Energia dalle Biomasse

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1 Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Corsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione Energetica prof. ing. Francesco Asdrubali a.a. 2013/14 Energia dalle Biomasse

2 Biomasse Con il termine biomasse si intendono sostanze di origine biologica in forma non fossile: materiali e residui di origine agricola e forestale; prodotti secondari e scarti dell industria agroalimentare; reflui di origine zootecnica; rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 % in peso). Tra le biomasse vengono inoltre considerate: alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente coltivate per essere destinate alla conversione energetica; altre specie vegetali utilizzate per la depurazione di liquami organici. Sono da escludere: le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici.

3 Fotosintesi clorofilliana Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l apporto energetico dell irraggiamento solare per convertire l anidride carbonica atmosferica e l acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che compaiono nei loro processi vitali: carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato di prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione CO ( H O) H O + energia solare C + O 2 2 n m Solo la parte visibile dello spettro solare (circa il 45% del totale) interviene nella fotosintesi; un ulteriore 20% dell energia si perde per fenomeni di riflessione o cattivo assorbimento dovuto alla densità del fogliame. Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa tonnellate di carbonio all anno, con un contenuto energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte l attuale fabbisogno energetico mondiale

4 Tipologie di Biomasse Biomasse Residui organici Colture energetiche forestali Trasformazione tecnologica di prodotti e consumi agricoli terrestri acquatiche vegetali Alimentari Non alimentari Animali Vegetali

5 Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Le colture energetiche sono coltivazioni specializzate per la produzione di biomassa e possono riguardare sia specie legnose sia erbacee. Coltivazioni energetiche erbacee: annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf); perenni (la canna comune ed il miscanto). Coltivazioni energetiche legnose sono costituite da specie selezionate per l elevata resa in biomassa e per la capacità di ricrescita dopo il taglio: boschi cedui tradizionali; siepi alberate. Caratteristiche qualitative della biomassa: colture oleaginose (ad es. girasole, colza); alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola da zucchero, cereali); lignocellulosiche.

6 Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture per etanolo COLTURE AREA PROBLEMATICHE Sorgo granella Collina Grano Pianura/collina asciutta Sorgo zuccherino Pianura irrigua Breve periodo di raccolta Bietola Pianura irrigua Breve periodo di raccolta Costi Topinambur Collina asciutta Rotazione difficile

7 Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture per oli esterificati COLTURE AREA PROBLEMATICHE Girasole Pianura/collina Scelte varietali Colza Varie Adattamento Scelte varietali Brassica Carinata Varie Scarsa sperimentazione Cartamo Ricino Asciutto Varie Tecniche agronomiche non consolidate Tecniche agronomiche non consolidate Cynara Card. Asciutto Rese variabili Crambe ab. Tecniche agronomiche non consolidate

8 Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimici COLTURE PROBLEMATICHE ANNUALI Sorgo fibra Sfruttamento terreno POLIENNALI Arundo donax Miscanthus Ginestra Cynara Card. S.R.F. Sperimentazioni limitate Sperimentazioni limitate Raccolta Rese variabili Tecniche da mettere a punto, Costo trapianto

9 Impieghi della materia organica Le biomasse si possono considerare fotosintetica trasformata risorse primarie rinnovabili e, quindi, Conversione inesauribili energia termica e/o nel elettrica tempo, e produzione purché di biocombustibili solidi (ad es. pellets) o liquidi (es. biodiesel, bioetanolo, ecc.); Biomateriali vengano per l industria impiegate edilizia ed abitativa e ad per la un produzione ritmo di compositi; Fibre tessili; complessivamente Cellulosa, carta ed assimilati; non superiore alle Fertilizzanti o ammendanti per i terreni agrari; Prodotti capacità per l industria di (lubrificanti, rinnovamento solventi, plastiche biodegradabili, biologico. additivi vari, ecc.). Le biomasse utilizzabili ai fini di conversione energetica possono essere considerate, allo stato attuale, le seguenti: Sottoprodotti (agricoli, forestali e zootecnici) e scarti (urbani e industriali), attraverso combustione, conversione chimica o biologica in biogas, alcool o altre sostanze; Produzioni vegetali su territori non adatti a colture alimentari. (zone marginali, aride e semiaride); Specie vegetali energetiche da coltivare in condizioni di eccedenze delle produzioni alimentari rispetto alla domanda, su terreni sinora a destinazione agricola classica.

10 Vincoli all uso energetico delle Biomasse Stagionalità La raccolta si concentra normalmente in periodi temporali di poche settimane (la paglia dei cereali tipo frumento in luglio; gli stocchi di mais in ottobre-novembre; i residui di potatura nei mesi invernali). La domanda dei prodotti di trasformazione si prolunga lungo l intero arco dell anno. I calcoli economici debbono tener conto degli investimenti aggiuntivi relativi allo stoccaggio delle scorte, nonché di quelli della loro eventuale essiccazione Raccolta e trasporto Gli impianti di trasformazione delle materie prime agricole sono soggetti ad effetto scala. Ad ogni impianto deve errere asservita una superficie agricola in grado di approvvigionare la materia prima sufficiente per il funzionamento. L economicità di un impianto dipende dalla minore distanza esistente tra l impianto ed il baricentro massico delle biomasse.

11 Aspetti positivi e negativi dell impiego delle biomasse VANTAGGI Abbondante: si trova in quasi ogni parte della terra, dove siano presenti alghe, alberi, letame; Fonte di energia rinnovabile: grazie alla possibilità del rimboschimento; Immagazzinabile-Stoccabile Convertibile in combustibili solidiliquidi-gassosi con buoni poteri calorifici; Sfruttamento di zone inutilizzate dall agricoltura e conseguente occupazione nelle zone rurali; Ciclo di emissioni di CO 2 : le piante la riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi) SVANTAGGI Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica: superficie minima ha, produzione superiore a t per ha La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione; Sistema di risorse (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura della risorsa; Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità(bulk density): la convenienza economica c è se la distanza tra approvvigionamento ed impianto non supera i 160 Km; Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali-meteo Produzione non costante durante l anno Contenuto di umidità variabile

12 Tecnologie per l impiego energetico delle Biomasse Combustione; Gassificazione; Pirolisi

13 Teleriscaldamento e biomasse Affinché si possa ipotizzare di costruire un impianto di teleriscaldamento a biomassa, occorre che siano soddisfatti i punti seguenti. Aggregato di case e/o attività che richiedano energia termica; Disponibilità di una o preferibilmente più fonti di approvvigionamento o creazione di una filiera di biomassa, come conseguenza della domanda da parte dell'impianto di teleriscaldamento; La distanza dalla fonte di approvvigionamento non deve essere eccessiva; Presenza di un'area adeguata dove poter costruire l'impianto ed i magazzini di stoccaggio. Punti critici del teleriscaldamento a biomasse Accettabilità sociale; Vicinanza alle vie di trasporto e cura per non appesantire l'abitato con un eccessivo traffico di mezzi pesanti; Stoccaggio: i volumi necessari non permettono uno stoccaggio stagionale - notevoli superfici per creare magazzini che consentano una certa autonomia; Condizioni di lavoro (sicurezza) degli addetti alla raccolta-selezione-trasporto; Sostenibilità economica; Rapporto tra prime e seconde case per il corretto dimensionamento dell'impianto - spesso la località servita è turistica.

14 Biocombustibili Prodotti derivati dalla biomassa, miscelati con carburanti ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri, usati per autotrazione e riscaldamento. Impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile; utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati. L uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del 900 (Henry Ford); nel 1938 gli impiani del Kansas producevano già t/anno di bioetanolo. l interesse americano per i biocombustibili decadde dopo la Seconda Guerra Mondiale in conseguenza dell enorme disponibilità di olio e gas; negli anni 70, a seguito della prima crisi petrolifera, apparvero in commercio benzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio fiscale concesso per l utilizzo dell etanolo). Clean Air ACT (1990): restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell aria nelle aree metropolitane più inquinate. Ma all etanolo fu preferita l adozione dell MTBE (metil-ter-butil-etanolo) come sostitutivo del piombo tetrametiletile (per migliorare le proprietà antidetonanti delle benzine). Solo dopo il progressivo inquinamento delle falde acquifere il governo americano sta cercando di mettere fuori legge gli MTBE promuovendo una politica di incentivo per i biocombustibili.

15 Bio-etanolo E un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante fermentazione di diversi prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri; Il bio-etanolo è tra i combustibili quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni; L etanolo può essere prodotto seguendo due vie: quella chimica e quella biologica; Il bioetanolo ha origine dalla seconda via; Il processo si basa sulla trasformazione biochimica dei carboidrati (zuccheri) in alcool, operata da microrganismi (lieviti); La produzione di etanolo adatto all uso combustibile (puro almeno al 95%), richiede un ulteriore processo di distillazione; Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i lieviti ed i batteri.

16 Caratteristiche chimico-fisiche dell etanolo e della benzina Caratteristiche Formula Unità di misura Etanolo CH 3 -CH 2 -CH Benzina Miscela idrocarburi - additivi Densità g/cm 3 0,789 (a 20 C) 0,740 (a 15 C) Potere Calorifico Inferiore Kcal/kg Temperatura di ebollizione C 78, Temperatura di congelamento C -11,4 Sotto i -50 Calore di evaporazione Kcal/kg 200,6 85 Punto di infiammabilità C 21 Da -40 a 40 Numero di ottano (super) Nonostante la differenza di potere calorifico tra l alcool etilico e la benzina, le potenze esprimibili nei motori sono all incirca equivalenti, per le diverse caratteristiche di combustione degli alcoli rispetto alla benzina: gli alcoli presentano una minore temperatura e luminosità di fiamma cosicché minor calore è perso per conduzione e per irraggiamento dalla camera di combustione al sistema di raffreddamento del motore; gli alcoli, bruciando più rapidamente, permettono una coppia più elevata al motore.

17 Risvolti energetici, ambientali ed economici Consumi o Il potere calorifico dell etanolo è inferiore a quello della benzina, la miscelazione di questi determina a parità di altre condizioni un peggioramento del consumo calcolato (Km/Litro). o L addizione dell ossigeno, assente del tutto nella benzina, reca un miglioramento alla combustione in termini di consumo termico (Km/caloria): smagrimento della miscela aria/benzina e miglioramento della combustione. Emissioni o Il bioetanolo, essendo un prodotto derivato da biomassa, non comporta alcuna emissione di anidride carbonica netta in ambiente: le biomasse, catturano, durante il processo di fotosintesi, il carbonio in atmosfera (sotto forma di CO 2 ); la CO 2 verrà assorbita dalle nuove biomasse coltivate per produrre altro biocombustibile o Eliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene; Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti; o Aumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide. Vantaggi dell impiego di ETBE come additivo antidetonante o Elevato rapporto quantitativo tra carbonio e idrogeno; o Contenuto di ossigeno legato pari al 15%.

18 Produzione di Bio-etanolo Principale materia prima per la produzione di bioetanolo: o Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate all anno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati); o Barbabietola da zucchero - 0,26 miliardi di tonnellate all anno. Quando sarà disponibile la produzione commerciale di bioetanolo da biomassa lignocellulosica (cioè da processi enzimatici), la potenziale produzione di questo prodotto aumenterà notevolmente: la produzione mondiale di biomassa lignocellulosica è dieci volte superiore a quella di altri tipi di biomassa. o Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m 3 ; o Il potenziale produttivo mondiale di bioetanolo, è stimato intorno ai due miliardi di tonnellate all anno (0,5 miliardi di tonnellate all anno dallo zucchero e 1,5 miliardi di tonnellate all anno da biomassa lignocellulosica); o L uso del bioetanolo nel settore dei trasporti (20% del consumo attuale) raggiungerà 550 milioni di tonnellate all anno. Altri possibili impieghi che comporteranno una maggiore penetrazione di bioetanolo: o miscele gasolio-etanolo puro; o gasolio riformulato con ETBE; o uso di bioetanolo per macchine agricole.

19 Bio-diesel Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati,dalla spremitura di semi oleaginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione. Il bilancio di massa semplificato dell intero processo è il seguente: Il glicerolo o più comunemente glicerina che si ottiene come prodotto secondario può essere usata per la produzione di creme ad uso cosmetico. I prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del biodiesel devono subire vari processi prima di essere convertiti: 1000 kg di olio raffinato kg di metanolo Estrazione 1000 kg di biodiesel kg di glicerolo Meccanica (normalmente a pressione); Chimica (solvente, normalmente esano in rapporto 1:18); Combinata (Girasole-colza: circa 1 ha produce 1 t di olio); Raffinazione: Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione); Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione, demargarinazione). =

20 Impiego del bio-diesel nei motori o o o o o o o Il biodiesel è stato testato in varie percentuali di miscelazione con gasolio, a partire dal 5% passando per il 20 ed il 30% fino ad arrivare al biodiesel puro; Le miscele con gasolio, sino al 30% in volume, possono essere utilizzate senza significative modifiche al motore (verificare la compatibilità dei materiali costitutivi dell impianto di iniezione, con particolare riferimento alle gomme butiliche); L olio lubrificante è diluito dal biodiesel, per cui si deve avere l accortezza di sostituire l olio con maggiore frequenza (in particolare con sistemi di iniezione con pompe in linea); Problemi nel funzionamento del motore alle basse temperature (punto di otturamento a freddo del biodiesel è di 9 C, contro i 22 C del gasolio); Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante; Il potere calorifico inferiore del biodiesel è inferiore di circa il 13% rispetto a quello del gasolio (32,8 MJ/dm 3 contro 35,6 MJ/dm 3 ), ma ciò è parzialmente compensato dalla maggiore densità (0,88-0,89 kg/m 3 contro 0,83-0,85 kg/m 3 a 15 C). Il potere calorifico inferiore del biodiesel comporta un lieve aumento dei consumi, (circa il 2-3%), difficilmente percepibile a causa dell'elevata oscillazione dei consumi riscontrabili in campo, relativi al tipo di guida e percorso.

21 Risvolti energetici, ambientali ed economici Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile. Emissioni (biodiesel quale combustibile puro): o SO 2 : è presente il contributo di SO 2 da parte dell olio lubrificante che viene bruciato; o CO: apprezzabile riduzione delle emissioni di CO (5-8%); o HC: le emissioni sono equivalenti, è drasticamente minore (da uno a due ordini di grandezza) il contenuto dei composti policiclici aromatici PAH, corresponsabili di molte forme di cancro; o NO x : incremento delle emissioni di NOx (15% circa); o Opacità (FSN): drasticamente inferiore a quella prodotta dal gasolio (30% al 70%); o Particolato: emissioni in massa di particolato risultano molto prossime (talvolta appena superiori) a quelle generate dalla combustione di gasolio; la granulometria media del particolato prodotto dal biodiesel è superiore di un ordine di grandezza (circa 0,1 mm per il fossile, 1,5 mm per il biodiesel). minore la pericolosità del particolato generato dal biodiesel; o CO 2 : non comporta alcuna emissione netta in atmosfera; o Biodegradabilità : elevata (99,6% in 21 gg.), in caso di dispersione accidentale, il biodiesel non inquina né il suolo né le acque.

22 Quadro internazionale: evoluzione storica Consumo specifico di legna da ardere per alcune industrie rurali (America Latina 1991) Industrie Panifici Caseifici Mattoni Calce Essiccazione tabacco Legname consumato m 3 /sacco (50kg.) di farina m 3 / 1000 l di latte m 3 /1000 mattoni m 3 / t di calce m 3 /100 kg di tabacco essiccato

23 Quadro internazionale: evoluzione storica Impianti dimostrativi per la produzione di elettricità da colture energetiche negli USA Localizzazione Potenzialità (MWe) Superficie coltivata (ha) Biomassa utilizzata Arkansas/Mississipi Legno da short rotation California Georgia/Alabama Legno da short rotation Hawaii Colture erbacee Iowa Tennessee Colture erbacee Texas Washington Legno da short rotation Wisconsin/Minnesota Legno whole tree

24 Quadro internazionale: recenti tendenze

25 Dislocazione mondiale di impianti con una potenza maggiore di 5 GW

26 Situazione italiana Situazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, 1999) Tecnologia MW e Mtep MW e Mtep MW e Mtep MW e Mtep Idro>10MW , , , ,920 Idro<10MW , , , ,442 Geotermia 559 0, , , ,294 Eolico 119 0, , , ,100 Fotovoltaico 16 0, , , ,073 Biomasse 192 0, , , ,036 Rifiuti 89 0, , , ,880 Totale , , , ,744

27 Situazione italiana Situazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, Tecnologia Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep Biocombustibili 0,060 0,280 0,220 0,544 0,484 0,940 0,880 Solare termico 0,008 0,056 0,048 0,111 0,103 0,222 0,214 Geotermia 0,213 0,250 0,037 0,300 0,087 0,400 0,187 Biomasse 1,070 1,400 0,330 1,600 0,530 1,750 0,680 Rifiuti 0,096 0,120 0,024 0,160 0,064 0,200 0,104 Totale 1,447 2,106 0,659 2,715 1,268 3,512 2,065

28 Situazione italiana 2011

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30 Produzione da bioenergie per Regione nel 2010 (GWh)

31 Produzione da BIOMASSE

32 Produzione da BIOLIQUIDI

33 Produzione da RU BIODEGRADABILI

34 Prospettive per l energia dalle Biomasse in Italia Sembra ragionevole ritenere che l entità del contributo massimo a regime nei confronti del fabbisogno energetico italiano da parte delle biomasse, a medio termine, possa arrivare a superare i 5 Mtep/anno; In Italia esite un potenziale (prevalentemente da residui agro-industriali e urbani) tali da consentire l installazione di circa 3000 MW di potenza elettrica Assenza di adeguate iniziative imprenditoriali, malgrado gli interessanti incentivi in conto capitale previsti dalla legge 10/91. Occorrono nuove figure professionali, imprenditori ed operatori, come, ad esempio, quella dell agricoltore-esercente di impianto termico (consorzi di operatori agricoli) con la partecipazione di operatori qualificati con esperienza specifica nel settore della produzione dell energia. Biomasse più interessanti: o residui agro-industriali; o rifiuti solidi urbani; o coltivazioni energetiche di accertata economicità.

35 Benefici attribuibili all impiego diffuso delle biomasse BENEFICI ATTRIBUIBILI ALLA DIFFUSIONE DELLE BIOENERGIE BENEFICI ECONOMICI BENEFICI SOCIALI BENEFICI AMBIENTALI riduzione della dipendenza energetica riconversione del settore agricolo valorizzazione economica dei sottoprodotti e dei residui organici risparmio nei costi di depurazione e smaltimento stimolo alle industrie del settore apertura del mercato dell'energia agli operatori agricoli diversificazione e integrazione delle fonti di reddito del settore agricolo occupazione in zone marginali riduzione dell'esodo dalle campagne riduzione delle emissioni di anidride carbonica nell'atmosfera riduzione delle emissioni nell'aria dei principali inquinanti di origine fossile possiblità di smaltire notevoli quantità di rifiuti e residui organici in maniera ambientalmente corretta recuperando parte dell'energia in essi contenuta controllo dell'erosione e del dissesto idrogeologico di zone collinari e montane

36 Biocarburanti di seconda generazione Prima generazione da materie prime alimentari (es.biodiesel da semi oleaginosi, bioetanolo da mais o da canna da zucchero) Seconda generazione da materie organiche non alimentari (non hanno impatto sulla filiera agroalimentare)

37 Biocarburanti di seconda generazione Biomassa lignocellulosica È abbondante Non è competitiva con le colture alimentari Contiene emicellulosa e cellulosa (polimeri di zuccheri) da cui produrre biogas o bioetanolo.

38 Biocarburanti di seconda generazione

39 Filiere di produzione dei biocarburanti ENEA 2011

40 Biodiesel di II generazione Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o animali (anche con caratteristiche chimico-fisiche che danno scarsa resa nella conversione in biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni impianti industriali di grandi dimensioni (es. ENI) Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e successivo reforming dell olio ottenuto (bio-olio). È ancora in fase sperimanetale Gassificazione della biomassa

41 Biodiesel di II generazione Biodiesel da microalghe Le alghe sono formate da lipidi, proteine e carboidrati (come le piante) Scelta della specie idonea, crescita e raccolta Estrazione frazionata: viene prima la componente lipidica con solventi (es. esano, cloroformio, metanolo) poi si convertono carboidrati e proteine trasformazione con pirolisi, gassificazione Coltura Soia 400 Girasole 800 Jatropa Olio di palma Microalghe Resa stimata (litri/ha*anno)

42 Bioetanolo di II generazione Processo biologico: idrolisi enzimatica di materiali lignocellulosici e successiva (o contemporanea) fermentazione degli zuccheri provenienti da cellulosa ed emicellulose. Questa tecnologia è attualmente al centro di un rinnovato interesse da parte della comunità scientifica internazionale. Processo termochimico: gassificazione della biomassa per produrre di syngas (H 2 e CO) e successiva fermentazione del syngas. Resa per 1 ettaro (ha) di terreno coltivato a mais e frumento Prima Generazione Seconda generazione Bioetanolo 3 t/ha 10 t/ha

43 BTL Fuels Dimetil-etere (DME) Bio-metanolo Miscele di alcoli ed altri composti organici ossigenati Sono ottenuti via gassificazione e sintesi catalitica genericamente indicati come BTL (Biomass to liquids) Fuels. Sono processi attualmente oggetto di sperimentazione a livello di laboratorio o impianti di piccola scala.

44 Stato di avanzamento delle tecnologie per la produzione di biocarburanti al 2011