Biomasse e biocombustibili: stato dell’arte Biomasse e Biomasse e biocombustibili biocombustibili : stato dell : stato dell ’ ’ arte arte
Efisio A. Scano Efisio A. Scano Efisio A. Scano
9 novembre 2007 9 novembre 2007 9 novembre 2007
Il contesto Il contesto
crescente dipendenza dalle importazioni di petrolio e gas naturalecrescente dipendenza dalle importazioni di petrolio e gas naturale
eccessivi consumi energeticieccessivi consumi energetici
obbligo di ridurre le emissioni dei gas serra obbligo di ridurre le emissioni dei gas serra
rialzo dei prezzi del petrolio, del gas e dell’rialzo dei prezzi del petrolio, del gas e dell’elettricitelettricitàà approccio strategico e integrato
approccio strategico e integrato
Proposte UE
Proposte UE – – gennaio 2007 gennaio 2007
politica ambientale politica ambientale
politica dei trasporti politica dei trasporti
politica agricola politica agricola
limitare le emissioni di gas ad effetto serra del 20% limitare le emissioni di gas ad effetto serra del 20%
21% di energia elettrica da fonti rinnovabili (8% da biomasse21% di energia elettrica da fonti rinnovabili (8% da biomasse))
fissare al 10% la quantitàfissare al 10% la quantità minima di biocarburantiminima di biocarburanti
FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE FONTI DI ENERGIA RINNOVABILE
Con l’espressione fonti di energia rinnovabile (FER) si intendono tutte le fonti di energia non fossili quali
Con l
Con l’ ’espressione fonti di energia espressione fonti di energia rinnovabile (FER) si intendono tutte rinnovabile (FER) si intendono tutte
le fonti di energia non fossili quali le fonti di energia non fossili quali
EOLICA EOLICA
GEOTERMICA GEOTERMICA
IDRAULICA IDRAULICA
BIOMASSE BIOMASSE SOLARE
SOLARE
Le Le biomassebiomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230
mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 MtepMtep/anno)/anno)
I Paesi in Via di Sviluppo ricavano mediamente il 38% della prop I Paesi in Via di Sviluppo ricavano mediamente il 38% della propria ria energia dalle
energia dalle biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 MtepMtep/anno), /anno), mediante la combustione di legno, paglia e rifiuti animali
mediante la combustione di legno, paglia e rifiuti animali
Nei Paesi Industrializzati le
Nei Paesi Industrializzati le biomassebiomasse contribuiscono appena per il 3% contribuiscono appena per il 3%
agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156
agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156 MtepMtep/anno)/anno)
Gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle
Gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, biomasse, equivalente a 3,2 milioni di TJ/anno (70
equivalente a 3,2 milioni di TJ/anno (70 Mtep/anno); lMtep/anno); l’Europa il 3,5% ’Europa il 3,5%
corrispondenti a circa 40
corrispondenti a circa 40 Mtep/anno, con punte del 18% in Finlandia, 17% Mtep/anno, con punte del 18% in Finlandia, 17%
in Svezia, 13% in Austria, l
in Svezia, 13% in Austria, l’’Italia, con il 2,5% del proprio fabbisogno Italia, con il 2,5% del proprio fabbisogno coperto dalle
coperto dalle biomassebiomasse, , èè al di sotto della media europeaal di sotto della media europea
Ruolo delle
Ruolo delle biomasse biomasse a livello mondiale a livello mondiale
CONVERSIONE DELLE BIOMASSE
CONVERSIONE DELLE BIOMASSE
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
COMBUSTIONE COMBUSTIONE
Nel corso della combustione le
Nel corso della combustione le biomassebiomasse si decompongono e si decompongono e volatilizzano lasciando un residuo (ceneri) e producendo una fra
volatilizzano lasciando un residuo (ceneri) e producendo una frazione zione gassosa volatile costituita da anidride carbonica, ossido di ca
gassosa volatile costituita da anidride carbonica, ossido di carbonio, rbonio, idrocarburi, idrogeno ed una frazione condensabile costituita da
idrocarburi, idrogeno ed una frazione condensabile costituita da acqua e acqua e composti organici a basso peso molecolare
composti organici a basso peso molecolare
Questi prodotti subiscono un ulteriore processo di ossidazione Questi prodotti subiscono un ulteriore processo di ossidazione originando una frazione
originando una frazione carboniosacarboniosa che reagisce con l’che reagisce con l’ossigeno per dare ossigeno per dare ossido di carbonio, anidride carbonica e fumo composto da partic
ossido di carbonio, anidride carbonica e fumo composto da particelle di elle di carbone e catrame
carbone e catrame
Il risultato finale di tutte queste reazioni
Il risultato finale di tutte queste reazioni èè la produzione di calore che la produzione di calore che viene recuperato attraverso scambiatori di calore
viene recuperato attraverso scambiatori di calore
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
COMBUSTIONE COMBUSTIONE
Le principali tecnologie di combustione impiegate sono:
Le principali tecnologie di combustione impiegate sono:
a griglia fissa o mobilea griglia fissa o mobile
a tamburo rotantea tamburo rotante
a doppio stadio a doppio stadio
a letto fluido a letto fluido
Nel settore industriale ci sono numerose applicazioni per la Nel settore industriale ci sono numerose applicazioni per la produzione di calore, di energia elettrica o di
produzione di calore, di energia elettrica o di cogenerazionecogenerazione (produzione simultanea di energia elettrica e termica)
(produzione simultanea di energia elettrica e termica)
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
COMBUSTIONE COMBUSTIONE
La combustione diretta
La combustione diretta èè una tecnologia matura impiegata quasi una tecnologia matura impiegata quasi esclusivamente nella produzione di energia elettrica mediante im
esclusivamente nella produzione di energia elettrica mediante impianti pianti con una potenza media tra i 5 e i 20 MW
con una potenza media tra i 5 e i 20 MW
Il rendimento elettrico si aggira tra il 20 ed il 25 %, mentre i
Il rendimento elettrico si aggira tra il 20 ed il 25 %, mentre il consumo l consumo specifico di
specifico di biomassabiomassa tra 1000 e 1400 Kg/MWhtra 1000 e 1400 Kg/MWh
I rendimenti termici dei piccoli impianti sono inferiori al 50 %
I rendimenti termici dei piccoli impianti sono inferiori al 50 %, mentre , mentre quelli degli impianti automatici possono raggiungere l
quelli degli impianti automatici possono raggiungere l’’80 %80 % La problematica pi
La problematica piùù critica critica èè rappresentata dall’rappresentata dall’approvvigionamento approvvigionamento delle
delle biomassebiomasse a causa della stagionalitàa causa della stagionalità, della competizione con altri , della competizione con altri settori e delle elevate superfici coltivabili necessarie
settori e delle elevate superfici coltivabili necessarie
GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE
E’E’ la trasformazione delle la trasformazione delle biomassebiomasse in combustibile gassoso, in combustibile gassoso, mediante la reazione con ossigeno, aria o vapore a temperature mediante la reazione con ossigeno, aria o vapore a temperature tra 900
tra 900°°C e 1000C e 1000°°C. Il gas contiene ossido di carbonio e idrogeno C. Il gas contiene ossido di carbonio e idrogeno (SYNGAS(SYNGAS), oltre a piccole quantit), oltre a piccole quantitàà di idrocarburidi idrocarburi
AriaAria
E’E’ la tecnologia piùla tecnologia più semplice, ma il gas prodotto ha un basso semplice, ma il gas prodotto ha un basso potere calorifico per via dell
potere calorifico per via dell’’elevato contenuto in azotoelevato contenuto in azoto Ossigeno
Ossigeno
L’L’assenza di azoto consente di ottenere un assenza di azoto consente di ottenere un syngassyngas a potere a potere calorifico pi
calorifico piùù elevatoelevato Vapore
Vapore
E’E’ pipiùù economico dell’economico dell’ossigeno ed il gas ha un contenuto superiore ossigeno ed il gas ha un contenuto superiore di idrogeno, ma il processo
di idrogeno, ma il processo èè endotermicoendotermico
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE
I principali tipi di gassificatori sono a:
I principali tipi di gassificatori sono a:
letto fisso in equicorrenteletto fisso in equicorrente
letto fisso in controcorrenteletto fisso in controcorrente
letto fluido bollenteletto fluido bollente
letto fluido circolanteletto fluido circolante
letto fluido trascinatoletto fluido trascinato
doppio letto fluidodoppio letto fluido
I I gassificatorigassificatori possono lavorare possono lavorare sotto pressione oppure a sotto pressione oppure a pressione atmosferica
pressione atmosferica
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
GASSIFICAZIONE
GASSIFICAZIONE – – DIAGRAMMA DI PROCESSO DIAGRAMMA DI PROCESSO
Biomassa
Biomassa PIROLISIPIROLISI
CONVERSIONE CONVERSIONE
CHARCHAR
Syngas Syngas Syngas
Syngas
TURBINA A GAS TURBINA A GAS
COMBUSTIONE COMBUSTIONE
CharChare cenerie ceneri CharChar
Calore Calore CharChar e cenerie ceneri
Calore Calore
Ceneri e gas esausti Ceneri e gas esausti
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE
Tra le maggiori applicazioni della
Tra le maggiori applicazioni della biomassabiomassa gassificata, vi gassificata, vi èè la la cocombustione
cocombustione ((cofiring) di cofiring) di syngassyngas in impianti a gas esistentiin impianti a gas esistenti I cicli IGCC (
I cicli IGCC (integratedintegrated gasificationgasification combined cyclescombined cycles), invece, a ), invece, a fronte di una maggiore complessit
fronte di una maggiore complessitàà impiantistica, consentono di impiantistica, consentono di raggiungere rendimenti di generazione elettrica dell
raggiungere rendimenti di generazione elettrica dell’’ordine del ordine del 30 -30 - 35%, anche nel caso delle biomasse35%, anche nel caso delle biomasse
Tecnologie innovative che abbinano i cicli combinati con le Tecnologie innovative che abbinano i cicli combinati con le celle a combustibile, consentono di raggiungere valori di celle a combustibile, consentono di raggiungere valori di rendimento superiori al 50% anche a piccole scale (5
rendimento superiori al 50% anche a piccole scale (5 –10 MW –10 MW elettrici)
elettrici)
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE
Le problematiche connesse alla
Le problematiche connesse alla gassificazionegassificazione sono ancora:sono ancora:
Pulizia e qualitàPulizia e qualità del gasdel gas FlessibilitàFlessibilità di impiego delle materie primedi impiego delle materie prime AffidabilitAffidabilitàà di funzionamentodi funzionamento Approvvigionamento di materie primeApprovvigionamento di materie prime• •
I vantaggi della gassificazione rispetto alla piùI vantaggi della gassificazione rispetto alla più tradizionale tradizionale combustione possono essere coscombustione possono essere cosìì riassunti: riassunti:
• •
elevato rendimento di generazione elettrica, anche a elevato rendimento di generazione elettrica, anche a piccola scalapiccola scala
• •
buone buone prospettive prospettive di di utilizzo utilizzo in in impianti impianti di di teleriscaldamento (central heating plant, anche combined teleriscaldamento (central heating plant, anche combined heatheat and power generation CHP); and power generation CHP);• •
emissioni piùemissioni più contenutecontenutePIROLISI PIROLISI
La pirolisi
La pirolisi èè la decomposizione termochimica dei materiali la decomposizione termochimica dei materiali organici a temperature comprese tra 400 e 800
organici a temperature comprese tra 400 e 800°°C, in completa C, in completa assenza o con una ridotta quantit
assenza o con una ridotta quantitàà di ossigenodi ossigeno
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
Biomasse Biomasse
lignocellulosiche lignocellulosiche
frazione gassosa frazione gassosa
(ossido di carbonio, anidride carbonica, (ossido di carbonio, anidride carbonica,
idrocarburi, acqua e idrogeno) idrocarburi, acqua e idrogeno)
frazione liquida oleosa frazione liquida oleosa
(acqua e composti organici a basso peso molecolare) (acqua e composti organici a basso peso molecolare)
frazione solida frazione solida
(residui a pi
(residui a piùùelevato peso molecolare, elevato peso molecolare, furani
furani e composti fenolici)e composti fenolici)
PIROLISI PIROLISI
La pirolisi si può svolgere secondo diverse modalit La pirolisi si può svolgere secondo diverse modalitàà:: Carbonizzazione
Carbonizzazione a temperature tra 300a temperature tra 300°°C e 500C e 500°°CC Pirolisi convenzionale
Pirolisi convenzionale a temperature inferiori a 600a temperature inferiori a 600°°CC Fast pirolisi
Fast pirolisi a temperature comprese tra 500a temperature comprese tra 500°°C e 650C e 650°°CC Flash pirolisi
Flash pirolisi a temperature superiori a 700a temperature superiori a 700°°C con tempi di C con tempi di contatto < 1 sec
contatto < 1 sec
Con la pirolisi si trasforma un combustibile a bassa densit Con la pirolisi si trasforma un combustibile a bassa densitàà energetica ( 3000
energetica ( 3000--4000 Kcal/Kg) in un altro a elevato 4000 Kcal/Kg) in un altro a elevato contenuto energetico specifico ( 8000
contenuto energetico specifico ( 8000--10000 Kcal/Kg)10000 Kcal/Kg)
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
PIROLISI PIROLISI
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
CONVERSIONE TERMOCHIMICA
PIROLISI PIROLISI
CONVERSIONE TERMOCHIMICA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
• •
La qualitàLa qualità dei prodotti, che non ha ancora raggiunto un livello dei prodotti, che non ha ancora raggiunto un livello sufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, siasufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, sia con turbine a con turbine a gas sia con motori diesel
gas sia con motori diesel
• •
il gas non risulta stoccabile e richiede un impiego immediato in prossimitil gas non risulta stoccabile e richiede un impiego immediato in prossimitàà dell’dell’impiantoimpianto• •
il bioil bio olio non èolio non è stabile e pertanto non èstabile e pertanto non è conservabile per lungo tempoconservabile per lungo tempo Con riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati adCon riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati ad olio olio piroliticopirolitico appaiono i pi
appaiono i piùù promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembran
motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembrano pio piùù adatti ad adatti ad impianti di piccola potenzialit
impianti di piccola potenzialitàà
PRINCIPALI PROBLEMATICHE PRINCIPALI PROBLEMATICHE
LA DIGESTIONE ANAEROBICA (D.A.)
LA DIGESTIONE ANAEROBICA (D.A.) ÈÈ UN PROCESSO BIOLOGICO UN PROCESSO BIOLOGICO ATTRAVERSO IL QUALE
ATTRAVERSO IL QUALE ÈÈ POSSIBILE CONVERTIRE SOSTANZA POSSIBILE CONVERTIRE SOSTANZA ORGANICA IN
ORGANICA IN BIOGASBIOGAS
Il processo avviene grazie all
Il processo avviene grazie all’’opera di BATTERI METANIGENIopera di BATTERI METANIGENI
In cui deve essere garantita una TEMPERATURA specifica In cui deve essere garantita una TEMPERATURA specifica
(PROCESSO MESOFILO 35
(PROCESSO MESOFILO 35--3737°°°°°°°°C)C) L
L’’alimentazione dei batteri deve rispettare una formulazione con alimentazione dei batteri deve rispettare una formulazione con RAPPORTO CARBONIO
RAPPORTO CARBONIO--AZOTO (C/N) < 30AZOTO (C/N) < 30
Che vengono sviluppati e alimentati in un AMBIENTE CONTROLLATO Che vengono sviluppati e alimentati in un AMBIENTE CONTROLLATO
CONVERSIONE BIOLOGICA CONVERSIONE BIOLOGICA
IL BIOGAS
IL BIOGAS
IL BIOGAS IL BIOGAS
Il biogas Il biogas , prodotto dal processo di digestione anaerobica, , prodotto dal processo di digestione anaerobica, è è una miscela di vari tipi di gas:
una miscela di vari tipi di gas:
METANO ( CH METANO ( CH
44) ) 50 50 – – 75 % 75 %
ANIDRIDE CARBONICA ( CO ANIDRIDE CARBONICA ( CO
22) ) 25 25 – – 35 % 35 %
ALTRI GAS (H ALTRI GAS (H
22, CO, NO , CO, NO
xx…) … ) 5% ~ 5% ~
ZOLFO ZOLFO
•• La resaLa resa in biogas dipende dalle caratteristiche del substrato organico.in biogas dipende dalle caratteristiche del substrato organico.
•• La percentuale di metanoLa percentuale di metano nel biogas varia tra il 50nel biogas varia tra il 50-70%. -70%.
•• Potere Calorifico InferiorePotere Calorifico Inferiore PCI = 5,0 –PCI = 5,0 – 6,0 Mcal6,0 Mcal//NmcNmc biogasbiogas
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
LA COGENERAZIONE LA COGENERAZIONE
Il Biogas Biogas è impiegato per la produzione combinata di energia elettrica
energia elettrica ed energia termica, energia termica , partendo da una fonte fossile o rinnovabile, attuata in un unico sistema integrato
PERDITE ~ 15
PERDITE ~ 15 - - 20% 20%
CALORE ~ 45 % CALORE ~ 45 %
ENERGIA ELETTRICA ~ 40 % ENERGIA ELETTRICA ~ 40 %
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
MATERIE PRIME PER IL BIOGAS MATERIE PRIME PER IL BIOGAS
REFLUI ZOOTECNICI REFLUI ZOOTECNICI
Bovini Bovini
Suini Suini Polli
Polli Insilati di MaisInsilati di Mais Insilati di erba Insilati di erba Sorgo
Sorgo Erbasilo Erbasilo Triticale Triticale
RESIDUI ORGANICI RESIDUI ORGANICI
Siero Siero Lettiere Lettiere Scarti alimentari Scarti alimentari Scarti di macelleria Scarti di macelleria F.O.R.S.U.
F.O.R.S.U.
COLTURE COLTURE
ENERGETICHE ENERGETICHE
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
0 100 200 300 400 500 600 700 800 900 1000 mc biogas / tonnellata di sost.organica
Liquame bovino Liquame suino Liquame avicolo Letame ovino Insilato di mais fieno paglia scarti distill. mele siero
Materie Prime
RESA IN BIOGAS DEI PRICIPALI SUBSTRATI ORGANICI
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
IMPIANTO - Digestori IMPIANTO IMPIANTO - - Digestori Digestori
Il cuore dell
Il cuore dell’impianto ’impianto èè la sezione di digestione anaerobica. Qui, attraverso un la sezione di digestione anaerobica. Qui, attraverso un complesso processo di trasformazione della sostanza organica pre
complesso processo di trasformazione della sostanza organica presente nel sente nel substrato
substrato (fermentazione in assenza di ossigeno), viene prodotto il biogas (fermentazione in assenza di ossigeno), viene prodotto il biogas
Il liquido ricco di materiale organico viene miscelato con Il liquido ricco di materiale organico viene miscelato con sofisticati agitatori a pala per garantire la massima sofisticati agitatori a pala per garantire la massima omogeneizzazione e resa in biogas
omogeneizzazione e resa in biogas
La temperatura nei digestori
viene mantenuta tra i 35 – 37 °C.
Condizioni Condizioni MesofileMesofile
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
Il Biogas viene raccolto all
Il Biogas viene raccolto all’’interno di cupole poste sopra le vasche e interno di cupole poste sopra le vasche e realizzate mediante una membrana in fibra sintetica elastica, pn
realizzate mediante una membrana in fibra sintetica elastica, pneumatica e eumatica e multistrato, spalmata in PVC, ad alta resistenza agli agenti fis
multistrato, spalmata in PVC, ad alta resistenza agli agenti fisici esterni e ici esterni e impermeabile al
impermeabile al gasgas
Le vasche sono
Le vasche sono coibentatecoibentate e riscaldate per garantire temperature ottimalie riscaldate per garantire temperature ottimali
CUPOLE RACCOGLIGAS CUPOLE RACCOGLIGAS CUPOLE RACCOGLIGAS
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
SISTEMI DI RACCOLTA E SEPARAZIONE DEL DIGESTATO
SISTEMI DI RACCOLTA E SEPARAZIONE DEL DIGESTATO
Il digestatoIl digestato in uscita dal digestorein uscita dal digestore viene inviato ad un sistema di viene inviato ad un sistema di separazione solido
separazione solido--liquidoliquido
La frazione solida contiene circa il 30% di azoto La frazione solida contiene circa il 30% di azoto La restante parte si trova nella frazione liquida La restante parte si trova nella frazione liquida I prodotti separati vengono stoccati per periodi di 120
I prodotti separati vengono stoccati per periodi di 120--180 giorni180 giorni
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
GRUPPO DI COGENERAZIONE GRUPPO DI COGENERAZIONE
Rendimento elettricoRendimento elettrico 40% ~40% ~
Rendimento termicoRendimento termico 45% ~45% ~
Ore lavorate annoOre lavorate anno >8000 ore>8000 ore
TAGLIA IMPIANTO
TAGLIA IMPIANTO 1 1 MWe MWe PRODUTTIVITA
PRODUTTIVITA ’ ’ 8.000 MWh 8.000 MWh /anno /anno
CONVERSIONE BIOLOGICA
CONVERSIONE BIOLOGICA
La produzione in Europa di BIOGAS La produzione in Europa di BIOGAS
5 mln5 mln di t. di materiale organico e vegetale di cui:di t. di materiale organico e vegetale di cui:
64% p dai rifiuti solidi urbani 64% p dai rifiuti solidi urbani
36 % derivazione agricola o zootecnica 36 % derivazione agricola o zootecnica
la produzione di biogas dai reflui agricolila produzione di biogas dai reflui agricoli si si èè sviluppatasviluppata per effetto della per effetto della direttiva 91/676/CEE
direttiva 91/676/CEE ““nitratinitrati”” e in seguito agli incentivi alla produzione di e in seguito agli incentivi alla produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili (Certificati Verdi)
energia elettrica da fonti rinnovabili (Certificati Verdi)
Oltre 3000 impianti operanti su liquami zootecnici; in Germania Oltre 3000 impianti operanti su liquami zootecnici; in Germania (oltre (oltre 2700), Austria, Italia, Danimarca, Svizzera e Svezia
2700), Austria, Italia, Danimarca, Svizzera e Svezia
Forte incentivazione del governo tedescoForte incentivazione del governo tedesco che ha fissato il prezzo che ha fissato il prezzo dell’dell’energia elettrica da biogas fino a 21, 5 centesimi di euro/energia elettrica da biogas fino a 21, 5 centesimi di euro/KWhKWh per un per un periodo di 20 anni ed eroga anche un contributo sull
periodo di 20 anni ed eroga anche un contributo sull’’investimentoinvestimento
La produzione in Italia La produzione in Italia
376,5 ktep (circa 4,3
376,5 ktep (circa 4,3 TWhTWh), di cui l), di cui l’’80% da rifiuti urbani80% da rifiuti urbani
100 impianti aziendali funzionanti a liquami zootecnici 100 impianti aziendali funzionanti a liquami zootecnici
5 impianti centralizzati che trattano anche fanghi da depurazione ed 5 impianti centralizzati che trattano anche fanghi da depurazione ed acque reflue dell
acque reflue dell’’industria oleariaindustria olearia
Le opportunit
Le opportunit à à in Italia per i biogas in Italia per i biogas
In zootecnia In zootecnia èè particolarmente conveniente la cogenerazione come particolarmente conveniente la cogenerazione come valorizzazione del biogas
valorizzazione del biogas
negli ultimi anni si ènegli ultimi anni si è sviluppata una tecnologia semplificata per la produzione sviluppata una tecnologia semplificata per la produzione aziendale di biogas partendo da soli liquami zootecnici
aziendale di biogas partendo da soli liquami zootecnici
il biogas può avere ulteriori sviluppi dopo la riforma PAC perchéil biogas può avere ulteriori sviluppi dopo la riforma PAC perché si può si può produrre in azienda partendo da
produrre in azienda partendo da biomassebiomasse vegetali appositamente prodottevegetali appositamente prodotte
L’L’interesse alla codigestione dei liquami zootecnici con le colturinteresse alla codigestione dei liquami zootecnici con le colture e energetiche si
energetiche si èè concretizzato in diversi impianti giàconcretizzato in diversi impianti già operativi operativi GLI INCENTIVI
GLI INCENTIVI
esenzione dalle acciseesenzione dalle accise per la produzione destinata all’per la produzione destinata all’autoconsumo (legge autoconsumo (legge 81/2006
81/2006))
migliorano le regole che riconoscono come attivitàmigliorano le regole che riconoscono come attività agricola la cessione di agricola la cessione di energia elettrica,
energia elettrica, privilegiando le privilegiando le biomassebiomasse agro-agro-forestali tra le varie fonti forestali tra le varie fonti rinnovabili e revisione del sistema dei Certificati Verdi (legge
rinnovabili e revisione del sistema dei Certificati Verdi (legge finanziaria 2007)finanziaria 2007)
incentivi alla realizzazione di impiantiincentivi alla realizzazione di impianti di microgenerazione per la produzione di microgenerazione per la produzione di biogas da deiezioni zootecniche e la creazione di reti di imp
di biogas da deiezioni zootecniche e la creazione di reti di impianti di piccola ianti di piccola scala
scala
I Biocombustibili I Biocombustibili
I I
"biocombustibili"
biocombustibili""indicano tutte le sostanze idonee ad essere utilizzate nei indicano tutte le sostanze idonee ad essere utilizzate nei processi di combustione e ottenute da prodotti vegetali, quindi
processi di combustione e ottenute da prodotti vegetali, quindi rinnovabili su rinnovabili su base annuale (es. colture oleaginose) o poliennale (es. colture
base annuale (es. colture oleaginose) o poliennale (es. colture forestali) forestali)
I I biocombustibili biocombustibili liquidi particolarmente interessanti, allo stato attuale della liquidi particolarmente interessanti, allo stato attuale della tecnica, sono sostanzialmente tre:
tecnica, sono sostanzialmente tre: etanolo
etanolo, ,
metanolometanolo , ,
oli e loro derivatioli e loro derivati
Il Il
““
biodiesel "biodiesel " , tecnicamente , tecnicamente è è una miscela di acidi grassi esterificati ed ha una miscela di acidi grassi esterificati ed ha caratteristiche molto simili al gasolio
caratteristiche molto simili al gasolio
IlIl ““ biodieselbiodiesel ",",
può essere ricavato con un processo chimico semplice può essere ricavato con un processo chimico semplice ( (
transesterificazionetransesterificazione ) ) da oli vegetali di qualunque origine, ma anche da oli da oli vegetali di qualunque origine, ma anche da oli
alimentari esausti (frittura) e da grassi animali
alimentari esausti (frittura) e da grassi animali
IL BIOETANOLO IL BIOETANOLO
-- Canna da zucchero Canna da zucchero -- Barbabietola Barbabietola -- Sorgo zuccherinoSorgo zuccherino
Pretrattamento Pretrattamento
Fermentazione Fermentazione Con lieviti e batteri Con lieviti e batteri
Pretrattamento Pretrattamento Idrolisi
Idrolisi
-- Substrati amidaceiSubstrati amidacei
-- Substrati lignocellulosiciSubstrati lignocellulosici
Distillazione Distillazione Pervaporazione
Pervaporazione EtanoloEtanolo Motori a Motori a combustione combustione
interna interna Reforming
Reforming HH2 2 FuelFuelcellcell
Additivo nelle benzine Additivo nelle benzine ETBE ( 10
ETBE ( 10--15 %)15 %)
BIOETANOLO DA MAIS BIOETANOLO DA MAIS
Fonte C.E.T.A.
Separated Separated Hydrolisis
Hydrolisis and and fermentation fermentation
Simultaneous Simultaneous saccharification saccharification and
and fermentationfermentation
Simultaneous Simultaneous saccharification
saccharification and and Cofermentation
Cofermentation
Direct
Direct microbialmicrobial conversion
conversion
Semplificazione di processo Semplificazione di processo
SHFSHF SSFSSF SSCFSSCF DMCDMC
Produzione Produzione della cellulosa della cellulosa
Idrolisi della Idrolisi della cellulosa cellulosa
Fermentazione Fermentazione degli esosi
degli esosi
Fermentazione Fermentazione dei dei pentosipentosi
Lo Lo SteamSteam ExplosionExplosion (SE) (SE) èè un trattamento innovativo che un trattamento innovativo che presenta il vantaggio fondamentale di separare in tre differenti presenta il vantaggio fondamentale di separare in tre differenti correnti le frazioni costituenti i comuni substrati vegetali correnti le frazioni costituenti i comuni substrati vegetali (emicellulosa(emicellulosa, cellulosa, lignina) rendendo possibile l’, cellulosa, lignina) rendendo possibile l’utilizzazione utilizzazione totale delle
totale delle biomassebiomasse
Il processo consiste nell
Il processo consiste nell’’uso di vapore saturo ad alta pressione uso di vapore saturo ad alta pressione per riscaldare rapidamente legno, o qualsiasi altro materiale per riscaldare rapidamente legno, o qualsiasi altro materiale lignocellulosico
lignocellulosico, in un reattore che può essere ad alimentazione , in un reattore che può essere ad alimentazione continua o discontinua
continua o discontinua
Il materiale viene tenuto alla temperatura desiderata (180
Il materiale viene tenuto alla temperatura desiderata (180-230-230°°C) C) per un breve periodo (1
per un breve periodo (1--10 minuti) nel corso del quale 10 minuti) nel corso del quale l'l'emicellulosaemicellulosa viene idrolizzata e resa solubileviene idrolizzata e resa solubile
Alla fine di questo intervallo di tempo, la pressione viene Alla fine di questo intervallo di tempo, la pressione viene rapidamente riportata al valore atmosferico ottenendo una rapidamente riportata al valore atmosferico ottenendo una decompressione esplosiva che sfibra ulteriormente la
decompressione esplosiva che sfibra ulteriormente la biomassabiomassa
Semplificazione di processo
Semplificazione di processo
Materia prima utilizzata per produrre bioetanolo Costi di produzione
dei biocarburanti Paese Grano Mais Canna da zucchero
Barbabietola da zucchero
Biodiesel da oli vegetali
U.S. $ = Dollari USA/litro USA 0.545 0,289 0,549
U.S. $ = Dollari USA/litro UE a 15 0,573 0,448 0.560 0,607
U.S. $ = Dollari USA/litro Polonia 0,530 0,337 0,546 0,725
U.S. $ = Dollari USA/litro Brasile 0,219 0,568
Materia prima utilizzata per produrre bioetanolo Costi di produzione
dei biocarburanti Paese Grano Mais Canna da zucchero
Barbabietola da zucchero
Biodiesel da oli vegetali
U.S. $ = Dollari USA/litro USA 0.545 0,289 0,549
U.S. $ = Dollari USA/litro UE a 15 0,573 0,448 0.560 0,607
U.S. $ = Dollari USA/litro Polonia 0,530 0,337 0,546 0,725
U.S. $ = Dollari USA/litro Brasile 0,219 0,568
Materia prima utilizzata per produrre bioetanolo Costi di produzione
dei biocarburanti Paese Grano Mais Canna da zucchero
Barbabietola da zucchero
Biodiesel da oli vegetali
U.S. $ = Dollari USA/litro USA 0.545 0,289 0,549
U.S. $ = Dollari USA/litro UE a 15 0,573 0,448 0.560 0,607
U.S. $ = Dollari USA/litro Polonia 0,530 0,337 0,546 0,725
U.S. $ = Dollari USA/litro Brasile 0,219 0,568
I costi di produzione di bioetanolo e biodiesel
I costi di produzione di bioetanolo e biodiesel –– analisi comparataanalisi comparata
Fonte OCSE, 2005 Fonte OCSE, 2005
Il COSTO DI PRODUZIONE SI COMPONE DI:
Il COSTO DI PRODUZIONE SI COMPONE DI:
costo materia prima: circa del 50% per etanolo e 75% per biodiescosto materia prima: circa del 50% per etanolo e 75% per biodieselel
Costo di trasformazione Costo di trasformazione ––ricavo dai sottoprodottiricavo dai sottoprodotti
•
• IL COSTO DI PRODUZIONE DEL BIOETANOLO SI COLLOCA AL DI SOPRA DELIL COSTO DI PRODUZIONE DEL BIOETANOLO SI COLLOCA AL DI SOPRA DEL PREZZO DELLA BENZINA AL NETTO DELLE TASSE, TRANNE PER QUELLO PREZZO DELLA BENZINA AL NETTO DELLE TASSE, TRANNE PER QUELLO PRODOTTO NEGLI USA DA MAIS E DA CANNA DA ZUCCHERO IN BRASILE PRODOTTO NEGLI USA DA MAIS E DA CANNA DA ZUCCHERO IN BRASILE
•
• OCCORRE RIFLETTERE SULLE IMPLICAZIONI DERIVANTI DALLOCCORRE RIFLETTERE SULLE IMPLICAZIONI DERIVANTI DALL’’USO DI OGMUSO DI OGM
IL BIOETANOLO IL BIOETANOLO
Il Brasile è leader nel mercato mondiale del bioetanolo è il primo produttore, consumatore ed esportatore (14,4 mln. di t.) destina alla produzione di etanolo il 50% di produzione di canna da zucchero L’etanolo è utilizzato in miscela al 25%: le auto Flex Fuel sono il 66,7% delle immatricolazioni e superano il milioneAltri partners sul mercato mondiale:
USA: 16,1 mln di t. - dal 2004 detassazione completa e sgravi fiscali per i produttori CINA: 200 siti produttivi attivi in 11 regioni - 1 mln. di t/anno (utilizzato in miscela al 10%)Il Brasile èIl Brasile è leader nel mercato mondiale del bioetanololeader nel mercato mondiale del bioetanolo
èè il primo produttore, consumatore ed esportatore (14,4 mlnil primo produttore, consumatore ed esportatore (14,4 mln. di t.). di t.)
destina alla produzione di etanolo il 50% di produzione di cannadestina alla produzione di etanolo il 50% di produzione di canna da da zucchero
zucchero
L’L’etanolo etanolo èè utilizzato in miscela al 25%: le auto Flex Fuel sono il utilizzato in miscela al 25%: le auto Flex Fuel sono il 66,7% delle immatricolazioni e superano il milione
66,7% delle immatricolazioni e superano il milione Altri
Altri partnerspartners sul mercato mondiale: sul mercato mondiale:
USA: 16,1 mln di t. -USA: 16,1 mln di t. - dal 2004 detassazione completa e sgravi fiscali dal 2004 detassazione completa e sgravi fiscali per i produttori
per i produttori
CINA: 200 siti produttivi attivi in 11 regioni CINA: 200 siti produttivi attivi in 11 regioni -- 1 1 mlnmln. di t/anno . di t/anno (utilizzato in miscela al 10%)
(utilizzato in miscela al 10%)
IL BIOETANOLO IL BIOETANOLO
La soglia di convenienza (
La soglia di convenienza (OCSEOCSE ))per l’per l’etanolo prodotto negli Stati Uniti dal mais etanolo prodotto negli Stati Uniti dal mais si realizza a 44 $/barile, per il Brasile a 29 $/barile mentre
si realizza a 44 $/barile, per il Brasile a 29 $/barile mentre per il biodiesel i valori per il biodiesel i valori soglia sono pi
soglia sono piùù alti variando dai 66 $ per il Canada ai 115 $ della Polonia alti variando dai 66 $ per il Canada ai 115 $ della Polonia
IL BIO
IL BIO – – ETBE ( ETBE ( Etil Etil Ter Ter Butil Butil Etere Etere
Il
Il
biobio
--
ETBEETBE
èè
prodotto a partire dalprodotto a partire dal
bioetanolobioetanolo
e trova impiegoe trova impiego nei motori a ciclo Otto come antidetonante, cio
nei motori a ciclo Otto come antidetonante, cioèè come
come regolarizzatore
regolarizzatore ed
ed
omogeneizzatoreomogeneizzatore
della miscela all’della miscela all
’interno delinterno del cilindro
cilindro
Il
Il
biobio
--
ETBEETBE
èè
considerato unconsiderato un
biocarburantebiocarburante
solo per la frazionesolo per la frazione che deriva dal
che deriva dal bioetanolobioetanolo, ovvero per il 47 % in peso
, ovvero per il 47 % in peso
Sintesi tradizionale dell’ETBE
Sintesi innovativa dell’ETBE
Impiego degli oli vegetali Impiego degli oli vegetali
AUTOTRAZIONE AUTOTRAZIONE
PRODUZIONE ENERGIA TERMICA PRODUZIONE ENERGIA TERMICA
PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA
Gli oli vegetali puri possono essere utilizzati tal quali come c
Gli oli vegetali puri possono essere utilizzati tal quali come combustibili apportando ombustibili apportando modifiche ai motori. Sono disponibili sul mercato, infatti, kit
modifiche ai motori. Sono disponibili sul mercato, infatti, kit di conversione con prezzi di conversione con prezzi variabili tra 350
variabili tra 350 €€e 1600 €e 1600 €
Sono presenti sul mercato impianti con capacit
Sono presenti sul mercato impianti con capacitàà compresa tra 1 e 20 MW. Data la compresa tra 1 e 20 MW. Data la viscosit
viscositàà degli oli degli oli èè necessario modificare la geometria degli ugelli di necessario modificare la geometria degli ugelli di polverizzazionepolverizzazione Il rendimento
Il rendimento èè dell’dell’ordine del 40ordine del 40-50 %-50 %
Gli oli vegetali possono essere usati per l
Gli oli vegetali possono essere usati per l’’alimentazione di gruppi di generazione con alimentazione di gruppi di generazione con rendimenti compresi tra il 42 ed il 45 %
rendimenti compresi tra il 42 ed il 45 %
Rese agricole e contenuto d
Rese agricole e contenuto d’ ’olio olio
Colza
40-45 % di olio 20-50 q/ha
Girasole
26-72 % di olio 20-30 q/ha
Soia
15 % di olio 25-30 q/ha
Palma
45-50 % di olio
50-55 q/ha
La produzione dell
La produzione dell ’ ’ olio olio
Vagliatura e Vagliatura e
stoccaggio
stoccaggio Pressatura Pressatura meccanica meccanica
Decorticazione/Macinazione Decorticazione/Macinazione
Preriscaldamento Preriscaldamento
Farina di estrazione Farina di estrazione
Semi oleosi Semi oleosi
Desolventizzazione Desolventizzazione Condizionamento
Condizionamento Estrazione Estrazione con solventi con solventi Panello dei semi Panello dei semi
Olio grezzo Olio grezzo
Filtrazione Filtrazione Distillazione Distillazione
Demucillaginazione Demucillaginazione
//DegommaggioDegommaggio Produzione di energia Produzione di energia
Neutralizzazione Neutralizzazione
Produzione
Produzione BiodieselBiodiesel
Solvente Solvente
Stoccaggio Stoccaggio
dell’dell’olio olio Preriscaldamento Preriscaldamento dell
dell’’olio olio alimentazionePompa di Filtrazione Filtrazione dell’dell’olio olio
Riscaldamento Riscaldamento
delldell’’olio olio Controllo della Controllo della viscosit viscositàà
Motore diesel Motore diesel
Generatore di Generatore di energia elettrica energia elettrica
La produzione dell
La produzione dell’ ’energia energia
Pompa supplementare
Alimentazione motore diesel
La produzione del
La produzione del Biodiesel Biodiesel
Miscelazione Miscelazione catalizzatore
catalizzatore PurificazionePurificazione Recupero del Recupero del metanolo metanolo
Transesterificazione Transesterificazione
Neutralizzazione
Neutralizzazione Separazione fasiSeparazione fasi NeutralizzazioneNeutralizzazione Recupero del metanolo Recupero del metanolo Biodiesel
Biodiesel grezzogrezzo
Metanolo di riciclo Metanolo di riciclo
Catalizzatore Catalizzatore
Metanolo Metanolo
Oli vergini Oli vergini Oli esausti Oli esausti Grassi animali Grassi animali
Acido Acido neutrneutr..
Glicerina Glicerina
grezza grezza Purificazione
Purificazione
Biodiesel Biodiesel
Glicerina Glicerina
purapura
Il cuore del processo
Il cuore del processo èè rappresentato dalla reazione di transesterificazionerappresentato dalla reazione di transesterificazione per la quale si per la quale si possono applicare diverse condizioni e soluzioni tecnologiche:
possono applicare diverse condizioni e soluzioni tecnologiche:
Processi a 20Processi a 20°°C -C - 7070°°C e pressione atmosfericaC e pressione atmosferica
Processi a 120Processi a 120°°C -C - 350350°°C e pressione atmosfericaC e pressione atmosferica
Processi a 200Processi a 200°°C -C - 240240°°C e pressioni tra 90 e 500 barC e pressioni tra 90 e 500 bar
La maggior parte degli impianti per la produzione di biodiesel u
La maggior parte degli impianti per la produzione di biodiesel utilizza basse temperature, tilizza basse temperature, pressioni vicine a quella atmosferica e lunghi tempi di reazione
pressioni vicine a quella atmosferica e lunghi tempi di reazione per ridurre i costi di impiantoper ridurre i costi di impianto
La La Transesterificazione Transesterificazione
Il processo maggiormente impiegato a livello industriale per Il processo maggiormente impiegato a livello industriale per
ottenere il biodiesel consiste nel trattamento dell
ottenere il biodiesel consiste nel trattamento dell ’ ’ olio con metanolo olio con metanolo in presenza di idrossido di potassio come catalizzatore
in presenza di idrossido di potassio come catalizzatore
I Catalizzatori I Catalizzatori
La reazione può essere catalizzata da : La reazione può essere catalizzata da :
Alcali ( Idrossido di sodio, Idrossido di potassio,
Alcali ( Idrossido di sodio, Idrossido di potassio, AlcossidiAlcossidi)) Acidi ( Acido solforico, Acidi
Acidi ( Acido solforico, Acidi solfonici, acido cloridrico)solfonici, acido cloridrico) Enzimi
Enzimi
Gli enzimi hanno una certa versatilit
Gli enzimi hanno una certa versatilità, ma sono costosi. à, ma sono costosi.
L’L’immobilizzazione o limmobilizzazione o l’’impiego multiplo di enzimi in sequenza può fornire impiego multiplo di enzimi in sequenza può fornire buone opportunit
buone opportunitàà futurefuture
Il loro impiego, comunque, elimina i problemi collegati all
Il loro impiego, comunque, elimina i problemi collegati all’’isolamento del isolamento del prodotto ed al trattamento dei reflui
prodotto ed al trattamento dei reflui
Resa in biodiesel di diversi oli vegetali Resa in biodiesel di diversi oli vegetali
170 Olio di mais
445 Olio di soia
570 Olio di senape
780 Olio di cartamo
950 Olio di girasole
1060 Olio di arachide
1190 Olio di colza/Brassica car.
1590 Olio di jatropha gossypifolia
2689 Olio di cocco
5950 Olio di palma
Resa in biodiesel litri/ha anno Materia prima
Altre materie prime Altre materie prime
Oli di rifiuto Oli di rifiuto
Grassi animali Grassi animali
Gli oli di frittura possono essere impiegati nella produzione de
Gli oli di frittura possono essere impiegati nella produzione del biodiesel e questo l biodiesel e questo contribuisce a risolvere il problema del loro smaltimento
contribuisce a risolvere il problema del loro smaltimento Per poterli utilizzare nella produzione
Per poterli utilizzare nella produzione èè necessario sottoporli a processi di purificazione necessario sottoporli a processi di purificazione ( Filtrazione,
( Filtrazione, DisacidificazioneDisacidificazione))
Sono costituiti dai sottoprodotti dell
Sono costituiti dai sottoprodotti dell’’industria delle carni e dallindustria delle carni e dall’’olio di pesce e olio di pesce e rappresentano di gran lunga la materia prima pi
rappresentano di gran lunga la materia prima piùù economica per la produzione di economica per la produzione di biodiesel
biodiesel
Il biodiesel ottenuto da questi ha caratteristiche di rendimento
Il biodiesel ottenuto da questi ha caratteristiche di rendimento inferiori rispetto a quello inferiori rispetto a quello ottenuto da altri grassi, ma
ottenuto da altri grassi, ma èè meno inquinantemeno inquinante Alghe
Alghe
Esperimenti condotti dal
Esperimenti condotti dal NationalNational LaboratoryLaboratory of of RenewableRenewable energiesenergies
I costi di investimento
I costi di investimento
I costi di investimento
I costi di investimento
La produzione europea
La produzione europea
La capacit
La capacit à à produttiva europea produttiva europea
I I biocombustibili biocombustibili di seconda generazione di seconda generazione
Gassificazione
Gassificazione + rettifica ( Steam+ rettifica ( Steam reforming) reforming) BioidrogenoBioidrogeno Gassificazione
Gassificazione + conversione catalitica Biometanolo+ conversione catalitica Biometanolo Gassificazione
Gassificazione a metanolo + conversione Biodimetileterea metanolo + conversione Biodimetiletere(DME)(DME) Biometanolo
Biometanolo + conversione Biometilterbutiletere+ conversione Biometilterbutiletere ( MTBE)( MTBE) Fermentazione
Fermentazione BiobutanoloBiobutanolo Sintesi di
Sintesi di FischerFischer TropschTropsch ( ( gassificazionegassificazione +conversione) FT+conversione) FT-- Diesel
Diesel