Direzione Ricerca ed Innovazione Tecnologica. Lab4energy: il futuro dell'energia 26 Febbraio 2013

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1 Direzione Ricerca ed Innovazione Tecnologica Lab4energy: il futuro dell'energia 26 Febbraio 2013

2 Cos è una biomassa Utilizzo delle biomasse per produrre energia Cosa sono i biocarburanti Tipologie e disponibilità delle biomasse I processi per la produzione dei biocarburanti

3 Per biomassa si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, gli scarti e i residui dell attività agricola e forestale e relative lavorazioni (incluso sostanze vegetali ed animali), così come la parte biodegradabile dei rifiuti e dei reflui industriali e cittadini. (art1. Direttiva 2008 su promozione e uso di fonti di energia rinnovabili)

4 combustione biomassa digestione anaerobica bioraffineria

5 CENTRALE A BIOMASSE L opzione più semplice: la combustione carbone vapore generatore Rete elettrica biomassa fornace turbina

6 Emissione Fissazione (fotosintesi)...quasi... ciclo neutro per la produzione di CO 2 Distribuzione Trasformazione Trasporto

7 anno Variazione della temperatura globale (in rosso) e dell anidride carbonica presente nell'atmosfera (in blu) negli ultimi 1000 anni. La causalità non è da tutti ritenuta provata, ma si notano delle somiglianze fra le due curve, soprattutto nell'ultimo secolo.

8 Ref: Arndt, D. S., M. O. Baringer, and M. R. Johnson, Eds., 2010: State of the Climate in Bull. Amer. Meteor. Soc., 91 (7), S1-S224

9 ! "#$%& L unico settore nel quale le emissioni di CO 2 stanno ancora crescendo è quello dei trasporti e, in particolare quelli su strada Adattato da: Pro-Rail Alliance, June 2011.

10 '( ) L unica alternativa a BREVE TERMINE per diminuire le emissioni nei trasporti sono i BIOCARBURANTI La direttiva europea RED richiede che, entro il 2020 il 10% dell energia utilizzata nei trasporti dovrà provenire da biofuel, elettricità ed idrogeno prodotti da fonti rinnovabili. I biofuels dovranno garantire una riduzione delle emissioni GHG rispetto a quelle generate da benzina e gasolio di almeno: 35% all entrata in vigore della Direttiva 50% al % per i biofuel prodotti in nuovi impianti (realizzati dal 2017)

11 * # # $* * # ( ( + +

12 "&, mais Bioetanolo Biodiesel palma Canna da zucchero colza I biofuel attualmente prodotti sono prevalentemente di 1 a generazione

13 -, mais alimentazione Colture amidacee e saccarifere energia Fuel di 1 a generazione grano Competizione con l uso alimentare e zootecnico!!

14 -, Foresta pluviale Deforestazione..??.. Impatto negativo sulla qualità di vita dei paesi emergenti e sulla biodiversità Coltivazione palma da olio

15 , "& EJ = J Fonte: IEA - Technology Roadmap Biofuels for Transport 2011

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17 Filera agro-forestale Colture amidacee e saccarifere Colture oleaginose Scarti agricoli Colture ad uso energetico Colture acquatiche Risorse forestali, cedue, fustaie Scarti industria del legno Filera rifiuti e reflui Fanghi depurazione acque civili Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) Oli vegetali esausti Scarti industria alimentare

18 . /, t/ha (granella, dry) 5-8 t/ha (residui, dry) t/ha (dry) t/ha (dry) mais Energy crops Miscanto t/ha (dry) grano 5-6 t/ha (granella, dry) 3-4 t/ha (paglie, dry) Switchgrass Elevata produzione di biomassa Arundo Donax (canna comune)

19 . /, 012 A Torviscosa (Ud), si è avuta dal 1937 al 1962 un importante esperienza di coltivazione estensiva di canna comune (5400 ha su terreni di bonifica) per alimentare la locale fabbrica per la produzione di fibra artificiale (RAYON), ottenuta da cellulosa Arundo Donax Dalla canna gentile alla cellulosa nobile (1939) SNIA VISCOSA Sette canne, un vestito (1949) cortometraggio di Michelangelo Antonioni

20 . /, 012 Jatropha Terreni aridi marginali energia Olio non edibile

21 . /, 1030 alimentazione Competizione! energia Fuel di 1 a generazione Scarti agricoli energia Fuel di 2 a generazione

22 . /, Macroalghe Produttività target fino a dry t/ha Contengono fino 60% carboidrati Non richiedono suolo arabile Non richiedono fertilizzanti Non richiedono acqua dolce Microalghe Produttività target >100 dry t/ha Contengono fino 70% lipidi energia Olio algale Fuel di 3 a generazione

23 . /,!#6 Refluo sistema fognario Raccolta rifiuti Depurazione refluo civile Raccolta differenziata Raccolta indifferenziata Fanghi solidi Selezione frazione secca e scarti Bioseparazione separazione vagliatura Disidratazione ed essicamento Biomasse da rifiuti solidi urbani

24 #06

25 6 Trasformazioni biochimiche Saccarificazione /Fermentazione Digestione anaerobica Pirolisi Trasformazioni termochimiche Liquefazione Gassificazione Processi fotosintetici

26 6 '' PROCESSO DI FERMENTAZIONE NUTRIENTE (zuccheri) lieviti PRODOTTO Idrogeno Metano Etanolo batteri Microorganismi Vettori energetici

27 6 '', 1 Biomasse Biogas (metano) Fuel gassoso Fertilizzanti Deiezioni animali Calore Rifiuti organici Microorganismi metanogeni Elettricità

28 6 '', 60 Raccolta biomassa Fermentazione Distribuzione Fonte:

29 $, ETANOLO L uso dell etanolo per autotrazione risale ai primi del 900 quando lo stesso Henry Ford ne promosse l utilizzo ( There's enough alcohol in one year's yield of an acre of potatoes to drive the machinery necessary to cultivate the fields for a hundred years ). Negli anni 70 a seguito del primo shock petrolifero, diverse compagnie petrolifere in USA misero in commercio benzina contenente il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol A partire dal 1975 Il Brasile ha lanciato un programma per l uso dell etanolo da canna da zucchero come carburante.

30 $ I vantaggi dell etanolo Elevato numero di ottano Riduzione delle emissioni di SOx (-70%), idrocarburi aromatici (-50%), particolato (-20%) e NOx, rispetto a benzina; HC CO PA CO 2 SOx NOx Gli svantaggi Basso contenuto energetico (maggiori consumi) Può essere utilizzato solo in miscele a bassa concentrazione: 5-10% v/v (E5 e E10), compatibili con le motorizzazioni convenzionali. Le miscele ad elevata concentrazione (85%, E85) sono utilizzabili solo in autoveicoli autoadattanti (Flexible Fuel Vehicles = FFV).

31 6 '', 60 lieviti SACCARIFICAZIONE FERMENTAZIONE Biomassa Zuccheri DISTILLAZIONE ETANOLO

32 -5 Zuccheri semplici: direttamente utilizzabili nella fermentazione Biomasse saccarifere (Barbabietola, Canna da zucchero) Saccarosio (Glu-Fru) Ha funzione di riserva energetica della pianta: facile da trasformare in zuccheri semplici Biomasse amidacee (Mais, grano) Amido (-Glu-Glu-) Biomasse in competizione con il settore alimentare

33 5 Biomasse lignocellulosiche (scarti agricoli, forestali e colture energetiche) Cellulosa (-Glu-Glu-) Assenza di competizione con il settore alimentare Ha funzione di sostegno della pianta: è molto resistente e i processi di saccarificazione per ottenere gli zuccheri sono complessi e costosi

34 Crescentino (Al) Produzione avviata nel 2013 Capacità: t/anno Materie prime: Arundo Donax (canna comune) e paglia di grano Tecnologia PROESA

35 * Oltre il bioetanolo.. Modifiche genetiche dei microorganismi Prodotti di fermentazione utilizzabili come biocarburanti

36 ., Rudolph Diesel brevettò il suo motore nel 1892, prevedendo un alimentazione con oli vegetali. Il prototipo presentato all Expo di Parigi nel 1990 era alimentato con olio di arachidi!" #$#%

37 -5 girasole colza Estrazione olio Oli vegetali palma Metanolo Transesterificazione Piante oleaginose Fatty Acid Methyl Ester (FAME)

38 I vantaggi del biodiesel Processo semplice con bassi costi di investimento Gli svantaggi Utilizza oli di elevata qualità e quindi costosi Proprietà a freddo non ottimali E un prodotto ossigenato E biodegradabile (può causare problemi di biofouling) Ha proprietà solventi (degrada parti in gomma ed elastomeri) Emissioni di NOx superiori al diesel convenzionale Limiti nel blending (max 7%)

39 -5 girasole Competizione con l uso alimentare!! Oli vegetali BIODIESEL

40 10., 6 * H 2 Idro-deossigenzione H 2 Idro-isomerizzazione Green Jet Greendiesel Oli usati, grassi animali e oli non edibili Fuel di elevata qualità (superiore anche al diesel fossile)

41 10., 6 * Eni Divisione Refining & Marketing avvierà nel 2013 la riconversione della raffineria di Porto Marghera in una bioraffineria per la produzione di Greendiesel. E prevista la realizzazione un impianto Ecofining da t/anno, a regime nel 2015

42 10., / 50 Domanda mondiale di fuel MBPD Attuale Potenziale Per soddisfare la richiesta di diesel è necessario partire da MATERIE PRIME ALTERNATIVE ', *7#!774:%7.7 8;<=9

43 10. 5 * fermentazione zuccheri Lieviti oleaginosi Producono oli fino al 70% del loro peso Greendiesel Processo Ecofining Biomasse lignocellulosiche Oli microbici Oli analoghi a quelli di origine vegetale Maggiore disponibilità biomassa

44 10., 1= MICROALGHE: organismi fotosintetici in grado di accumulare fino al 70% in peso di oli all interno della cellula

45 ' Emissioni industriali CO 2 CO 2 ossigeno acqua riciclo acqua nutrienti addensamento inoculo Greendiesel Processo Ecofining estrazione Oli algali

46 ',.#66>6 (*) Fonte: Y. Chisti / Biotechnology Advances 25 (2007)

47 ' I vantaggi Assenza di competizione con suolo e acqua Possono utilizzare acque reflue e emissioni di CO 2 come fonti di nutrienti Possono utilizzare acque salmastre Elevata produttività rispetto alle biomasse terrestri impianto pilota presso la raffineria eni di Gela, avviato nel 2011

48 ' Il futuro?

49 6 gas liquidi Biomassa solidi CALORE Vettori energetici

50 6 ' BIOMASSA Processo di CARBONIZZAZIONE 350 C Carbone di legna Vettore energetico SOLIDO Combustibile domestico

51 6 ' RAFFINERIA BIOMASSA Processo di PIROLISI 500 C Bio-olio olio Vettore energetico LIQUIDO

52 6 ' * RAFFINERIA FRAZIONE ORGANICA RIFIUTI URBANI Processo di LIQUEFAZIONE C 100 atm Bio-olio olio Vettore energetico LIQUIDO

53 7* Discarica Compostaggio Fertilizzanti frazione umida (FORSU) Digestione anaerobica Energia Liquefazione

54 , In Italia vengono prodotte oltre 10 milioni di tonnellate di rifiuti organici di cui 4 differenziate Fonte: Biomass Energy Report 2009 Politecnico di Milano

55 $ Processo di liquefazione 100 bar, 310 C 1 ora BIO-OLIO Raffineria Natura Pressione, temperatura 400 milioni di anni gas carbone petrolio

56 6 ' O 2 + H 2 O BIOMASSA RAFFINERIA Bio-syngas Vettore energetico GASSOSO Processo di GASSIFICAZIONE 1000 C

57 1, Autovettura alimentata con un gasogeno durante l autarchia (1938 ). Legno o carbonella erano bruciati in difetto di ossigeno producendo mix di CO, CO 2 e H 2. Con 2,5 kg di legna si produceva l energia equivalente a 1 litro di benzina.

58 Liquefazione syngas: il processo Fisher Tropsh Bio-syngas Sviluppato nel 1935 ossido di carbonio idrogeno Cere C 35 -C 120 C 5 -C 11 Benzina C12 -C 15 Jet fuel C 9 -C 25 Diesel C 18 -C 70 Bio-lubrificanti

59 Grazie! 9 '?9