48. 48. PirolisiUso prodotti<br />Gas: utilizzato subito per combustione (riscaldamento o generazione vapore)<br />Solido: è carbone (utilizzato per forni e barbecue)<br />Liquido: il pirolio (o bio-olio) è il prodotto potenzialmente più interessante, perché molto simile a petrolio. Ma:<br />poco stabile (molti gruppi ossigenati)<br />composizione chimica molto complessa (composti di potenziale valore, ma di difficile separazione)<br />poco economico<br />Energia elettrica<br />
  49. 49. Elettricità e caloreI processi biochimici: la digestione anaerobica<br />Si tratta di un processo biologico che trasforma biomassa liquida (deiezioni animali, spremitura di rifiuti organici, etc.) a biogas (60-65% metano; 30-35% CO2)<br />Tre stadi di digestione:<br />enzimi extracellulari degradano molecole complesse (proteine, cellulosa, grassi, carboidrati) in acidi grassi solubili, alcoli, NH3, CO2<br />batteri acetogenici (e formatori di acidi) trasformano prodoti precedenti in acido acetico, acido propionico, H2, CO2, etc.<br />due gruppi di batteri metanogeni anaerobici trasformano rispettivamente CO2 e H2 oppure acetato in metano<br />In genere lo stadio limitante è il terzo (crescita lenta, alta sensibilità a fattori ambientali).<br />Il biogas prodotto viene utilizzato per:<br />produzione calore<br />cogenerazione elettricità + calore<br />Energia elettrica<br />
  50. 50. Digestione anaerobicaCondizioni operative<br />Temperatura: solitamente 35 ºC (condizioni mesofile)<br />pH: 6-8 (carbonato è sistema acido-base che più controlla pH in questi processi)<br />Tempo di permanenza dipende da concentrazione, temperatura, tipo di batteri<br />Devono essere garantire buone condizioni di mescolamento e apporto di adeguato nutrimento (spesso materiale in ingresso è sufficiente)<br />Processo può essere:<br />continuo (serve sia digestore che serbatoio di post-digestione)<br />discontinuo<br />semicontinuo<br />Energia elettrica<br />
  51. 51. Digestione anaerobicaSchema di processo<br />Energia elettrica<br />vapore<br />acqua<br />Boiler<br />fumi<br />turbina<br />elettr.<br />vapore lp<br />biogas<br />fango<br />Digestore<br />anaerobico<br />pretrattamento<br />fango<br />digerito<br />centrifuga<br />concime<br />acqua<br />
  52. 52. La Produzione di Carburanti<br />da Biomassa<br />
  53. 53. La situazione europeaProssimi 25 anni<br />I biocarburanti<br />Per EU 25 crescita annua media dello 0.6% per energia primaria (2.4% incremento annuo del PIL)<br />Dipendenza da importazioni: 47.1%  67.5%<br />La UE ha stabilito una serie di obiettivi: incrementare la quota delle energie rinnovabili da 5.4% nel 1997 al 12% nel 2010 e sino al 20% nel 2020<br />direttiva 2003/30/CE: sostituzione di diesel e benzina del 5.75% entro il 2010<br />Presidenza UE 2007: sostituzione di diesel e benzina del 10% entro 2020<br />
  54. 54. Settore carburantiprevisioni 2000-2030 (FONTE: DG-TREN, 2003)<br />I biocarburanti<br />30% del consumo totale di energia nell’Unione Europea deriva dal settore trasporti<br />Trasporto merci: +2.1% anno per EU 15<br />trasporto su gomma: 69%  77.4%<br />Trasporto personale: +1.5% anno per EU 25<br />raddoppio trasporto aereo sino a quota del 10.8% sul totale (consumo energia 16%)<br />auto e moto circa stabili: 77.7%  75.8%<br />I carburanti liquidi continueranno a dominare il mercato<br />richiesta di diesel aumenterà più di quella della benzina<br />
  55. 55. Produzione di biocarburantiMondo<br />I biocarburanti<br />Nel mondo nel 2006 sono stati prodotti circa 46 milioni di ton di biocarburanti (40 etanolo e 6 biodiesel) e 1.4 miliardi di ton di benzina e diesel<br />USA dal 2005 primo produttore mondiale di etanolo: da 4 milioni di ton nel 1996 a quasi 15 milioni di ton nel 2006 (+ un milione di ton di biodiesel)<br />Brasile per 25 anni il leader mondiale di etanolo: nel 2006 produce circa 14 milioni di ton<br />Cina: nel 2006 3 milioni di ton di etanolo<br />Europa: nel 2006 circa 2.5 milioni di ton di etanolo e 4 milioni di ton di biodiesel<br />
  56. 56. Il contesto politico italianoIncentivi<br />Energia elettrica da fonti rinnovabili<br />certificati verdi<br />incentivi<br />Biocarburanti (Legge n. 81/2006)<br />Dal 1º luglio 2006 i produttori di carburanti (diesel/benzina) devono immettere al consumo biocarburanti di origine agricola oggetto di un’intesa di filiera, o di un contratto quadro, o di un contratto di programma agroenergetico in misura pari all’1 per cento dei carburanti diesel e della benzina immessi al consumo nell’anno precedente. Tale percentuale, espressa in potere calorifico inferiore, è incrementata di un punto per ogni anno, fino al 2010.<br />I biocarburanti<br />Previsioni per domanda di biocarburanti in Italia: <br />500mila t nel 2007 - 2.1 milioni di t nel 2010<br />
  57. 57. Emissioni CO2<br />I biocarburanti<br />Emissioni previste di CO2 (UE 25 2005-2020)<br />Fonte: Commissione Europea, gennaio 2007<br />
  58. 58. Emissioni CO2Come produciamo CO2?<br />I biocarburanti<br />Quando viene bruciato:<br />1 kg di petrolio produce 2,6 kg di anidride carbonica<br />in termini energetici: 61 g/MJ<br />1 kg di gas naturale produce 2,7 kg di anidride carbonica<br />in termini energetici: 57 g/MJ<br />1 kg di carbone produce 2,6 kg di anidride carbonica<br />in termini energetici: 91 g/MJ (valore medio)<br />1 kg di legname produce 1,6 kg di anidride carbonica<br />in termini energetici: 85 g/MJ (valore medio)<br />ma questa non incrementa il contenuto nell’atmosfera<br />NOTA BENE:<br />un ettaro di bosco cattura 1 kg di anidride carbonica ogni ora<br />un’automobile media produce 1 kg di anidride carbonica ogni tre chilometri<br />
  59. 59. Auto per abitante<br />I biocarburanti<br />
  60. 60. BiocarburantiIl bioetanolo<br />Vi sono due grandi categorie tecnologiche<br />Bioetanolo di prima generazione<br />produzione da zuccheri semplici<br />produzione da amido<br />Bioetanolo di seconda generazione<br />produzione di materiali lignocellulosici<br />via biologica<br />via termochimica<br />I biocarburanti<br />
  61. 61. I biocarburantiDiverso valore energetico<br />I biocarburanti<br />In termini di potere calorifico: <br />1 L EtOH = 0.65 L benzina<br />1 kg EtOH = 0.6 kg benzina<br />diesel<br />olio di colza<br />coke<br />etanolo<br />pellet<br />
  62. 62. La situazione americanaIl piano energetico per l’etanolo<br />I biocarburanti<br />Actual<br />New RFS<br />obiettivo 2012 (superato già nel 2008!)<br />>25% del mais americano finisce in etanolo<br />6.5 bgal nel 2007<br />>19 Mt<br />consumo benzina 2005: 350 Mt<br />4.9 bgal nel 2006<br />>14.7 Mt<br />Miliardi di galloni<br />3.9 bgal nel 2005<br />Source: Renewable Fuel Association<br />
  63. 63. La situazione europea2006<br />I biocarburanti<br />Circa 2.5 Mt/anno di bioetanolo<br />Francia: 750 kt<br />Germania: 600 kt<br />Spagna: 350 kt<br />Polonia: 200 kt<br />Italia: 120 kt, ma collegato a industria vinicola (nessun impianto rilevante da mais o frumento)<br />Circa 4 Mt/anno biodiesel<br />Germania: 3000 kt<br />Francia: 700 kt<br />Italia: 400 kt (2005)<br />Repubblica Ceca: 130 kt (2005)<br />
  64. 64. Bezzo 2009<br />Produzione di biocarburantiUlteriori dati sul biodiesel<br />I biocarburanti<br />
  65. 65. Il bioetanoloProprietà chimiche e motoristiche<br />I biocarburanti<br />Numero di ottano: indice della proprietà detonante di un carburante in un motore Otto <br />(la detonazione è la conseguenza della autocombustione del carburante  battito in testa)<br />Potere calorifico inferiore: 26.7 MJ/kg<br />Benzina: 45 MJ/kg<br />Temperatura di ebollizione (1 atm): 78.4°C<br />Vantaggi:<br />Numero di ottano elevato (>100); benzina ha in genere un numero di ottano 95<br />No emissione benzene e SO2, minori emissioni di CO<br />tuttavia maggiori emissioni aldeidi<br />Elevato calore di vaporizzazione: permette raffreddamento della miscela e maggiore compressione<br />Svantaggi:<br />Igroscopico<br />smiscelazione<br />Chimicamente più aggressivo (corrosione)<br />Tensione di vapore bassa: problemi di accensione a freddo<br />
  66. 66. Il bioetanolo di I generazioneIl processo attuale possibile in Italia<br />I biocarburanti<br />mais, frumento, orzo, barbabietola…<br />Processo <br />biologico<br />Etanolo<br />Piante zuccherine<br />100 kg mais<br />31 kg (40 L) etanolo (+ 31 kg mangimi animali)<br />
  67. 67. Il bioetanolo di I generazioneSchema di processo (dry milling)<br />I biocarburanti<br />
  68. 68. Il bioetanolo di I generazioneMacina<br />I biocarburanti<br />Dimensioni granuli 2-4 mm<br />
  69. 69. Il bioetanolo di I generazioneProduzione polpa, cottura e liquefazione<br />I biocarburanti<br />PRODUZIONE POLPA<br />(mashing)<br />JET COOKING<br />mais<br />acqua<br />azoto<br />a-amilasi<br />110-140 °C<br />50-60 °C<br />vapore<br />LIQUEFAZIONE<br />RAFFREDDAMENTO<br />a-amilasi<br />30-35 °C<br />acqua di<br />raffeddamento<br />80-90 °C<br />
  70. 70. CotturaGelatinizzazione<br />I biocarburanti<br />La struttura cristallina dell’amido deve essere rotta per consentire l’accesso agli enzimi.<br />La gelatinizzazione causa un aumento di viscosità (ridotta dall’ a-amilasi introdotta all’inizio)<br />67°C<br />75°C<br />85°C<br />
  71. 71. L’amidolisiEffetto degli enzimi<br />I biocarburanti<br />amilosio (25%)<br />amilopectina (75%)<br />a-amilasi<br />(legami a-1,4)<br />glucoamilasi<br />(legami a-1,4 e a-1,6)<br />produzione destrine<br />
  72. 72. Degradazione dell’amidoSchema riassuntivo<br />I biocarburanti<br />
  73. 73. Il bioetanolo di I generazioneSaccarificazione e fermentazione<br />I biocarburanti<br />SSF<br />(fermentazione e <br />saccarificazione simultanee)<br />Serbatoio della birra<br />CO2<br />acqua di<br />raffeddamento<br />glucoamilasi<br />lieviti<br />30-35 °C<br />La SSF avviene in condizioni anaerobiche.<br />La concentrazione è di circa il 9-12% in peso (12-15% v/v). <br />Il tempo di permanenza è di circa 40-60 h. <br />Il rapporto tra CO2 ed etanolo prodotti è circa 1.<br />
  74. 74. FermentazioneI lieviti<br />I biocarburanti<br />C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2H2O<br />saccharomyces cerevisiae<br />Cinetica:<br />10% v/v<br />15% v/v<br />
  75. 75. Produzione di etanoloEsempio di calcolo per resa teorica<br />I biocarburanti<br />Idrolisi dell’amido:<br />(C6H12O5)n + n H2O  nC6H12O6<br />Da 1 kg di amido si producono circa 1.111 kg di glucosio. <br />Da 1 kg di glucosio si ottengono 0.511 kg di etanolo.<br />Il mais contiene circa il 15% di umidità; il suo contenuto in amido è circa del 70%. Qual è la resa teorica di 100 kg di mais?<br />0.85<br />0.70<br />100 kg mais 85 kg biomassa secca  59.5 kg amido<br /> 66.1 kg glucosio  33.8 kg etanolo teorici.<br />1.111<br />0.511<br />
  76. 76. Il bioetanolo di I generazioneDistillazione e recupero dell’etanolo<br />I biocarburanti<br />STRIPPER<br />RETTIFICA<br />DISIDRATAZIONE<br />etanolo 50%<br />etanolo 92.8%<br />etanolo 99.9%<br />birra<br />acqua<br />acqua<br />solidi, acqua<br />(whole stillage)<br />Setacci molecolari:<br />zeoliti con pori a 3 Å, che lasciano passare le molecole d’acqua (2.8 Å), ma non quelle di etanolo (4.4 Å).<br />SERBATOIO<br />WHOLE STILLAGE<br />
  77. 77. Distillazione acqua-etanoloIl punto azeotropico<br />I biocarburanti<br />95.6% massa<br />89.5% molare<br />(T = 78.17 °C)<br />
  78. 78. DistillazioneParticolari tecnici<br />I biocarburanti<br />Piatti spesso usati per separazioni con solidi<br />
  79. 79. La distillazioneNecessità di un’integrazione energetica<br />I biocarburanti<br />Circa 55-60% dell’energia termica è richiesta dalla sezione di recupero dell’etanolo.<br />recuperi termici da correnti più calde a correnti più fredde<br />colonne a pressione maggiore per avere flussi a temperatura elevata per fornire calore per bollitori nelle altre colonne.<br />
  80. 80. Il bioetanolo di I generazioneConcentrazione dei residui solidi <br />I biocarburanti<br />EVAPORATORI (multiplo effetto)<br />(35-40% energia termica)<br />vapore<br />CENTRIFUGA<br />thin stillage<br />(8% solidi)<br />whole stillage<br />(12% solidi)<br />torta (cake)<br />(35% solidi)<br />sciroppo<br />(30% solidi)<br />Una parte (15-30%) dello thinstillage è riciclata in testa al processo nel reattore di mash<br />
  81. 81. Il bioetanolo di I generazioneEssiccazione del DDGS<br />I biocarburanti<br />torta +<br />sciroppo<br />ESSICCATORE<br />DDGS<br />PELLETTIZZATORE<br />fumi da caldaia o <br />impianto di cogenerazione<br />Composizione DDGS:<br />30% proteine<br />11% grassi<br />10-15% acqua<br />fibre, minerali…<br />per l’essiccazione si usano anche sistemi ring-dryer: più complessi, ma più efficienti.<br />
  82. 82. Il bioetanolo di I generazioneServizi<br />Torri di raffreddamento per ricircolo dell’acqua<br />impianto dolcificazione acque<br />Vapore (2.7-3.5 kg/kgEtOH) ed elettricità (1.2-1.8MJ/kgEtOH)<br />cogenerazione a metano (turbina a gas) o biomassa<br />Trattamento acque<br />acque di spurgo e prima pioggia<br />Trattamento emissioni gassose<br />lavaggio CO2 da fermentatori<br />trattamento fumi essiccazione DDGS<br />trattamento fumi caldaia/centrale cogenerazione<br />…<br />I biocarburanti<br />
  83. 83. Il bioetanolo di I generazioneSchema di processo<br />I biocarburanti<br />
  84. 84. Il bioetanolo di I generazioneLayout<br />I biocarburanti<br />distillazione, <br />disidratazione<br />stoccaggio DDGS<br />serbatoi birra e stillage<br />fermentatori<br />mash, liquefazione, propagazione, chemicals<br />essiccatori<br />stoccaggio mais<br />trattamento acque<br />evaporatori<br />centrifughe<br />torri di raffreddamento<br />mulini<br />centrale olio e stoccaggio olio<br />stoccaggio etanolo<br />
  85. 85. Il bioetanolo di I generazioneUn impianto reale<br />I biocarburanti<br />
  86. 86. I biocarburantiFood for fuel?<br />I biocarburanti<br />Etanolo e (in parte) biodiesel sfruttano risorse alimentari per produrre carburanti<br />in ogni caso sfruttano terre coltivabili<br />
  87. 87. Produzione di cerealiDati FAO<br />I biocarburanti<br />In Italia da 1950 resa per ettaro nel mais è quintuplicata.<br />Si stimache circa 4.5% dellaproduzionesiautilizzato per biocarburanti. Questoabbassa la disponibilità per persona a 309 kg.<br />*previsioni 02/09<br />
  88. 88. Il prezzo nei cerealiUn problema più complesso<br />I biocarburanti<br />prezzo mais in Italia<br />
  89. 89. L’etanolo degli USALa produzione non è diminuita<br />I biocarburanti<br />180 raffinerie di etanolo <br />21 in costruzione<br />Produzione:<br />nel 2007 19 Mton<br />nel 2008 27 Mton (circa 5% della quota energetica)<br />
  90. 90. I biocarburantiFood for fuel?<br />I biocarburanti<br />Etanolo e (in parte) biodiesel sfruttano risorse alimentari per produrre carburanti<br />in ogni caso sfruttano terre coltivabili<br />Sono (in parte) causa dell’aumento dei prezzi alimentari. Anche se:<br />consumo carne in aumento <br />7 kg cereali per 1 kg di carne bovina<br />3 kg cereali per 1 kg carne suina<br />problemi siccità<br />
  91. 91. I biocarburantiNon solo concorrenza alimentare<br />I biocarburanti<br />Scarsa produttività <br />biodiesel (colza): 0.9-1.5 ton/ha (19000-30000 km/ha)<br />bioetanolo (mais): 3.5-4 ton/ha (35000-40000 km/ha)<br />Costo elevato: <br />biodiesel: 0.8-0.9 €/L (equivalenza con diesel se greggio 120-130 $/bbl)<br />bioetanolo: 0.45 €/L (mais: 160 €/ton; equivalenza benzina se greggio 80 $/bbl)<br />Dubbi su rilevanza dei vantaggi ambientali<br />
  92. 92. Il bioetanoloLa seconda generazione<br />I biocarburanti<br />La cellulosa è uno zucchero complesso<br />potenzialmente fermentabile<br />È il polimero naturale più abbondante sulla Terra<br />possibilità di sostituire una quota considerevole (forse la totalità) del consumo di benzina<br />La produzione di etanolo via lignocellulosa può avvenire in due modi<br />processo enzimatico-biologico: cellulosa è ridotta enzimaticamente a zuccheri semplici e quindi fermentata<br />processo termochimico-biologico: cellulosa è distrutta (gassificata) termicamente e gas viene fermentato<br />
  93. 93. Il bioetanolo da lignocellulosaPerché è un processo complicato?<br />I biocarburanti<br />fenoli<br />LIGNINA<br />EMICELLULOSA<br />CELLULOSA<br />xilosio (C5)<br />glucosio e fruttosio (C6)<br />
  94. 94. I materiali lignocellulosiciStruttura della parete cellulare<br />I biocarburanti<br />La parete cellulare contiene cellulosa, emicellulosa, pectina, lignina e proteine solubili<br />La lignificazione avviene nei tre strati (S1, S2, S3) della parete cellulare.<br />
  95. 95. Il bioetanolo di II generazioneIl processo enzimatico-biologico<br />I biocarburanti<br />distillazione e<br />disidratazione<br />raccolta e trasporto<br />produzione di energia<br />pre-processing<br />idrolisi<br />enzimatica<br />fermentazione<br />zuccheri (C5, C6)<br />pre-<br />trattamento<br />condizionamento<br /><ul><li> esistono diverse opzioni tecniche per ogni step
  96. 96. esistono molte possibili interazioni tra gli step </li></ul>Il processo è energeticamente autosufficiente.<br />0.25 MJ di energia elettrica in eccesso sono prodotti per kg di etanolo<br />Vengono prodotti 0.25 kg (0.32 L) per kg di legno secco.<br />
  97. 97. Il processo enzimatico-biologicoIl pretrattamento<br />Pretrattamento chimico<br />acido concentrato (H2SO4)<br />acido diluito<br />ammoniaca<br />Pretrattamento fisico<br />steam explosion<br />steam explosion (190°C, 10 bar, 10 min) + SO2<br />Pretrattamento biologico<br />funghi<br />La scelta del pretrattamento dipende dalla biomassa da fermentare<br />I biocarburanti<br />
  98. 98. I biocarburanti<br />Soluble phase<br />Endoglucanase<br />Cellobiohydrolase<br />Β-glucosidase<br />L’idrolisi della cellulosaIl meccanismo<br />
  99. 99. Il processo enzimatico-biologicoIdrolisi e fermentazione (I)<br />I biocarburanti<br />PRE-TRATTAMENTO<br />RECUPERO ETANOLO<br />saccarificazione<br />cellulosa<br />fermentazione C6<br />fermentazione C5<br />SHF<br />(Sequential Hydrolysis & Fermentation)<br />
  100. 100. Il processo enzimatico-biologicoIdrolisi e fermentazione (II)<br />I biocarburanti<br />PRE-TRATTAMENTO<br />RECUPERO ETANOLO<br />saccarificazione cellulosa <br />& fermentazione C6<br />fermentazione C5<br />SSF<br />(Simultaneous Saccharification & Fermentation)<br />
  101. 101. Il processo enzimatico-biologicoIdrolisi e fermentazione (III)<br />I biocarburanti<br />PRE-TRATTAMENTO<br />RECUPERO ETANOLO<br />saccarificazione cellulosa<br />& fermentazione C5 e C6<br />SSCF<br />(Simultaneous Saccharification & Co-Fermentation)<br />
  102. 102. Il processo enzimatico-biologicoLa produzione di vapore ed energia elettrica<br />I biocarburanti<br />La corrente di fondo dello stripper (che contiene i residui solidi) viene concentrata (filtri/centrifughe ed evaporazione) e inviata a una caldaia insieme al biogas che deriva dal trattamento delle altre correnti organiche (correnti di fondo delle altre colonne, etc.). Il vapore prodotto viene utilizzato per la produzione di energia elettrica.<br />fumi<br />TURBINA<br />MULTISTADIO<br />vapore<br />CALDAIA<br />biomassa<br />residua<br />acqua<br />DIGESTORE<br />ANAEROBICO<br />correnti<br />con organici<br />
  103. 103. Il processo enzimatico-biologicoCriticità tecnico-economiche<br />Questioni tecniche da risolvere:<br />necessità di colture ad alta resa (>40 t/ha all’anno  >10t/ha EtOH) e a basso consumo d’acqua e fertilizzanti<br />idrolisi e fermentazione più rapide (oggi per un impianto da 100mila t/a di EtOH servirebbe volume di fermentazione da 30-40mila m3 rispetto agli 8-12mila m3 della prima generazione)<br />possibilità di realizzare idrolisi e fermentazione in modo meno diluito (in modo da rendere meno costoso il recupero dell’etanolo)<br />Costo dell’etanolo da materiali lignocellulosici è oggi concorrenziale a benzina per prezzo del greggio superiore a 110 $/bbl<br />deve essere concorrenziale per greggio a 40-50 $/bbl<br />I biocarburanti<br />
  104. 104. Coltivazione biomassaRicerca in corso<br />Bezzo 2009<br />I biocarburanti<br />Irrigazione a goccia<br />Produttività raggiunte<br />sorgo: 30-35 t/ha (Piemonte)<br />
  105. 105. Il bioetanolo di II generazioneIl processo termochimico-biologico<br />I biocarburanti<br /><ul><li> processo meno maturo
  106. 106. diversi step non ancora ben definiti</li></ul>raccolta e trasporto<br />Vengono prodotti 0.17 kg (0.21 L) per kg di legno secco.<br />distillazione e<br />disidratazione<br />produzione di energia<br />pre-processing<br />fermentazione<br />syngas<br />raffreddamento<br />e purificazione<br />del syngas<br />gassificazione<br />Il processo è energeticamente autosufficiente.<br />0.8 MJ di energia elettrica in eccesso sono prodotti per kg di etanolo<br />prod. di energia da syngas non fermentato<br />
  107. 107. La fase termochimicaLa gassificazione<br />La gassificazione è la conversione termochimica di un combustibile solido o liquido in un gas che avviene attraverso un agente gassificante.<br />Divisa in varie fasi: combustione, pirolisi, gassificazione.<br />Sono utilizzati come agenti gassificanti:<br />aria<br />ossigeno<br />vapore<br />Differenza sostanziale con combustione è minor rapporto ossigeno/combustibile<br />la gassificazione è un processo endotermico<br />I biocarburanti<br />
  108. 108. La fermentazione del syngasReazioni principali<br />I biocarburanti<br />La produzione di acido acetico può essere inibita<br />Set di reazioni:<br />4CO + 2H2O  CH3COOH + 2CO2<br />4H2 + 2CO2 CH3COOH + 2H2O<br />6CO + 3H2O  C2H5OH + 4CO2<br />6H2 + 2CO2 C2H5OH + 3H2O<br />Conversione CO: 50-90%<br />Conversione H2: 20-70%<br />Concentrazione di etanolo nel brodo di fermentazione: 2-3%<br />syngas<br />Serve molta energia per recuperare l’etanolo<br />
  109. 109. Il processo termochimico-biologicoCriticità tecnico-economiche<br />Questioni tecniche da risolvere:<br />gassificazione è processo complesso e costoso, specie se si vuole garantire composizione costante nel gas di sintesi<br />possibilità di realizzare conversioni elevate in un reattore industriale non è dimostrata<br />servono concentrazioni più elevate nel fermentatore per ridurre le spese energetiche nel recupero dell’etanolo<br />l’effetto della produzione di inibitori nel processo di fermentazione non è chiaro<br />Costo dell’etanolo da materiali lignocellulosici è oggi concorrenziale a benzina per prezzo del greggio superiore a 130 $/bbl<br />I biocarburanti<br />
  110. 110. Il biodieselIl processo attuale<br />I biocarburanti<br />colza, soia, girasole, palma, mais…<br />Processo <br />chimico<br />Semi oleosi<br />Biodiesel<br />Glicerina<br />Metanolo<br />100 kg colza  40 kg olio (trigligeridi)<br />40 kg olio (trigliceridi) + 5.5 kg metanolo <br />39 kg biodiesel (estere metilico) + 4 kg glicerina<br />
  111. 111. Il biodieselBilancio di materia<br />I biocarburanti<br />12%<br />1%<br />INPUT<br />87%<br />1%<br />4%<br />9%<br />86%<br />OUTPUT<br />
  112. 112. Il biodieselProprietà chimiche e motoristiche<br />Potere calorifico inferiore: 37-39 MJ/kg<br />diesel: 42-43 MJ/kg<br />Vantaggi:<br />elevato numero di cetano (48-60), paragonabile o superiore a diesel fossile (40-55)<br />minori emissioni di SO2 e di polveri sottili<br />ma aumentano NOx<br />elevato potere lubrificante<br />Svantaggi<br />minore stabilità rispetto a diesel<br />qualità variabile<br />I biocarburanti<br />Numero di cetano: indice della attitudine all’autoaccensione con combustione regolare di un carburante in un motore diesel)<br />
  113. 113. Il biodieselSchema di processo<br />I biocarburanti<br />riciclo metanolo<br />Reattore<br />60-70 °C<br />Lavaggio<br />Separatore<br />metanolo<br />glicerina grezza<br />olio<br />Pressa<br />Separatore<br />Evaporatore<br />semi<br />acidi grassi<br />biodiesel<br />mangimi<br />Evaporatore<br />Processo può essere batch oppure continuo<br />glicerina<br />
  114. 114. Il biodieselLa transesterificazione dei trigliceridi<br />I biocarburanti<br />Estere metilico o Biodiesel<br />(FAME: fatty acid methyl ester) <br />Si usano metanolo o etanolo (più costoso) in eccesso per spostare equilibrio verso prodotti.<br />RCCOH<br />Serve un catalizzatore per liberare la catena dell’acido grasso. Di solito si usa una base (NaOH o KOH o metilato sodico), ma va bene anche un acido (H2SO4).<br />
  115. 115. Il biodieselLa chimica del processo<br />Se come catalizzatore si usa una base:<br />eccesso d’alcol: da 6:1 a 20:1<br />temperatura: reazione avviene a temperatura ambiente, ma si opera a >50 °C per diminuire viscosità<br />Se come catalizzatore si usa un acido:<br />eccesso d’alcol: 50:1<br />temperatura: da temperatura di ebollizione dell’alcol a 120 °C (si opera sotto pressione)<br />la reazione è sensibilmente più lenta<br />la catalisi acida è vantaggiosa in oli ricchi di acidi grassi liberi (come negli oli di cottura) perché oltre alla reazione di transesterificazione avviene anche l’esterificazione diretta degli acidi grassi<br />I biocarburanti<br />
  116. 116. Il biodieselLe reazioni secondarie<br />I biocarburanti<br />Reazioni indesiderate che che possono avvenire in ambiente basico: <br />1. saponificazione:<br />sapone<br />RCOOH + NaOH  RCOONa+ + H2O<br />2. idrolisi:<br />base<br />RCOOCH3 + H2O  RCOOH + CH3OH<br />L’aciditàdell’oliodeveessereinferiore all1%, per impediresaponificazione e conseguenteformazioned’acquachedeterminaun’ulterioreformazionediacidigrassi.<br />Analogamente, è importanteche olio siaanidro. <br />
  117. 117. Il biodieselFattori di innovazione<br />Catalizzatori eterogenei acidi<br />vantaggi dei catalizzatori acidi (possibilità di trattare oli ricchi di acidi grassi)<br />facilità di recupero e rigenerazione del catalizzatore (solido)<br />svantaggi attuali: costo, stabilità dei catalizzatori<br />Catalisi enzimatica<br />condizioni blande, alta efficienza<br />costo elevato<br />Transesterificazione ed esterificazione supercritica<br />reazioni senza catalizzatori<br />T = 300-350 °C; P = 10-20 bar<br />svantaggi: processo più complesso e costoso<br />I biocarburanti<br />
  118. 118. Il biodieselEstrazione dell’olio<br />I biocarburanti<br />Decortificazione del seme<br />si toglie involucro lignocellulosico (se presente)<br />Macinazione del seme<br />Riscaldamento e condizionamento<br />facilità velocità di estrazione<br />il condizionamento determina la formazione di un film d’acqua sulla superficie del seme che incrementa diffusione<br />Estrazione dell’olio dal seme<br />meccanica (se contenuto olio > 20%)<br />chimica (se contenuto olio < 20%)<br />
  119. 119. Il biodieselTrattamento dell’olio<br />Sedimentazione e filtrazione<br />Degommazione<br />rimozione gomme di fosfatidi che possono assorbire acqua e formare incrostazioni<br />viene aggiunto 1% d’acqua che rende insolubili gomme poi separate via centrifuga<br />Neutralizzazione<br />gli acidi grassi sono saponificati (aggiunta di soluzione di soda) e allontanati con fase acquosa<br />Lavaggio ed essiccazione<br />i saponi residui sono lavati e separati via centrifuga<br />l’olio viene essiccato sotto vuoto per eliminare umidità residua<br />I biocarburanti<br />
  120. 120. Il biodieselIl reattore<br />I biocarburanti<br />Reazione avviene solitamente a pressione atmosferica e temperatura tra i 60 e i 70°C. I reattori sono dei reattori a mescolamento (essenziale per garantire un buon contatto tra la fase oleosa e quella alcolica).<br />Nei processi continui si utilizzano due o tre reattori in serie (con rese complessive intorno al 99.9%)<br />regione di mescolamento<br />Possibile schema di reattore<br />serpentino per riscaldamento<br />biodiesel, metanolo,<br />glicerina<br />olio, metanolo, base<br />regione di decantazione<br />rbiodiesel= 880 kg/m3<br />rglicerina= 1050 kg/m3<br />glicerina<br />
  121. 121. Il biodieselPurificazione biodiesel (I)<br />I biocarburanti<br />NEUTRALIZZAZIONE<br />acido fosforico<br />DECANTAZIONE<br />DECANTAZIONE<br />biodiesel<br />metanolo<br />glicerina<br />biodiesel<br />metanolo <br />glicerina<br />biodiesel<br />metanolo<br />glicerina<br />glicerina<br />glicerina<br />metanolo<br />DECANTAZIONE<br />biodiesel<br />metanolo<br />glicerina<br />biodiesel<br />metanolo<br />glicerina<br />biodiesel<br />metanolo<br />glicerina<br />FLASH (sottovuoto)<br />
  122. 122. Il biodieselPurificazione biodiesel (II)<br />I biocarburanti<br />FLASH<br />LAVAGGIO<br />metanolo<br />acqua<br />ESSICCAMENTO<br />vapori<br />CENTRIFUGA<br />biodiesel<br />metanolo<br />biodiesel<br />biodiesel<br />biodiesel<br />acqua<br />acqua<br />residui<br />biodiesel<br />
  123. 123. Il biodieselPurificazione glicerina<br />I biocarburanti<br />NEUTRALIZZAZIONE<br />metanolo<br />acido cloridrico<br />DECANTAZIONE<br />acidi grassi<br />acqua da<br />lavaggio biod.<br />glicerina<br />metanolo<br />acqua<br />glicerina<br />metanolo <br />glicerina<br />metanolo<br />acqua<br />glicerina<br />metanolo<br />FLASH <br />(sottovuoto)<br />acqua<br />metanolo<br />metanolo<br />glicerina<br />metanolo<br />acqua <br />acqua<br />glicerina<br />FLASH<br />RETTIFICA<br />
  124. 124. Il biodieselNote finali<br />Integrazione termica per recupero calore è essenziale per economicità del processo<br />Servono inoltre impianti di lavaggio per le emissioni gassose e trattamento acque<br />Consumi vapore: 3 t/tbiodiesel<br />Uso della glicerina:<br />parte per industria alimentare, zootecnica, cosmetica e farmaceutica<br />additivo per digestori anaerobici<br />combustibile<br />… sempre più è materiale da smaltire (costo)<br />I biocarburanti<br />
  125. 125. Il biodiesel di III generazioneLa produzione da alghe<br />I biocarburanti<br />Uno dei problemi del biodiesel è la scarsa produttività per ettaro:<br />palma: 5.5 t/ha<br />olivo: 1.1 t/ha<br />colza: 1.1 t/ha<br />girasole: 0.9 t/ha<br />soia: 0.4 t/ha<br />mais: 0.15 t/ha<br />Le microalghe presentano una potenzialità ben diversa:<br />> 50 t/ha<br />
  126. 126. Il biodiesel da algheAlcuni dati generali<br />I biocarburanti<br />Produzione di olio è generalmente pari a 20-50% della biomassa secca delle microalghe (ma si può arrivare a 80%)<br />Crescita e accumulo di oli dipende da rapporto C:N<br />nella fase di crescita serve abbondanza di nutrienti (sia carboniosi che azotati)<br />per accumulare olio si deve innalzare rapporto C:N (scarsità di azoto)<br />L’effetto della luce è sia importante per la crescita algale che per la produzione di oli<br />la maggior parte delle microalghe raggiungono livelli di saturazione per intensità luminose intorno ai 200 mEm-2s-1 (all’equatore intensità è circa 2000 mEm-2s-1); la sovrassaturazione danneggia il meccanismo fotosintetico inibendo la crescita<br />Crescita è autotrofa (luce e CO2), ma per molte specie può essere anche eterotrofa (senza luce, ma presenza di nutrienti)<br />crescita eterotrofa è più rapida<br />
  127. 127. Il biodiesel da algheBacini aperti e fotobioreattori<br />I biocarburanti<br />Bacini aperti (open ponds)<br />produttività: 0.12-0.35 kg/m3/d<br />Fotobioreattori<br />produttività: 0.6-1.5 kg/m3/d<br />
  128. 128. Il biodiesel da algheBacini aperti e fotobioreattori<br />I biocarburanti<br />RECUPERO<br />CO2<br />fumi<br />Recupero è complesso e costoso<br />SEPARATORE<br />biomassa<br />spenta<br />biomassa<br />compost<br />gassificazione<br />etc.<br />POND/<br />FOTOBIOREATTORE<br />olio<br />Concentrazione 1 g/L<br />IMPIANTO BIODIESEL<br />
  129. 129. Il processo BTLLa produzione di carburanti sintetici<br />I biocarburanti<br />Franz Fischer e Hans Tropsch <br />Nel 1925 viene brevettato il processo Fischer-Tropsch per produrre combustibili liquidi sintetici a partire a CO e H2 (syngas) attraverso un meccanismo a catena di allungamento di catene carboniose<br />l’idea iniziale è utilizzare il carbone per produrre il syngas (processo Coal to Liquid – CTL)<br />tuttavia, anche il gas naturale può essere utilizzato (processo Gas to Liquid – GTL)<br />Anche la biomassa può essere gassificata<br />processo Biomass to Liquid (BTL)<br />I prodotti sono diesel (ottima qualità), benzine (qualità mediocre), nafta.<br />
  130. 130. Il processo BTLGli stadi fondamentali<br />I biocarburanti<br />dipende da:<br /><ul><li> catalizzatore
  131. 131. temperatura
  132. 132. rapporto idrogeno/CO
  133. 133. pressione</li></ul>GASSIFICAZIONE<br />E REAZIONE DI SHIFT<br />SINTESI DI <br />FISCHER-TROPSCH<br />HYDROCRACKING <br />DELLE CERE<br />SEPARAZIONE <br />DEI PRODOTTI<br />
  134. 134. Il processo BTLLo schema del processo<br />I biocarburanti<br />15 bar, 240˚C<br />CO + 2H2 -(CH2) + H2O<br />Prodotti circa 0.18 kg di carburanti liquidi per kg di legno secco.<br />Prodotti circa 5 kg CO2 per kg di carburanti liquidi.<br />HC gas<br />WATER-GAS SHIFT<br />FISCHER-TROPSCH<br />HC<br />Vapore<br />SEPAR.<br />30 bar, 500˚C<br />2 H2/CO (con bypass)<br />a valle viene rimossa la CO2<br />Syngas<br />HC liquidi<br />Benzine<br />H2<br />Biomassa<br />Diesel<br />HYDROCRACKING<br />O2<br />SEPAR.<br />30 bar, 1000˚C<br />0.8 H2/CO<br />50 bar, 350˚C<br />Cracking delle cere<br />GASSIFICAZIONE<br />
  135. 135. L’idrogenoAlcuni chiarimenti<br />I biocarburanti<br />Io credo che l’acqua sarà un giorno utilizzata come combustibile, che l’idrogeno e l’ossigeno che la compongono … forniranno un’inesauribile fonte di luce e calore…<br />(Jules Verne, L’isola misteriosa)<br />L’idrogeno non è una fonte primaria di energia<br />sulla terra non esiste libero e deve essere generato consumando energia<br />L’idrogeno è un vettore energetico<br />rispetto all’energia elettrica ha il vantaggio che può essere immagazzinato<br />rispetto a carburanti tradizionali permette motori ad elevata efficienza e non inquina al momento dell’uso<br />La questione fondamentale è: come produrre idrogeno?<br />fonti fossili<br />energia solare (diretta o indiretta)<br />biomassa<br />nucleare<br />
  136. 136. IdrogenoProcessi di produzione<br />Le principali tecnologie di produzione dell’idrogeno sono:<br />steam reforming del gas naturale (38% produzione mondiale)<br />ossidazione parziale di idrocarburi pesanti (25%)<br />processi dell’industria petrolifera (18%)<br />gassificazione del carbone (10%)<br />processo dell’industria petrolchimica e chimica (7%)<br />elettrolisi dell’acqua (2%)<br />I processi quindi:<br />utilizzano fonti fossili come materia prima<br />e/o richiedono una grande dispendio energetico (elettrolisi)<br />I biocarburanti<br />
  137. 137. IdrogenoSteam reforming<br />I biocarburanti<br />Il processo è solitamente effettuato a partire da gas naturale, ma viene talvolta realizzato anche con idrocarburi pesanti (desolfonati).<br />WATER-GAS SHIFT<br />REFORMER<br />Vapore<br />Metano<br />eccesso di vapore, 880˚C<br />CH4 + H2O  CO + H2<br />reazione con catalizzatore (Ni)<br />2 reattori, 400˚C e 200˚C<br />CO + H2 CO2 + H2<br />catalizzatori (Fe-Cr e Zn-Cu)<br />Vapore<br />LAVAGGIO CO2<br />RIMOZIONE OSSIDI<br />MEA<br />H2 (98%), CH4<br />trasformazione in metano degli ossidi di carbonio residui <br />reazione con catalizzatore (Ni)<br />
  138. 138. IdrogenoSteam reforming dell’etanolo<br />Un processo promettente per la produzione rinnovabile di idrogeno riguarda lo steam reforming dell’etanolo:<br /> C2H5OH + 3H2O  6H2 + 2CO2<br />Reazione è favorita da eccesso di vapore e quindi richiede purificazione meno spinta nella produzione di etanolo<br />Reazione è endotermica<br />ricerche in atto per realizzare processo autotermico<br />Sono necessari catalizzatori (Ni o Co)<br />Temperatura: 300-500 °C<br />I biocarburanti<br />
  139. 139. La bioraffineria<br />I biocarburanti<br />La bioraffineria rappresenta il concetto più avanzato di sfruttamento di biomasse attraverso l’integrazione di processi biologici e termochimici<br />produzione carburanti<br />produzione energia<br />produzione chemicals<br />possibile integrazione con raffinazione e trasformazione di combustibili fossili<br />
  140. 140. I biocarburanti<br />Il futuroLa bioraffineria<br />carburanti<br />liquidi<br />raffineria<br />secondaria<br />processi<br />termochimici<br />gas &<br />idrogeno<br />biomassa agricola<br />rifiuti organici<br />scarti industriali organici<br />biomassa marina<br />raffineria<br />primaria<br />estrazione &<br />purificazione<br />produzione<br />energia &<br />calore<br />materiali<br />prodotti<br />biochimici<br />raffineria<br />secondaria<br />processi<br />biologici<br />calore &<br />elettricità<br />
  141. 141. Il futuroLa bioraffineria<br />I biocarburanti<br />Zuccheri semplici<br />BIOMASSA<br />fermentazione<br />Alcoli<br /><ul><li>Etanolo
  142. 142. Butanolo</li></ul>Via<br />Biochimica<br />Idrolisi<br />Fermentazione<br />Polisaccaridi<br /><ul><li>Amido
  143. 143. Cellulosa
  144. 144. Emicellulosa</li></ul>SEPARAZIONEE PRETRATTAMENTO<br />RACCOLTA<br />Idrocarburi ciclici<br />Lignina<br />Lipidi<br />FAME<br />PROCESSI<br />TERMICI<br />Alcani lineari<br />Via<br />Termochimica<br />Oli di Pirolisi<br />Idrocarburi<br />Syngas<br />Alcoli, carburanti FT<br />
  145. 145. La bioraffineriaUna visione ambiziosa<br />I biocarburanti<br />energia solare<br />energia<br />carburanti<br />fotobioreattori<br />biomassa<br />chimica<br />
  146. 146. RiassuntoDati di fatto e opportunità<br />Conclusioni<br />Esiste oggi un mercato di grandi dimensioni per le bioenergie e i biocarburanti<br />Esistono delle tecnologie matura per la produzione di energia elettrica, calore e biocarburanti<br />Opportunità per consentire la riconversione e profittabilità di industrie e produzioni (agricoltura) in crisi<br />Opportunità per recuperare e sviluppare competenze tecnologiche distintive<br />
  147. 147. Sfideper il presente e il futuro<br />Conclusioni<br />Sia le tecnologie attuali che, soprattutto, quelle future richiedono:<br />know-how tecnologico<br />integrazione di competenze e ruoli<br />servono ponti tecnologici tra produzione primaria e industria di trasformazione<br />analisi su costi e integrazione di territorio, produzione, logistica<br />definizione di rete logistica<br />grande scala e cooperazione<br />È improbabile poter realizzare tecnologie di seconda generazione senza know-how su prima generazione<br />irrinunciabili impianti “standard” a biomassa e biocarburanti I generazione<br />Opportunità non soluzione unica<br />né in termini di fonte primaria né di tecnologia<br />
  148. 148. …e, infine, un po’ di realismo<br />Conclusioni<br />Siamo ottimisti: <br />nel 2030 il 27-48% del fabbisogno di carburanti sarà costituito da biocombustibili<br />quota per energia elettrica (comprese altri fonti alternative quali eolico e solare) potrebbe essere simili<br />E ciò che manca?<br />Il 2030 coincide con alcune delle stime oggi più ottimistiche per il picco della produzione petrolifera<br />Sembra molto improbabile che si possa raggiungere per allora una tecnologia adeguata per sfruttamento energia solare<br />Quali le alternative nel medio periodo?<br />
  149. 149. Alcune vie da percorrereEnergia<br />Conclusioni<br />Risparmio energetico<br />uso ed efficienza<br />in un’automobile circa 1% dell’energia originale (presente nel greggio) è stata alla fine trasformata in energia per il trasporto del passeggero<br />Edilizia di nuova generazione<br />isolanti, coperture, serramenti<br />diverso approccio a riscaldamento e condizionamento<br />sistemi elettrici e di illuminazione<br />Produzione energia elettrica<br />sostituzione (parziale) di carburanti ad alto impatto ambientale<br />nuovi cicli di produzione<br />fonti alternative<br />nucleare (?)<br />Efficienza nei sistemi produttivi<br />
  150. 150. Alcune vie da percorrereBiocarburanti<br />Conclusioni<br />Migliorare l’efficienza di autoveicoli e macchinari a combustibile liquido<br />motori, ma no solo (condizionamento, pneumatici, …)<br />Incremento del recupero di petrolio dai pozzi<br />Utilizzo commerciale di oli pesanti e sabbie bituminose<br />Coal to Liquid<br />Gas to Liquid – GTL (con o senza liquefazione del gas naturale)<br />Sequestro CO2<br />
  151. 151. Alcune vie da percorrereQuestioni politiche<br />Conclusioni<br />Accettazione da parte della pubblica opinione delle nuove tecnologie<br />informazione ed educazione<br />Problemi di standard comuni, normativa, pianificazione<br />Questioni legislative<br />iter autorizzativi<br />scelte strategiche e di investimento<br />Questioni economiche e di finanziamento<br />incentivi<br />disincentivi (carbon tax)<br />strutture finanziarie per tecnologie ad alto rischio<br />non si può dimenticare banale regola di domanda e offerta: ciò che oggi costa poco perché non interessa a nessuno potrebbe domani costare moltissimo perché diventa un bene di interesse<br />
  152. 152. Grazie per l'attenzione !<br />

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