Oltre a ciò il ricorso a tali fonti energetiche offre numerosi vantaggi.

PREMESSA PREMESSA PREMESSA PREMESSA

La continua crescita della popolazione mondiale e il livello economico sempre più alto raggiunto dai paesi in via di sviluppo, sono le principali cause dell’incremento inarrestabile della domanda di energia e del contemporaneo aumento delle emissioni di gas serra. Soddisfare tale domanda e mantenere questi gas a livelli non nocivi per l’ambiente, riducendo così il rischio di cambiamenti climatici nel medio termine, rappresenta la sfida tecnologica del XXI secolo. Essa può essere vinta solo incrementando l’efficienza dei sistemi, riducendo il consumo di idrocarburi, e impiegando fonti a basso impatto ambientale, quali le rinnovabili.

Oltre a ciò il ricorso a tali fonti energetiche offre numerosi vantaggi.

Innanzitutto contribuisce ad una maggiore sicurezza nell’approvvigionamento e ad una riduzione della dipendenza energetica dall’estero; infatti è altro modo vero che le risorse variano in relazione alle diverse situazioni nazionali, ma le fonti rinnovabili sono largamente disponibili tanto nei paesi industrializzati quanto in quelli in via di sviluppo. L’impiego di queste fonti energetiche crea inoltre nuove opportunità di lavoro, di investimenti e di creazione di reddito per le comunità locali e i territori che in maggior misura necessitano di tali benefici.

In alcune zone geografiche, dove non esistono infrastrutture per la distribuzione e/o la produzione di elettricità da combustibili fossili, l’impiego delle rinnovabili può costituire l’opzione economicamente più vantaggiosa. Infine gli impianti ad energia rinnovabile se confrontato con quello dovuto all’utilizzo dei combustibili fossili, hanno un impatto praticamente nullo sulla salute e sull’ambiente. Per tutte queste ragioni il mondo dovrebbe privilegiare le fonti energetiche rinnovabili rispetto a quelle convenzionali. Tuttavia per il successo di questo settore occorre superare tutta una serie di barriere: costi, infrastrutture umane e tecniche insufficienti, incentivi inadeguati e politiche non coerenti.

Il presente lavoro si inquadra in questo contesto; è stato infatti analizzato e sviluppato un progetto di un possibile sfruttamento della biomassa cercando di superare gli scogli di natura economica, ambientale, tecnologico.

Partendo da un’analisi dello scenario energetico e ambientale di tutte le fonti di energia presente nel mondo attuale, sono state esaminate le varie tecnologie di conversione della biomassa presenti sul mercato e analizzata la filiera relativa alla trasformazione di residui agricoli in bio-olio nell’ambito della Comunità Montana della Val di Cecina (PISA). In particolare il processo di trasformazione considerato è la pirolisi della paglia.

L’abbandono della paglia nei campi (l’incenerimento della paglia non è consentito in molte regioni), oltre a costituire un problema di natura ambientale (il suo abbandono provoca, infatti, un incremento della presenza di potassio e sodio impoverendo la qualità dei terreni ), comporta anche la dispersione di una risorsa che potrebbe essere sfruttata per il suo potenziale energetico e chimico.

In particolare il bio-olio potrebbe essere impiegato quale fertilizzante, nell’industria chimica, direttamente nei bruciatori di una centrale elettrica o trasformato in biodiesel per la trazione.

Tale studio metterà in evidenza le possibili riduzioni delle taglie dei vari reattori pirolitici e conseguentemente un miglioramento della gestione globale della trasformazione energetica.

I risultati ottenuti dovrebbero consentire da un lato di tracciare eventuali possibili

miglioramenti a livello tecnologico, dall’altro una valutazione delle possibilità di

una sua estensione su un ambito regionale e/o nazionale.

1 SCENARIO ENERGETICO E AMBIENTALE 1 SCENARIO ENERGETICO E AMBIENTALE 1 SCENARIO ENERGETICO E AMBIENTALE 1 SCENARIO ENERGETICO E AMBIENTALE MONDIALE

MONDIALE MONDIALE MONDIALE

1 1 1 . . . 1 1 1 S S S C CE C E E N NA N A A R RI R I I O O O E E E N NE N E ER R RG G GE E E T TI T I I C C C O O O M MO M O O N ND N D DI I I A A A L L L E E E

I dati sono tratti dal “World Energy Outlook 2000” edito dall’ IEA ¹ .

Quest’edizione fa una previsione fino al 2020. Essa fa riferimento ai dati storici disponibili nel 1997 per tutte le sorgenti energetiche e le varie regioni mondiali.

A tal proposito, in seguito si farà riferimento a due grandi raggruppamenti: le nazioni OECD (Organisation for Economic Co-operation and Development) e quelle non-OECD. Inoltre si distinguerà fra:

OECD Europa: Austria, Belgio, Repubblica Ceca, Danimarca, Finlandia, Francia, Germania, Grecia, Ungheria, Islanda, Irlanda, Italia, Lussemburgo, Olanda, Norvegia, Polonia, Spagna, Svezia, Svizzera, Turchia, e Regno Unito;

OECD America settentrionale: Canada e Stati Uniti;

OECD Pacifico: Australia, Giappone, e Nuova Zelanda.

La crescita economica è notevolmente il più importante fattore che influisce sulle tendenze energetiche.

IEA prevede che la produzione economica mondiale nel 2020 raddoppierà i suoi valori rispetto al 1997, passando dai 33.0 trilioni di dollari agli stimati 67.3 trilioni di dollari con la seguente distribuzione geografica (figure 2,3,4):

Figura 2:quote del PIL mondiale(1997) Figura 3: quote del PIL mondiale(2010)

1

FONTE: IEA (International Energy Agency)

Figura 4: previsione del PIL mondiale nel 2020

La quota del PIL dei paesi non-OECD salirà dal 46 al 58 %. Gran parte di quest’aumento sarà dovuto ai paesi asiatici come la Cina e l’India. Per la prima soprattutto si prevede che diventerà di gran lunga il più gran produttore economico del mondo.

Anche la crescita demografica avrà un grande impatto sulla crescita della domanda energetica, la popolazione passerà dai 6 miliardi ai 7,4 del 2020 (figura 5).

Figura 5: crescita della popolazione mondiale e del consumo d’energia

Di pari passo alla crescita economica e all’aumento demografico ci sarà una crescente richiesta di energia soprattutto dalle popolazioni mondiali che oggi non hanno ancora accesso all’elettricità (circa 2 dei 6 miliardi di persone).

Si stima che la domanda d’energia elettrica aumenterà del 57 % tra il 1997 e il 2020 con un tasso annuo del 2% (figura 6).

Le cause di questo forte aumento di domanda è da ricercarsi nella rapida espansione economica (soprattutto dei paesi in via di sviluppo come Cina, India, paesi del Medio Oriente, paesi dell’America Latina…).

Figura 6: previsione della richiesta d’energia (espressa in Mtoe) che avverrà nel mondo

Consideriamo ora lo sviluppo delle diverse fonti energetiche.

P PE P E ET T T R R R O OL O L LI I IO O O

Esso rimarrà il combustibile predominante e, la sua quota sarà del 40% nel 2020.

La domanda nei paesi non-OECD crescerà molto più velocemente di quelli OECD passando dagli attuali 43% ai 55% del consumo mondiale di petrolio.Si prevede che la crescita mondiale di petrolio passerà dai 75 milioni di barili al giorno del 1997 ai 115 milioni di barili del 2020.

Ai ritmi attuali di consumo le riserve potenziali e scopribili sono pari a durare solo per 40 anni circa! ³

A fine 2003 le riserve mondiali di olio ammontavano a 1148 Gbbl (miliardi di barili), ubicate in Medio Oriente (63 %), America Latina (9 %), Africa (9 %), ex URSS (8 %), Nord America (5 %), Estremo Oriente (4 %) ed Europa (2 %).

2

Vedere nota 1

3

Vedere nota 1.

C C C A A A R R R B B B O O O N N N E E E

La domanda mondiale di carbone avanza molto più lentamente della richiesta complessiva d’energia primaria. Si passerà pertanto dal 26% nel 1997 al 24% nel 2020. Le riserve stimate mondiali di carbone sono sufficienti per durare 200 anni ai livelli attuali di produzione.

M M M E E E T T T A A A N N N O O O

La quota di domanda energetica del metano aumenterà dal 22% del 1997 fino al 26% del 2020. Questo è dovuto ai miglioramenti nell’efficienza termica delle turbine a gas a ciclo combinato (CCGT) e ai vantaggi ambientali che l’uso di tale materia prima comporta.

Le risorse di metano sono più che sufficienti a soddisfare l’incremento previsto della domanda: la produzione totale fino ad oggi rappresenta solo l’11% delle riserve totali.

Tuttavia, anche se esse sono immense e abbondanti, non sempre il metano è ubicato convenientemente nei pressi dei luoghi d’utilizzazione. Il suo trasporto è costoso, sia mediante gasdotti sia nella forma di gas liquefatto (LNG). Per questa ragione nessun vero mercato globale esiste per il metano.

E E E N N N E E E R R R G G G I I I A A A N N N U U U C C C L L L E E E A A A R R R E E E

Nel 1997 ha rappresentato il 7% dell’approvvigionamento globale d’energia primaria e ha fornito il 17 % dell’elettricità mondiale. Si stima che la quota di energia nucleare cadrà al 5% nel 2020. Essa crescerà solo in alcuni paesi asiatici mentre in quelli OECD si avrà il ritiro di un certo numero di reattori esistenti.

E EN E N NE E ER R R G G G I IA I A A I I ID D D R RO R O O E E E L LE L E ET T T T T T R R R I IC I C C A A A

Ha rappresentato nel 1997 il 3% dei fabbisogni mondiali e il 18% della produzione elettrica. Il suo uso dovrebbe crescere soprattutto nei paesi in via di sviluppo ma in totale la quota di domanda diminuirà al 2% nel 2020.

F F F O O O N N N T T T I I I R R R I IN I N N N N N O O O V V V A A A B B B I IL I L LI I I

Si stima che saranno la sorgente energetica dalla crescita più veloce con un tasso annuo del 2,8%, ma la loro quota salirà solo al 3% nel 2020.

C C C O O O N N N C C C L L L U U U S S S I I I O O O N N N I I I

Avremo sempre più una maggiore richiesta di energia elettrica, stimata a un tasso

di crescita del 2,7% l’anno. Per fronteggiare tale richiesta avremo un utilizzo

sempre maggiore del metano, mentre i contributi del petrolio e del nucleare

diminuiranno.Le fonti rinnovabili avranno una buona crescita.

Si suppone che il carbone manterrà il proprio predominio a livello mondiale come principale combustibile per produrre elettricità e soprattutto nei paesi in via di sviluppo come India e Cina avrà un forte incremento.

La generazione elettrica dovuta al metano subirà un’evidente crescita: gli impianti CCGT sono diventati infatti l’opzione preferita per molte nuove centrali.

Gli impianti idroelettrici subiranno invece un leggero calo dovuto al fatto che gran parte dei siti migliori sono stati già sfruttati (soprattutto nei paesi OECD) e problemi ambientali ne ostacoleranno nuove costruzioni.

La crescita delle varie fonti di energie può essere evidenziata dal grafico di figura 9:

Figura 7: andamento delle diverse fonti nel periodo 2000- 2050 [34] [EJ=10^18J]

Pertanto nel lungo termine i combustibili fossili non saranno verosimilmente in

grado di soddisfare la crescente richiesta di energia elettrica che viaggerà con un

incremento di un fattore 4 previsto per il 2050. Pertanto tale richiesta energetica

dovrà essere soddisfatta con tecnologie nuove e innovative. Per il momento

l’utilizzo dei combustibili fossili non può essere abbandonato ma si prevede che

una nuova forma di energia rinnovabile, che deve essere sviluppata a costi

competitivi, raggiungerà gradualmente una quota considerevole della produzione

elettrica. La sfida che l’umanità deve accettare è quindi quella di nuove fonti

alternative di energia che a costi competitivi non contribuisca all’inquinamento

atmosferico.

1 1 1 . . . 2 2 2 S S S C C C E E E N N N A A A R R R I I I O O O A A A M M M B B B I I I E E E N N N T T T A A A L L L E E E M M M O O O N N N D D D I I I A A A L L L E E E

Il clima del nostro pianeta è fortemente influenzato dalla composizione dell’atmosfera e in particolar modo dai gas ritenuti responsabili dell’effetto serra, dei mutamenti climatici e dell’inquinamento. ( CO

, CH

, N

O , HFC

, PEC

, SF

….) Analizziamoli in dettaglio:

Anidride carbonica ( CO

). Senza dubbio è la principale responsabile dell’aumento di temperatura terrestre. Essa è il maggior componente dei prodotti della combustione. La sua produzione è direttamente legata alla quantità e qualità di combustibile bruciato sia nelle centrali sia negli autoveicoli…;

Figura 8: concentrazione dell’anidride carbonica rilevate nelle stazioni di Mauna Loa e Siple

Monossido di carbonio ( CO ) . È un gas prodotto da una combustione incompleta. , dannoso per l’uomo e per e altre specie animali. Questo gas, una volta immesso nel sangue attraverso le vie respiratorie, si combina con l’emoglobina riducendone la capacità di trasportare l’ossigeno;

4 Fonte: Dipartimento di Scienze e Tecnologie dell’ambiente. Università di Milano

Anidride solforosa ( SO

). È un gas particolare dall’odore pungente.

Nell’aria l’anidride solforica reagisce chimicamente con l’ossigeno, l’acqua e il particolato dando luogo a vari ossidi di zolfo e solfati, genericamente indicati con SO

. Gli ossidi di zolfo sono dannosi all’apparato respiratorio, perché causano bronchiti ed enfisemi. Per la loro natura acida, l’ossido di zolfo è molto corrosivo ed è uno dei principali fattori all’origine delle piogge acide in molti paesi del mondo;

Ossidi d’azoto ( NO

). È una sostanza che è prodotta bruciando qualsiasi materiale nell’aria. Contribuisce alle piogge acide, è uno dei maggiori inquinanti urbani;

Idrocarburi incombusti: sono i prodotti dei motori alternativi dei veicoli a motore. Sono responsabili dello smog e contribuiscono all’effetto serra;

Clorofluorocarburi (CFC). Sono gli idrocarburi fluororurati e/o clorurati, prodotti artificialmente e utilizzati nell’industria per le particolari proprietà di cambiamento di stato (liquido - aeriforme e viceversa). I CFC vengono fotodissociati dalla radiazione solare liberando quindi fluoro e/o cloro che, interagendo con l’ozono stratosferico, lo distruggono;

Il particolato è una qualunque sostanza, solida o liquida, eccetto l’acqua, in sospensione nell’atmosfera. Comprende il fumo, le ceneri volanti, l’aerosol, polvere, polline e sali di vario tipo. Le dimensioni variano da 0,01 a 10 Πm. I danni causati dal particolato dipendono dalla natura chimica delle particelle e dalle loro dimensioni. Particelle di dimensioni inferiori a 1 Πm possono penetrare nei polmoni e compromettere la funzionalità.

Particelle acide o alcaline possono accelerare il deterioramento dei monumenti e delle piante. Particelle più grosse di 0,1 Πm tendono a ridurre la visibilità per quanto riguarda la viabilità veicolare;

Il biossido di azoto (NO

) è un gas dal colore bruno e dall’odore pungente, responsabile del colore marroncino in molte aree inquinate. Esso è un inquinante secondario, la cui presenza nell’aria è dovuta principalmente all’ossidazione dell’ossido di azoto (NO);

Il Benzene (C

H

) è una sostanza con riconosciuto effetto cancerogeno per l’uomo.

In particolar modo possiamo osservare che è l’utilizzo dei combustibili fossili a

causare la gran parte della produzione di CO

:

Figura 9: emissioni di CO

per combustibile

Gli effetti che tali gas portano al nostro pianeta sono:

Buco dell’ozono;

Piogge acide;

Inquinamento urbano;

Allarme antartico (negli ultimi 60 anni la sua temperatura è aumentata di 2,5°C e la stagione annua di scioglimento dei ghiacciai è passata da due a tre settimane);

Scioglimento della calotta artica;

Riscaldamento del pianeta con conseguenze di aumento del livello del mare, aumento delle tempeste, inondazioni, siccità…

5

Fonte: CNEL (Consiglio Nazionale dell’economia e del lavoro)

Per cercare di ridurre drasticamente la presenza di questi inquinanti nell’atmosfera, nel 1997 la conferenza di Kyoto ha adottato un protocollo nel quale impegnava i paesi industrializzati e paesi dell’est europeo a ridurre entro il 2008-2012 le proprie emissioni annue complessive di CO

del 5,2% rispetto ai valori del 1990. Tale conferenza ha preso anche altri correttivi, come il cercare di migliorare l’efficienza energetica e l’adottamento di politiche d’energie rinnovabili nei vari paesi.

Figura 10: impegni di riduzione delle emissioni dai vari paesi dell’ UE [29]

1 1. 1 . .3 3 3 S S S C CE C E EN N NA A A R RI R I I O O O I IT I T TA A A L LI L I I A A A N N N O O O

L’Italia presenta una bassissima diversificazione delle varie fonti per la produzione elettrica. Dando uno sguardo al grafico seguente, esso mostra come la maggior parte dell’energia elettrica prodotta nel nostro paese è causata dall’utilizzo dei combustibili fossili.

Figura 11: L’energia in Italia per fonti

Questi sono ovviamente importati e pertanto la nostra nazione è diventata col tempo uno dei paesi europei che presenta una maggiore dipendenza energetica estera. Ben l’80% della produzione di essa è importata dai paesi arabi, russi e inoltre a ciò si aggiunge anche una quota significativa di energia elettrica importata dai vari paesi vicini come Francia, Svizzera, Austria..

6

FONTE: ENEA

Figura 12,: riassunto delle varie dipendenze energetiche dei vari paesi dell’EU

Figura 13: andamento della dipendenza energetica dell’Italia nel tempo

C CO C O ON N N C C C L LU L U U S S S I IO I O ON N N I I I

Vista la crescente domanda di energia elettrica e la sempre maggior attenzione che deve essere rivolta ai problemi ambientali, occorre invertire la rotta di un sempre maggior utilizzo dei combustibili fossili anche se come è logico aspettarsi per molti anni il loro uso sarà ancora predominante.

Il senso di questa tesi è il presentare un possibile utilizzo di un’altra fonte d’energia che, rispettosa dell’ambiente possa contribuire a risolvere tali problemi.

7

Fonte: ENEA

8

FONTE: ENEA

2 fonte rinnovabile: BIOMASSA 2 fonte rinnovabile: BIOMASSA 2 fonte rinnovabile: BIOMASSA 2 fonte rinnovabile: BIOMASSA

Per energia rinnovabile o RES (acronimo dell’inglese “RENAWABLE ENERGY SOURCES”) non esiste una definizione precisa. Qui ci rifaremo alla definizione tratta dall’INTERNACIONAL ENERGY AGENCY (IEA), nella quale si definisce energia rinnovabile “una qualsiasi forma energetica che si rigenera almeno alla velocità con cui è usata”.

In questa categoria, pertanto, rientrano: l’energia eolica, solare, geotermica, idroelettrica e quella da biomassa.

Per biomassa si intende ogni sostanza organica vegetale o animale da cui è possibile ottenere energia attraverso processi di tipo termochimico o biochimico.

Qui ci si occuperà prevalentemente di biomassa vegetale.

Le piante assorbono anidride carbonica e attraverso la fotosintesi la trasformano in glucosio secondo la relazione:

Figura 14: fotosintesi

Figura 15: composizione della biomassa

Queste sostanze sono disponibili come prodotti diretti o residui del settore agricolo-forestale, come sottoprodotto o scarti dell’industrie agro-alimentari e come scarti della distribuzione e dei consumi finali. Di seguito abbiamo un grafico che riassume il tutto:

Figura 16: schema sintetico dei vari tipi di biomassa

Figura 17: foto di alcuni tipi di biomassa

RESIDUI FORESTALI E DELL’INDUSTRIA DEL LEGNO: sono ricavati dalle lavorazioni in segherie, dalle industrie di trasformazione del legno e dagli interventi di pulizia forestale.

SOTTOPRODOTTI AGRICOLI: si intende paglia, stocchi, sarmenti di viti, residui

di potature ecc..

RESIDUI AGROINDUSTRIALI: sono le sanse, le vinacce, i noccioli, lolla di riso provenienti dall’industria alimentare (riserie ,distillerie, oleifici…)

COLTURE ENERGETICHE sono finalizzate alla produzione di biomassa (sia erbacee sia legnose). Tale biomassa è poi sfruttata per produrre direttamente energia o per realizzare biocombustibili. Le specie più utilizzate sono : girasole , colza, canna da zucchero, pioppo, miscanto…La loro produzione annua è espressa in questo grafico.

Figura 18: produzione annua di alcune colture energetiche

Ovviamente, ogni tipo di biomassa ha il suo potenziale energetico:

Figura 19: potere calorifico inferiore e composizione di alcuni combustibili organici

Anche il costo al kg e al MJ sono diversi sia tra loro sia in confronto con i combustibili fossili:

Figura 20: confronto di costo di alcuni combustibili

La produzione mondiale di biomassa è stimata intorno ai 690× 10

Kcal, equivalenti a circa 8 volte il consumo mondiale di energia.

In Europa esiste la possibilità di soddisfare il 50% del fabbisogno energetico

utilizzando residui agricoli, rifiuti urbani, e utilizzando terreni non più richiesti

all’alimentazione umana.

2 2 2 . . . 1 1 1 V V V A A A N N N T T T A A A G G G G G G I I I E E E S S S V V V A A A N N N T T T A A A G G G G G G I I I D D D E E E L L L L L L ’ ’ ’ U U U S S S O O O D D D E E E L L L L L L A A A B B B I I I O O O M M M A A A S S S S S S A A A

Questa forma di energia presenta sia degli svantaggi che dei vantaggi che possono essere riassunti nel seguente schema:

V V V A A A N N N T T T A A A G G G G G G I I I

Fonte di energia rinnovabile;

Emissioni nette di CO

nulle (se non vengono considerate le emissioni dovute alla raccolta e al trasporto). L’utilizzo dei combustibili fossili converte in anidride carbonica delle materie prime che pur derivando da biomasse, rendono il processo praticamente irreversibile. L’utilizzo ,al contrario della biomassa fa si ché il biossido di carbonio (CO2) rilasciato durante la combustione venga riassorbito dalle piante stesse mediante il processo di fotosintesi;

Ha il rendimento energetico maggiore al minor costo tra le rinnovabili escluso l’idroelettrico;

Immagazzinabile;

Può essere convertita in combustibili gassosi ,solidi e liquidi;

Possibilità dell’utilizzo di numerose tecnologie di conversione che vanno dalla combustione fino alla gassificazione, e gran parte delle tecnologie e infrastrutture sviluppate per il combustibile fossile possono essere riconvertite per tale uso;

Tecnologie modulabili in base alla potenza richiesta;

Benefici a livello occupazionale;

Miglioramento della politica energetica. Infatti, si riduce la dipendenza di importazioni di combustibili fossili e si diversificano le fonti di approvvigionamento energetico;

Modesto contenuto di zolfo presente normalmente nelle biomasse che non

contribuiscono pertanto al cosiddetto fenomeno delle piogge acide.

S S S V V V A A A N N N T T T A A A G G G G G G I I I

Competizione con le altre colture destinate per esempio all’alimentazione;

Necessità di utilizzare grandi aree a causa della sua bassa densità energetica;

Sistema di raccolta, trasporto e stoccaggio difficile da gestire;

Produzione legata inevitabilmente alle condizioni ambientali e al tempo meteorologico;

Produzione non costante durante l’anno;

Produzione di umidità variabile in base al tipo di biomassa utilizzato;

Alcune tecnologie ancora non completamente utilizzabili;

Costo relativamente elevato richiesto al lavoro di produzione, raccolta e

stoccaggio di questa materia che per sua natura è dispersa in grandi aree.Il

materiale richiede inoltre degli aggiuntivi trattamenti per rendere le proprie

caratteristiche compatibili con i processi tecnologici come combustione,

gassificazione, pirolisi…

2 2 2 . . . 2 2 2 C C C O O O N N N V V V E E E R R R S S S I I I O O O N N N I I I E E E N N N E E E R R R G G G E E E T T T I I I C C C H H H E E E B B B I I I O O O M M M A A A S S S S S S A A A

Esistono vari tipi di conversioni energetiche; i processi maggiormente utilizzati possono essere divisi in:

1) Meccanico-chimico-fisici;

2) Biochimici;

3) Termochimici.

Il grafico seguente mostra le varie conversioni e i principali materiali organici ad esse maggiormente abbinate:

Figura 21:conversioni energetiche biomassa

2.2.1 PROCESSI BIOCHIMICI

I processi biochimici si dividono:

1) Fermentazione alcolica (piante e residui zuccherini, amidacei);

2) Digestione anaerobica (residui fermentescibili, deiezioni animali).

FERMENTAZIONE ALCOLICA

Tramite la fermentazione alcolica si ricava il bioetanolo. È uno dei prodotti che presenta il miglior compromesso tra prestazioni, prezzo e disponibilità.

Tale processo si articola in 4 stadi:

1) Produzione biomassa;

2) Conversione della biomassa in un prodotto fermentabile (di solito viene convertito in zucchero);

3) Fermentazione di quest’ultimo utilizzando dei biocatalizzatori come lievito,batteri…;

4) In ultimo raffinazione di questo prodotto al fine di ottenere un prodotto combustibile (bioetanolo).

DIGESTIONE ANAEROBICA

La digestione anaerobica è dovuta all’azione di batteri o funghi in completa assenza di ossigeno. Da questo processo si ottieneun gas detto ”(biogas)”.

Tale processo può essere applicato a tutti quei materiali organici che presentano un rapporto di C/N (carbonio-azoto) compreso tra 16 e 30 e un umidità superiore al 50%, quindi come materia prima è usata soprattutto la deiezione animale.

Il gas risultante [ PCI~5300-5800 kcal/Nm3 (22-24 MJ/m3) ] è costituito da :

• 65-70% di metano ( CH

) ;

• 30-35% di CO

;

• Alcuni idrocarburi saturi e traccia di H

S .

Tale gas può quindi essere utilizzato per la produzione di elettricità o direttamente nei motori a combustione interna.Da questo processo otteniamo anche dei residui solidi che possono essere utilizzati come fertilizzanti.

È interessante notare come questo tipo di produzione sia andato espandendosi

sempre più nel mondo e anche in Italia:

Figura 22: andamento della produzione di energia elettrica da biogas con cogenerazione (1995-2003)[31]

Figura 23: andamento della produzione di energia elettrica da biogas solo EE (1995- 2003) [31]

2.2.2 PROCESSSI MECCANICO-CHIMICI- FISICI

Da tale processo si origina il bio-diesel. Come materia prima vengono usati principalmente grassi animali, piante e residui oleaginosi. Tale processo si basa sull’esterificazione e transesterificazione in condizione di bassa temperatura e pressione. Il prodotto ottenuto non è tossico, è biodegradabile ed è miscelabile con il diesel tradizionale; ma ha un grosso svantaggio su cui la ricerca si sta concentrando: emette troppi NO

Figura 24: confronto tra produzione di etanolo e biodiesel nel mondo [28]

2.2.3 PROCESSI TERMOCHIMICI

2.2.3.1 COMBUSTIONE DIRETTA e CO-FIRING

La combustione diretta è stata, per molto tempo, l’unico mezzo per produrre energia ad uso domestico e industriale. Tale processo permette la trasformazione dell’energia chimica contenuta dalla biomassa, in energia termica, mediante una serie di reazioni chimiche-fisiche.

La biomassa è immessa in una camera di combustione e lì subisce sequenzialmente i processi di essiccazione, pirolisi, gassificazione e infine la combustione vera e propria dei prodotti della gassificazione.Da ciò si ha la produzione di calore, che è usata per riscaldare un vettore energetico, come aria o acqua, che muove le turbine di un generatore secondo un ciclo termico.

Questa combustione può interessare non solo legna ma anche gli scarti agricoli come paglia, residui dell’industria del legno o dell’industria agro-alimentare e i rifiuti solidi urbani.

Tutti questi materiali presentano delle difficoltà a livello economico non facili da superare, come conservazione, pre-trattamento e distribuzione.Oltre a questi problemi di natura economica si aggiungono anche quelli da un punto di vista ambientale, legati all’emissione di contaminanti.

Le tecnologie che usano la biomassa come vettore energetico hanno una taglia media che si aggira sui 20 MW (il più grande è sui 75 MW). Hanno un’efficienza molto bassa, pari al 20%. il costo al KWh è intorno ai 8-12 cEURO. Gli investimenti sono legati all’immagazzinamento del materiale organico e sono molto variabili, vanno dai 100 ai 700 EURO al KW con una media che si aggira sui 180-200 EURO/KW.

Un miglioramento dell’efficienza complessiva può essere utilizzato con il co-firing in cui, insieme alla combustione del carbone, possiamo utilizzare una percentuale di biomassa che va dai 10 al 20%. In tal caso abbiamo solo una piccola perdita dell’efficienza complessiva (si aggira sul 35-40% ) e benefici a livello dell’emissione di SO e NO

.

Un altro aspetto da tenere in considerazione nella combustione della biomassa è che alcuni feedstock come la paglia o in generale tutta la biomassa erbacea provoca un effetto corrosivo all’interno della caldaia a causa di alcalini e componenti di cloro nella cenere.

In ogni modo nonostante tali problemi, l’utilizzo della biomassa in direct-

combustion è ancor oggi la tecnologia pi matura e più utilizzata nel mondo. Si

pensi che in Danimarca oltre 750.000 tonnellate di paglia l’anno sono bruciate e

forniscono energia elettrica, mentre in paesi come Austria e Finlandia l’energia

elettrica prodotta da tale tipo di tecnica supera ben il 40% della richiesta

nazionale!

2.2.3.2 GASSIFICAZIONE

È un processo di conversione attraverso reazioni d’ossidazione parziale ad elevata temperatura (800°C). L’ossidazione può essere fatta con diversi agenti come l’aria, l’ossigeno o il vapor d’acqua ottenendo di conseguenza un gas, chiamato gasogeno o syngas, con caratteristiche differenti. Essa si differenzia essenzialmente dalla combustione diretta, per il minor rapporto aria/combustibile che impedisce la totale ossidazione del combustibile.

• Se utilizziamo l’aria otteniamo un gas con P.C. = 4-7 MJ/Nm³ e non è adatto ad essere trasportato ma può essere utilizzato in caldaie o motori a combustione interna

• Se utilizziamo ossigeno otteniamo un gas con P.C. =10-18 MJ/Nm³. Tale gas è migliore del precedente, può essere trasportato e può essere utilizzato per produrre metanolo. Tutto ciò, però, si paga ad un costo maggiore dell’infrastruttura e ad una sua più ragguardevole complessità.

• La gassificazione con vapore acqueo (tale processo è indicato con il termine inglese di reforming) genera invece un gas ricco d’idrogeno.

Figura 25: composizione del syngas [31]

Il syngas che si ottiene, non è mai puro ma può contenere anche altri composti, dei contaminanti, come:

Composti carboniosi (TARS);

Contaminanti gassosi come H2S, SO2, NOx, HCl ed altri composti clorati;

Metalli pesanti;

Alcali e polveri.

Il livello di depurazione che deve essere raggiunto dipende fortemente dall’utilizzo del syngas. La massima purezza è indispensabile nel caso si voglia produrre metanolo, idrocarburi incombusti o idrogeno.

Il processo di gassificazione si articola in tre fasi:

1) Essiccamento;

2) Pirolisi:

3) Gassificazione (non è altro che un’ossido-riduzione dei prodotti della pirolisi).

Anche se i fenomeni di pirolizzazione della seconda fase sono veloci, la velocità dell’intero processo di gassificazione è molto lento.

Le principali reazioni che avvengono sono:

C + O2 ⇒ CO2 (combustione)

C + ½ O2 ⇒ CO (ossidazione parziale) C + H2O (g) ⇒ CO + H2 (reforming del carbone) C + CO2 ⇒ 2CO (reazione di Boudouard) C + 2H2 ⇒ CH4 (metanazione)

CO + H2O(g) ⇒ CO2 + H2 (Water Shift Gas Reaction)

Nel bilancio totale del processo rivestono una particolare importanza, queste variabili:

• Portata oraria della biomassa;

• Portata oraria dell’aria;

• Temperatura del letto;

• Contenuto d’umidità della biomassa;

• Tempo di residenza della biomassa e del gas nel letto inerte.

I gassificatori inoltre si possono dividere in:

Gassificatori a letto fisso;

Gassificatori a letto fluido;

Gassificatori a letto trascinato.

2.2.3.3 PIROLISI

La pirolisi non altro che un processo di decomposizione fisica, nella quale la temperatura d’esercizio è mantenuta su bassi valori e tutto ciò avviene in assenza di un agente ossidante o con bassissima quantità d’ossigeno.

Da questo processo sono ottenuti tre prodotti

1) Un residuo solido carbonioso (indicata con CHAR) che può essere utilizzata come carburante o come carbone attivato;

2) Una sostanza gassosa ricca d’idrocarburi; ha un alto potenziale calorico;

3) Una sostanza liquida (bio-olio) ricca di carbonio, costituito in gran parte da una miscela di idrocarburi contenenti ossigeno e dauna piccolissima percentuale di cenere, zolfo e azoto. Tale sostanza ha un potere calorifico di circa 27 MJ/Kg. Tale sostanza liquida è spesso indicata con TAR.

La pirolisi può essere suddivisa grossolanamente in tre differenti tipi:

1) Pirolisi lenta; viene effettuata a bassa temperatura ( ≈ 500) e con lunghi tempi di residenza del materiale usato. Con questo metodo si ottiene un’alta percentuale (30-35%) di residuo solido (corrispondente a circa il 50% di contenuto energetico);

2) Pirolisi veloce; massimizza la produzione di liquido (fino a più dell’80% in peso), è effettuata con tempi brevi di residenza (<2secondi) e con alte velocità di riscaldamento (fino anche a 10.000°C/s). Inoltre essa può essere effettuata ad alta (oltre 700°C) o bassa temperatura ( ≤ 700°C); nella prima essenzialmente abbiamo una produzione maggiore di gas;

3) Pirolisi convenzionale; ha tempi e temperature medie. Da questa si ottiene un’eguale quantità di liquido,solido e gas.

Figura 26: contenuto dei vari composti della pirolisi al variare della temperatura [26]

Oggi è proprio quest’ultimo aspetto, cioè pirolisi veloce a bassa temperatura per la

produzione di bio-olio ad attirare maggiormente l’attenzione.

Figura 27: il Bio-olio

Tale prodotto pirolitico presenta le seguenti caratteristiche:

Data la sua alta densità energetica può essere facilmente trasportabile;

Può essere utilizzato direttamente o in miscela con altri liquidi combustibili;

Ha un basso contenuto di zolfo;

Dalla sua distillazione possiamo ottenere biodiesel gasolio …Ricordiamo che i carburanti per trasporti in Europa rappresentano oltre il 30 % del consumo totale di energia, sono responsabili per il 90 % dell’incremento stimato di emissioni di CO2 nel periodo 1990-2010 e dipendono per il 98 % da combustibili fossili prevalentemente importati.

Tale olio pirolitico è molto versatile e ha diverse applicazioni:

Figura 28: Usi e prodotti della pirolisi

In tale grafico si nota che il bio-olio può essere utilizzato per:

1) co-combustione di esso con il carbone per la produzione di elettricità.

Esempio è stato fatto nel Wisconsin con una percentuale del 5% di bio-olio;

2) co-gassificazione;

3) bruciato direttamente nelle centrali termoelettriche. Test effettuato in Finlandia dalla VTT.

4) utilizzato nelle turbine diesel. Esempio: la Dynamotive corporation ha prodotto bio-olio dal legno e utilizzato questo in una turbina per produrre elettricità;

5) utilizzato, con l’aggiunte di particolari sostanze, come combustibile per il trasporto;

6) utilizzato per estrarre da esso l’idrogeno; è una delle tecniche più promettenti

7) utilizzato per estrarre particolari sostanze, come resine, fenoli…

8) fertilizzanti.

C C C A A A R R R A A A T T T T T T E E E R R R I I I S S S T T T I I I C C C H H H E E E C C C H H H I I I M M M I I I C C C H H H E E E – – – F F F I I I S S S I I I C C C H H H E E E D D D E E E L L L L L L I I I Q Q Q U U U I I I D D D O O O P P P I I I R R R O O O L L L I I I T T T I I I C C C O O O

Figura 29: confronto tra biomassa e olio da esso prodotto

Non si conosce ancora con precisione come, e in che modo avviene il processo di pirolisi. Sono stati condotti degli studi, per esempio all’università di Twente in Olanda, su una singola goccia d’olio pirolitico per cercare di vedere cosa accade a questa. Non si è giunti ad una formulazione precisa del suo stato chimico, anche perché essa dipende da:

Tipo di biomassa;

Contenuto d’azoto organico e proteine;

La percentuale di trasferimento di calore nel container (della pirolisi) e

temperatura finale della pirolisi;

Estensione della diluizione del vapore nel reattore;

Contenuto d’acqua;

Lunghezza del tempo di residenza;

Temperatura deposito;

La composizione chimica di ciascun costituente (il grado di polimerizzazione e tipo di cristallinità);

Presenza di componenti inorganici come NaCl e FeSO

che possono catalizzare reazioni di degradazione termali;

Altro…

Figura 30: composizione del bio-olio

COMPONENTI ORGANICI DEL BIO-OLIO

La composizione organica del bio-olio dipende fortemente dal tipo di biomassa che viene utilizzata. È lecito attendersi che i materiali ricchi di contenuti organici azotati (come erba medica, erba per il fieno…)presenteranno un alto contenuto d’ossidi d’azoto, mentre altri composti come la paglia e il legno ne avranno un contenuto relativamente più basso.

9

Fonte: BTG (Biomass Technology group)

COMPONENTI INORGANICI DEL BIO-OLIO

Il contenuto d’inorganici nei bio-olio si può trovare sotto varie forme. In soluzione acquosa, associata ai vari ioni, legati ad acidi organici, come deposito solido o legati a vari enzimi.

I vari ioni possono includere carbonati, silicati, solfati…

Questi contenuti inorganici sono da considerare perché possono portare, durante lo stoccaggio, a reazioni di polimerizzazione e aumentare di conseguenza la viscosità. Tali inorganici possono, inoltre compromettere la combustione , ma fortunatamente tali minerali ,almeno in grossa percentuale,rimangono concentrati nel CHAR.

Quindi, è necessario che le presenze di CHAR vengano completamente eliminate dal TAR.Il modo migliore è utilizzare la separazione ciclonica anche se con questa le particelle (di tale materiale ) inferiori a 10 m µ in diametro non sono filtrate.Una filtrazione hot-gas rimuove più efficacemente tali particelle.

La tavola sotto mostra il contenuto dei diversi elementi dopo che è stata fatta la separazione ciclonica e la hot-gas filtrazione.

Figura 31: Inorganic Compositions of the Chars and Bio-Oils Made from Various Biomass Feeds at NREL with Char Removal by Cyclones or Filtration [13]

Da questa tabella emerge che, purtroppo, solo dal 20 al 50% di tali inorganici

sono rimossi. Ciò implica che i rimanenti elementi inorganici sono più piccoli di

2,5 m µ e contenute in particelle di CHAR sospese e/o diluite in acqua.

I I I N N N S S S T T T A A A B B B I I I L L L I I I T T T A A A ’ ’ ’ B B B I I I O O O - - - O O O L L L I I I O O O

Il bio-olio che otteniamo è un prodotto instabile, giacché non è un prodotto d’equilibrio termodinamico poiché è ottenuto con tempi di reazione molto brevi.

Esso è soggetto pertanto, a meccanismi d’invecchiamento chimico e fisico .

Se sottoponiamo la biomassa a condizioni di riscaldamento rapido e tempi di residenza di reattore corti (come accade con la fast-pirolisi) otteniamo un prodotto con una bassa viscosità,un prodotto composto quasi unicamente (almeno per il 70% ) da liquido (il TAR).

La maggior parte degli usi, delle destinazioni di tale prodotto richiede che le sue proprietà rimanghino costanti durante il deposito, la spedizione e l’uso.

Sfortunatamente ciò non accade, il bio-olio diventa più viscoso durante il deposito. Alcuni prodotti pirolitici testati hanno visto infatti aumentare la propria viscosità da un 10 cP a temperatura ambiente fino a un 10.000 cP!

Nella figura sottostante sono rappresentati i cambiamenti che abbiamo nel caso di tre tipi di legno.

Figura 32: Aging of Bio-Oils at 35°C to 37°C (cP = mPas) [13]

Un altro parametro che influenza la viscosità è la temperatura:

Figura 33 Effect of Measurement Temperature on Apparent aging of poplar Hot-Gas Filtered Bio-Oil (Diebold and Czernik 1997) [13]

Tale grafico è stato fatto per lo stesso materiale ma che è stato deposito per un tempo diverso (0; 8 o 20,5 ore). Tutto ciò mostra che per mantenere la loro viscosità bassa, i prodotti di pirolisi devono essere immediatamente raffreddati e conservati a bassa temperatura.

Altro aspetto: la perdita di volatili aumenta anch’essa la viscosità e quindi bisogna fare in modo che i contenitori contenenti bio-olio siano opportunamente sigillati.

La figura successiva mostra la correlazione tra peso molecolare e viscosità

Figura 34: Viscosity and Molecular Weight after Aging of a Bio-Oil Made from Oak (data from Czernik et al. 1994) (Molecular weight by GPC with UV detector)[13]

Il bio-olio durante il tempo di deposito cerca di trovare il suo equilibrio

termodinamico cambiando il proprio peso molecolare, la sua viscosità e co-

solubilità dei suoi elementi.

S SO S O OM M M M M M A AR A R RI I IO O O

Il bio-olio che si ottiene dalla pirolisi non è altro che una mistura d’acqua, CHAR e componenti organici ossigenati che include acido organico, aldeidi, esteri, acetali, emiacetali, alcool, olefine, fenali, proteine e composti solfati.

L’attuale composizione di un bio-olio è una funzione complessa che dipende dal tipo di biomassa, dalla tecnica di pirolisi, dai sistemi di rimozione del char e dalle condizioni di stoccaggio.

In generale i bio-oli con contenuto di CHAR più basso tendono ad invecchiare meno rapidamente.

Queste reazioni d’invecchiamento possono essere stabilizzate con solventi e idrogenazione. Aggiungere solventi, intorno al 10% circa del TAR (come Metanolo, Etanolo) non è molto costoso, è costoso invece l’idrogenazione

Possiamo aggirare questo problema cercando di prendere alcune precauzioni:

Una volta ottenuto il bio-olio esso deve essere sigillato per evitare il contatto di esso con l’aria. Anche se una piccola presenza d’aria rimane all’interno di tali contenitori essa non è sufficiente per portare a fenomeni di perossidi e quindi portare all’invecchiamento. Aggiungere anche una piccola quantità di antiossidante può essere una misura precauzionale.

Anche i piccoli cambiamenti della temperatura sono responsabili del cambiamento di viscosità. Una volta ottenuto il bio-olio è bene pertanto immagazzinarlo ad una temperatura di 20°C circa e mantenerla più possibilmente costante.

Quest’olio pirolitico ha un odore acre e può causare disturbi se viene inalato.

M M M A A A G G G G G G I I I O O O R R R I I I U U U T T T I I I L L L I I I Z Z Z Z Z Z A A A Z Z Z I I I O O O N N N I I I D D D E E E L L L B B B I I I O O O - - - O O O L L L I I I O O O

Olio di pirolisi utilizzato in Dual Fuel Diesel Engine

È stato utilizzato un motore diesel da 250 Kwe modificato per operare con l’olio pirolitico crudo. Non è stato quindi necessario nessun upgrading (con upgrading si intende la tecnica di pulitura e potenziamento).

È stato utilizzato un 6 cilindri a media velocità e il combustibile era per l’80%

costituito da bio-olio e per il restante 20% da metanolo. Tale esperimento fatto dalla Omrod ha dato buoni risultati per 20 ore consecutive. L’utilizzo di tale tecnica necessità ancora però di successivi esperimenti

Combustione di olio-pirolitico [20]

La combustione di tale prodotto è stata testata da varie organizzazioni: la NESTE e la OLION in Finlandia,dalla Biotherm della Dynamotive. La tecnologia utilizzata è analoga a quella che viene comunemente impiegata per le caldaie a light fuel.

La principale differenza tecnologica dalla combustione del bio-olio dal light fuel è l’atomizzatore di pressione che doveva essere opportunamente modificato

Figura 35 : typical spray cone with pyrolysis liquid

La temperatura delle caldaie deve essere più alta per via della presenza di acqua contenuta nell’olio pirolitico, pertanto era richiesto una zona refrattaria per l’evaporazione dell’acqua

Dopo tali modifiche si è notato che anche se il processo di combustione, le reazioni chimiche che intervenivano all’interno della caldaia, si discostavano dal light fuel, il tempo necessario per la sua completa combustione era identico.

Alla OLION erano stati testati nozzle di tipo DANFOSS, DELAVAN, MONARCH, mentre il regolatore meccanico di pressione usato è il SUNTEC.

Inoltre erano state effettuate anche alcune modifiche per la sequenza di start-up.

Esempio: la caldaia partiva con l’olio combustibile convenzionale.

10

Fonte: Pyne (The Biomass Pyrolysis Network)

I risultati delle emissioni ottenute erano :

CO < 30 ppm;

0

circa 3,5 vol%;

CO 4,6 mg/MJ;

NO

88 mg/MJ;

Idrocarbonio 0,1 mg/MJ;

Fuliggine 2,4 Bac;

Emissioni di particolato maggiori di 2 volte quelle del light fuel. Circa 86 mg/MJ. Tale emissioni erano dovute a un alto contenuto di solidi ( 0,5- 0,7% Wt) e alla alta viscosità ( >20 cst a 80%).Tale alta emissione di particolato poteva essere fermata apportando alcune modifiche come :

• Preciso controllo della temperatura nella camera di combustione;

• Aggiunta di solventi;

• Altro…

Un altro test interessante è stato fatto dalla Biotherm, la grande novità era che al

bio-olio non sono stati aggiunti solventi e inoltre il bio-olio non veniva filtrato.

T T T I I I P P P O O O L L L O O O G G G I I I E E E D D D I I I R R R E E E A A A T T T T T T O O O R R R I I I P P P I I I R R R O O O L L L I I I T T T I I I C C C I I I

Il principio di funzionamento generale di un reattore pirolitico, può essere rappresentato con il seguente grafico:

Figura 36: schema sintetico del processo di pirolizzazione

La biomassa prima di essere pirolizzata deve essere opportunamente trattata:

1) La prima operazione che viene effettuata è quella di “drying” cioè di essiccatura della stessa per far sì che l’umidità presente diventi inferiore al 10%. La paglia ha un contenuto di umidità alla raccolta già inferiore a tale percentuale, pertanto non è richiesto tale trattamento;

2) La seconda operazione è quella di “grinding” cioè la biomassa viene finemente sminuzzata per favorire la completa trasformazione energetica. Si va dai 2mm per un reattore a letto fluido fino ai 6mm per uno a letto fluido ricircolante. Ovviamente minore è la taglia della macinatura, maggiore sarà il costo di tale operazione;

3) La terza operazione è quella comunemente chiamata di pirolisi. La biomassa viene riscaldata in un reattore con tempi di permanenza che dipendono dalla tecnologia utilizzata.

Dalla pirolizzazione otteniamo i tre prodotti prima accennati : TAR, CHAR, GAS che vengono poi successivamente trattati e filtrati.

Esistono numerose tipologie di reattori pirolitici, attualmente più di 150 compagnie nel mondo stanno introducendo sul mercato le tecniche di pirolizzazione, tra cui le più importanti sono:

• Letti fluidi (Fluid Beds – FB);

• Letti fluidi ricircolanti ( circulating Fluidised Beds – CFB);

• Bubbling fluid beds;

• Ablativo;

• Trasnsported bed;

• Cono rotante;

• Vacuum moving bed;

• Entrained flow.

Qui di seguito sono rappresentate le maggiori tipologie di reattori e dove sono state sviluppate:

Figura 37: tipologie di reattori e luogo di sviluppo

Queste principali tecnologie si differenziano principalmente nei seguenti aspetti:

E’ richiesto o meno un certo calore per la pirolizzazione;

E’ richiesto o meno un gas come veicolo termico;

Pressione operativa (vuoto o atmosferica);

Taglia della particelle in ingresso.

Tutte queste tecniche di pirolizzazione presentano caratteristiche peculiari. PYNE, l’organismo internazionale composto da attivi ricercatori e sviluppatori che discutono sugli sviluppi scientifici e tecnologici sulla pirolisi (uno dei maggiori esponenti è il prof Tony Bridgewater), ha rappresentato in un grafico le tecnologie che attualmente presentano le migliori attrattive:

Figura 38: tecnologie più attrattive [14]

3 3 3 D D D D D D D D D D D D IIII IIII IIII S S S S S S S S S S S S P P P P P P P P P P P P O O O O O O O O O O O O N N N N N N N N N N N N IIII IIII IIII B B B B B B B B B B B B IIII IIII IIII L L L L L L L L L L L L IIII IIII IIII T T T T T T T T T T T T A A A A A A A A A A A A ’’’’ ’’’’ ’’’’ B B B B B B B B B B B B IIII IIII IIII O O O O O O O O O O O O M M M M M M M M M M M M A A A A A A A A A A A A S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S S A A A A A A A A A A A A IIII IIII IIII N N N N N N N N N N N N IIII IIII IIII T T T T T T T T T T T T A A A A A A A A A A A A L L L L L L L L L L L L IIII IIII IIII A A A A A A A A A A A A

Fin ora sono state analizzate tutte le possibili trasformazioni che riguardano la biomassa, tutti i vari processi di trasformazione energetica: termochimici, biochimici e meccanico-chimici e in particolare, è stata posta l’attenzione sulla trasformazione pirolitica che converte tale matrice organica in bio-olio. Riuscire a trovare una qualche tecnologia che riesca a sfruttare il potenziale energetico della biomassa potrebbe infatti riuscire a risolvere il problema dell’approvvigionamento energetico italiano. Basti pensare che in Italia abbiamo una produzione annua di 22 10 ⋅

tonnellate di s.s. di biomasse residuali l’anno, che se sfruttata completamente corrisponde a più di 100 Twh di energia l’anno!

Figura 39: Biomasse attualmente disponibili in Italia [32]

Considerando che la richiesta di energia nel 2005 è stata di 300 TWh, anche con una conversione energetica del 30% di tale biomassa si potrebbe riuscire a soddisfare il 10% del fabbisogno energetico italiano utilizzando solo i residui di lavorazioni agricole e industriali!

Questa tesi si occupa di analizzare la disponibilità di biomassa in una delle regioni a più forte densità energetica di questa fonte rinnovabili: la Toscana.

3 3. 3 . .1 1 1 D DI D I I S S S P PO P O O N N N I I I B BI B I I L LI L I I T TÀ T À À B BI B I I O OM O M MA A AS S S S S S A A A I IN I N N T TO T O OS S S C C C A A A N NA N A A

Le figure 40 e 41 mostrano la disponibilità di biomassa e in particolare gli scarti

della paglia agricola e biomassa forestale nel territorio toscano. Nel primo viene

evidenziata la produttività per tonnellata al Km ² disponibile, mentre nel secondo

viene valutata la relativa energia divisa per fasce territoriali.

Produttività Tonn/K m

/anno

Figura 40: disponibilità biomassa [35]

Figura 41: potenziale energetico diviso per zona

Tali grafici evidenziano come le zone più interessanti, che hanno una più alta concentrazione energetica sono essenzialmente 4:

1) La zona di Pontedera (Val d’Era e Val di Cecina);

2) La zona di Poggibonsi (Val d’Elsa, Val d’Era e Val di Cecina);

3) Castiglion fiorentino;

4) La zona del Chianti.

Questa tesi analizza una zona tra quelle sopraesposte: la Val di Cecina.

I risultati e l’approccio metodico che saranno utilizzati potranno essere facilmente estesi alle altre zone. Pertanto il primo passo che deve essere affrontato è di vedere in particolare la disponibilità di biomassa.

3.2 DISPONIBILITA’ BIOMASSA NELLA VAL DI CECINA

La zona della Val di Cecina si insinua tra la provincia di Pisa e a ridosso della

provincia di Siena e di Livorno. Essa comprende 5 comuni: Volterra, Pomarance,

Montecatini Val di Cecina, Castelnuovo Val di Cecina, Monteverdi Marittimo.

Figura 42: cartina della Val di Cecina

Dai dati provvisori dell’ultimo censimento dell’agricoltura (2000) risulta che la superficie totale delle aziende agricole del territorio della comunità montana della Val di Cecina ammonta a 67.226,35 ettari, così suddivisi per destinazione:

Tabella 1: destinazione degli ettari totali

Ettari Totali

Ettari Boschivi

Ettari seminativi

Ettari di coltivazione

legnose agrarie

Prati permanenti

e pascoli

67.226,35 31.770,91 23.500 2.356 9.599,44

Tabella 2: destinazione degli ettari seminativi

Ettari seminativi COLTIVAZIONE CEREALE

Foraggere avvicendate

Altro

23.500 12.200 4.000 7.300

In questa analisi è stata considerata soltanto la produzione di paglia

Come possiamo vedere dalla tabella il numero complessivo di ettari destinati alla coltivazione di cereali si aggira intorno ai 12.200 ha.

Considerando una produzione annua media di 30 quintali di s.s. di residui

agricoli a ettaro, la disponibilità di paglia che può essere sfruttata nella Val di

Cecina per la produzione di energia elettrica si aggira intorno alle 36.600

tonnellate.

4 TECNO 4 TECNO 4 TECNO

4 TECNOLOGIA UTILIZZATA PER LA LOGIA UTILIZZATA PER LA LOGIA UTILIZZATA PER LA LOGIA UTILIZZATA PER LA TRASFORMAZIONE DELLA BIOMASSA

TRASFORMAZIONE DELLA BIOMASSA TRASFORMAZIONE DELLA BIOMASSA TRASFORMAZIONE DELLA BIOMASSA

Tra tutte le possibili trasformazioni che riguardano la biomassa per la produzione d’energia elettrica, la scelta è ricaduta sulla tecnica della pirolisi per diversi motivi:

Tale tecnologia permette di poter generare un bio-olio che può essere poi trasportato anche in un luogo più distante;

Permette pertanto al contrario delle tecnologie di gassificazione e di combustione di ridurre i costi di trasporto;

Permette inoltre di poter creare una catena energetica. C’è chi produce la paglia, chi si occuperà della produzione di bio-olio e del suo trasporto e infine chi penserà all’utilizzazione di tale prodotto;

Meno inquinamento in quanto il trasporto non soltanto è costoso ma comporta anche un inquinamento atmosferico;

Inoltre tra tutte le tecnologie studiate per la produzione di energia elettrica, la pirolisi è quella che mostra il minor costo di investimento e una migliore fattibilità economica;

Figura 43: stima dei costi di produzione. Rappresenta una stima di quale poterebbe essere il prezzo dei vari combustibili prodotti dalle varie tecnologie verso il 2010.

[16]

La tecnologia della pirolisi non è ancora completamente matura pertanto si prevede la possibilità non solo di un incremento del suo rendimento energetico ma persino anche di una riduzione dei propri costi di produzione;

La gassificazione e la combustione della biomassa, in particolar modo della paglia e di tutte le sostanze erbacee creano dei problemi di sporcamento delle turbine. La combustione del bio-olio, al contrario non crea di questi problemi;

Un altro aspetto essenzialmente importante è che l’olio pirolitico è un prodotto estremamente versatile. Può essere utilizzato per ricavare idrogeno, sfruttarlo per ricavare componenti chimici come le resine, oppure può essere gassificato per la produzione di energia o utilizzato come combustibile per un centrale termoelettrica.

In questo progetto è stato considerata proprio quest’ultima destinazione, cioè il suo utilizzo diretto come combustibile in una caldaia termoelettrica. Questa scelta è stata ritenuta più idonea per diversi motivi:

1) La combustione del bio-olio è quella che al momento, risulta tra le più sicure ed affidabili e ha raggiunto un buon grado di maturità. Tale utilizzazione, infatti è stato dimostrato in varie parti del mondo, in particolar modo in Olanda a Zwolle, è stata dimostrata tale possibilità con la costruzione di un reattore pirolitico da 50 tonn/giorno (circa 2 tonn/h) e tale prodotto pirolitico è stato bruciato in una centrale termoelettrica da 600 Mwe [21]. Il liquido pirolitico in tale centrale era prodotto a un prezzo intorno ai 6 EURO/GJ.

2) Inoltre la combustione del bio-olio non prevede la necessità di un

“upgrading” di esso, cioè di aggiunta di solventi che da un canto migliorano la qualità e quindi la stabilità dell’olio ma dall’altro canto incrementano inevitabilmente i costi.

Alla luce delle considerazioni fin qui fatte tale progetto prevede pertanto:

1) Produzione e raccolta della paglia e suo trasporto;

2) Costruzione di un numero adeguato di pirolizzatori nella Val di Cecina;

3) Trasporto del bio-olio alla centrale termoelettrica;

4) Combustione del bio-olio nella caldaia con conseguente produzione di

energia elettrica.

Queste quattro operazioni previste verranno svolte da due organi separati: una cooperativa e una società elettrica.

Cooperativa

La cooperativa si occuperà dei seguenti aspetti:

• Produzione di tale risorsa energetica;

• Stoccaggio di essa;

• Trasporto di essa ai vari pirolizzatori;

• Trasporto del prodotto trasformato alla centrale.

Centrale elettrica

La centrale si occuperà invece:

• Stoccaggio del bio-olio;

• Produzione di energia elettrica.