BIOCOMBUSTIBILI: applicazioni nel settore dei trasporti

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1 BIOCOMBUSTIBILI: applicazioni nel settore dei trasporti Prof. Federico Millo Dipartimento di Energetica Politecnico di Torino 1 AGENDA: 1. INTRODUZIONE: FONTI RINNOVABILI, EFFETTO SERRA, NORMATIVE 2. BIO-ETANOLO 3. BIODIESEL 4. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE 2

2 BIOCOMBUSTIBILI: Combustibili derivanti da materiale biologico di origine recente, in contrapposizione ai combustibili derivanti da materiale biologico di epoche geologiche remote (combustibili fossili). Rappresentano una forma di energia rinnovabile, in quanto sono il risultato di una conversione di energia solare in energia chimica tramite cicli di fotosintesi. Possono inoltre consentire di ottenere una riduzione delle emissioni di gas serra rispetto ai combustibili tradizionali, grazie all assorbimento di CO 2 durante il ciclo di fotosintesi. 3 Biocombustibili di prima generazione (Fonte: SAE ) 4

3 5 ETANOLO La produzione di etanolo è più che raddoppiata dal 2000 al 2005, arrivando a 27 miliardi di litri (1,2% del consumo globale di combustibile). La produzione di biodiesel, partendo da minori volumi, è quadruplicata. L etanolo prodotto in USA (da cereali) e in Brasile (da canna da zucchero) rappresentano il 90% della produzione mondiale. La produzione in altri paesi, basata su diverse coltivazioni, è in rapida espansione. L Europa è attualmente leader nella produzione di biodiesel, ricavato da oli vegetali derivanti da soia, colza, girasole e altre colture. (Fonte: Earth Policy Institute, 2006). 6

4 1. INTRODUZIONE: FONTI RINNOVABILI, EFFETTO SERRA A partire dall introduzione di piani volti alla riduzione della dipendenza dal petrolio, negli anni 70, i biocombustibili sono stati sviluppati per più di 20 anni. Oggi si assiste ad un rinnovato interesse nei biocombustibili: nel settore dei trasporti, potrebbero portare ad una riduzione della richiesta di petrolio e dell emissione di gas serra. Questo fenomeno è particolarmente marcato in Europa, dove le direttive introdotte nell ultimo decennio fissano obiettivi ambiziosi sul contenuto di biocombustibili nei carburanti per trazione (5,75% entro il 2010, 10% entro il 2020), e obbligano gli Stati membri a sviluppare queste tecnologie. Alcuni Paesi, come la Francia, si sono imposti traguardi più ambiziosi: le Autorità francesi hanno fissato l obiettivo del 5,75% entro il 2008, del 7% entro il 2010 e del 10% entro il (Fonte: SAE ) 7 PRODUZIONE E CONSUMO DI BIOCARBURANTI: Europa Nel 2006 in Europa sono stati consumati circa 6,3 milioni di tonnellate (Mt) di biocarburanti (di cui 80% VOME). Sempre nel 2006, gli Stati europei hanno prodotto circa 4,9 Mt di VOME (fig. 4). La produzione è in costante aumento da 10 anni: il tasso di crescita annuale ha raggiunto una media del 35% negli ultimi 5 anni, durante i quali la produzione è più che quadruplicata. (Fonte: SAE ) 8

5 PRODUZIONE E CONSUMO DI BIOCARBURANTI: Europa Nel 2006 in Europa sono stati prodotti 1,3 Mt di etanolo per trazione, e sono state importate tonnellate per coprire il fabbisogno (1,4 Mt). La maggior parte della produzione deriva da Spagna, Germania, Polonia e Francia. In questi Paesi (fatta eccezione per la Svezia), l etanolo non viene usato direttamente, ma viene convertito in ETBE, e in seguito miscelato con benzina. Questa pratica, tipica dell Europa, è dovuta all obbligo di rispettare alcuni standard sulle proprietà dei combustibili, tra cui la volatilità, e al fatto che l uso di ETBE evita il rischio di separazione della miscela di etanolo e benzina in presenza di acqua. (Fonte: SAE ) Distributori di bioetanolo (UE) Nazione Svezia Germania Francia Regno Unito Irlanda Svizzera Distributori N/10 6 abitanti Fonte: European Biomass Industry Association EUBIA 4/2007, pagina 12 9 PRODUZIONE E CONSUMO DI BIOCARBURANTI: Situazione mondiale I primi 4 produttori di etanolo nel 2006 sono stati: Stati Uniti (18.3 miliardi di litri all anno), Brasile (17 miliardi di litri all anno), Cina (3.85 miliardi di litri all anno), India (1.9 miliardi di litri all anno) Il 90% della produzione di etanolo deriva da Brasile e Stati Uniti; la produzione mondiale è stata di circa 40 milioni di tonnellate. Il Brasile ha un imponente programma sui biocombustibili, grazie alla produzione di etanolo da canna da zucchero; oggi l etanolo rappresenta il 30% del carburante per trazione del Brasile. (Fonte 10

6 PRODUZIONE E CONSUMO DI BIOCARBURANTI Secondo l Agenzia Internazionale dell Energia (IEA), le situazioni correnti in Europa e USA indicano che la sostituzione del 6% dei derivati del petrolio con biocombustibili è fattibile a breve termine, ammesso che esistano coltivazioni in misura sufficiente. Una sostituzione del 5% della benzina, in Europa, richiede la conversione del 5% delle coltivazioni disponibili, mentre in USA occorre l 8%. Una sostituzione del 5% di gasolio richiede il 13% del territorio coltivato in USA, il 15% in Europa. (Fonte: SAE ) 11 BIOCOMBUSTIBILI : BILANCIO ENERGETICO ED EMISSIONI GAS SERRA Generalmente si ritiene che la produzione di CO 2 associata alla combustione dell etanolo sia bilanciata dall assorbimento di CO 2 per effetto della fotosintesi durante la vita del vegetale utilizzato come materia prima per la produzione del biocombustibile. Durante la fermentazione dell etanolo, il glucosio viene decomposto in etanolo e CO 2. C 6 H 12 O 6 2C 2 H 6 O + 2CO 2 Durante la combustione, l etanolo reagisce con l ossigeno per produrre CO 2, acqua e calore: C 2 H 6 O + 3O 2 2CO 2 + 3H 2 O Unendo le due reazioni: C 6 H 12 O 6 + 6O 2 6CO 2 + 6H 2 O + calore Questa reazione è l inversa della reazione di fotosintesi, per cui le tre reazioni si annullano a vicenda, senza altri sottoprodotti: 6CO 2 + 6H 2 O + luce C 6 H 12 O 6 + 6O 2 Tuttavia non possono essere trascurati gli apporti energetici e la produzione di CO 2 associata alla coltivazione, trasporto, trasformazione delle materie prime in etanolo. Particolarmente importante nel bilancio risulta poi anche la possibilità di riutilizzare scarti di lavorazione come mangimi, combustibile etc. (Fonte: 12

7 BIOCOMBUSTIBILI : BILANCIO ENERGETICO ED EMISSIONI GAS SERRA Un analisi più dettagliata deve valutare la quota parte di energia derivante da fonti non rinnovabili necessaria per la produzione dei biocombustibili, e confrontarla con quella dei combustibili fossili tradizionali (benzina, gasolio). Nel caso in cui poi l impiego finale del combustibile sia la trazione, è possibile effettuare una valutazione sia dell efficienza energetica complessiva (Well to Wheel, in MJ/km percorso dal veicolo) sia delle fasi intermedie del processo (rispettivamente dette Well To Tank e Tank to Wheel). In modo analogo si puo valutare l impatto in termini di emissioni di gas serra (o Green House Gases, GHG). In questo caso per tener conto del diverso potenziale nocivo delle differenti specie gassose si puo ricorrere ad un indice relativo al potenziale della CO2, assunto come riferimento (GWP, Global Warming Potential) (Fonte: SAE ) 13 BIOCOMBUSTIBILI : BILANCIO ENERGETICO ED EMISSIONI GAS SERRA: ANALISI USA PER BIOETANOLO DI PRIMA GENERAZIONE (DA MAIS) Fonte: R. Wang, Energy and Greenhouse Gas Emissions Impacts of Fuel Ethanol 14

8 WTW WTT BIOCOMBUSTIBILI : BILANCIO ENERGETICO ED EMISSIONI GAS SERRA: (Fonte: SAE ) 15 (Da WTW analysis of future automotive fuels and powertrains in the European context/) 16

9 0% -2% -2% -6% -20% -23% -17% -40% -60% L impiego di biocombustibili di 2 generazione appare particolarmente promettente -64% -80% E10 GV: DM Corn EtOH E10 GV: WM Corn EtOH E10 GV: Cell. EtOH E85 FFV: DM Corn EtOH E85 FFV: WM Corn EtOH E85 FFV: Cell. EtOH Riduzione di emissioni di GHG/km conseguenti all uso di miscele di biocarburanti Fonte: R. Wang, Energy and Greenhouse Gas Emissions Impacts of Fuel Ethanol 17 0% -2% -2% -6% -20% -23% -17% -40% -60% L impiego di biocombustibili di 2 generazione appare particolarmente promettente -64% -80% E10 GV: DM Corn EtOH E10 GV: WM Corn EtOH E10 GV: Cell. EtOH E85 FFV: DM Corn EtOH E85 FFV: WM Corn EtOH E85 FFV: Cell. EtOH Reductions in Per-Mile GHG Emissions by Ethanol Blend to Displace Gasoline DA: R. Wang, Energy and Greenhouse Gas Emissions Impacts of Fuel Ethanol 18

10 AGENDA: 1. INTRODUZIONE: FONTI RINNOVABILI, EFFETTO SERRA, NORMATIVE 2. BIO-ETANOLO 3. BIODIESEL 4. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE 19 C 2 H 5 OH CH 3 -CH 2 -OH EtOH (Ethyl-(OH)) Fonte: SAE Paper

11 La combustione nei motori alternativi Dal punto di vista della densità di energia, ovvero della quantità di lavoro per ciclo ottenibile da un motore di prefissate dimensioni, la caratteristica di primaria importanza dei combustibili impiegati non è tanto il loro potere calorifico inferiore H i, quanto piuttosto il parametro H i / (A/F) st. Difatti risulta: L V u ηumbh = V i ηumah i Hi = = ηuλvρa V ( A/ F) ( A/ F) Pressochè equivalenti risultano pertanto combustibili con H i marcatamente differenti, come ad esempio: Etanolo H i = 27 MJ/kg (A/F) st = 9 H i / (A/F) st =3.00 MJ/kg Benzina H i = 44 MJ/kg (A/F) st = 14.6 H i / (A/F) st =3.01 MJ/kg Metanolo H i = 20 MJ/kg (A/F) st = 6.5 H i / (A/F) st =3.07 MJ/kg 21 Le principali variazioni delle proprietà della benzina addizionata con etanolo sono: Combustibili non ossigenati Dosatura stechiometrica Numero di ottano Curva di evaporazione Volatilità e separazione di fase (A/F)st Rapporto H/C Combustibili ossigenati (limite CEE 2,5% in peso di ossigeno) 22

12 Variazione della dosatura: nelle zone di funzionamento in open loop, l uso di miscele con etanolo provoca uno smagrimento con aumento delle temperature allo scarico e riduzione della resistenza alla detonazione. Compatibilità dei materiali: l esposizione prolungata ad alte concentrazioni di etanolo può corrodere alcune parti in metallo o in gomma e dar luogo a formazione di depositi. Emissioni: l etanolo riduce le emissioni di HC e CO, e di composti tossici (benzene e butadiene), mentre le emissioni di NO x aumentano. 23 AGENDA: 1. INTRODUZIONE: FONTI RINNOVABILI, EFFETTO SERRA, NORMATIVE 2. BIO-ETANOLO 3. BIODIESEL 4. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE 24

13 BIODIESEL: introduzione Molti oli vegetali e grassi animali sono stati studiati come sostituti del gasolio. Le fonti principali di olio per biodiesel sono soia, colza, girasole, cocco, palma. Gli oli vegetali devono tuttavia essere convertiti in esteri prima di essere usati come combustibili sostitutive del gasolio. Il biodiesel è un carburante composto da esteri alchilici di acidi grassi a catena lunga, derivati da sorgenti rinnovabili di lipidi, come oli vegetali o grassi animali, atto ad essere usato in motori ad accensione per compressione (ASTM). La definizione esteri alchilici rende gli oli vegetali puri non classificabili come biodiesel. L uso di oli puri o parzialmente esterificati causa diversi problemi al motore ed al sistema di iniezione. BIODIESEL: caratteristiche principali del combustibile Rispetto al gasolio, il biodiesel è caratterizzato da: Contenuto di zolfo ridotto o nullo Assenza di aromatici (e di PAH) Contenuto di ossigeno: 11% circa Alto numero di cetano (45-60) Basso potere calorifico Maggior potere lubrificante Maggiore viscosità Tossicità ridotta o nulla Biodegradabilità Differenti proprietà corrosive Properties Diesel Biodiesel Carbon content C [w%] Hydrogen content H [w%] Oxygen content O [w%] Sulfur content S [w%] (EN ISO ) Stoichiometric ratio (A/F) st Net heating value, LHV [kj/kg] (ASTM D ) Density at 15 C, [kg/m 3 ] Viscosity at 40 C, [mm 2 /s] LHV/(A/F) st [kj/kg] Alcune delle proprietà indicate, come l alto numero di cetano e il maggior potere lubrificante, costituiscono ovvi vantaggi del biodiesel, mentre altri, come il ridotto potere calorifico e le diverse proprietà corrosive, rappresentano ovvi svantaggi.

14 BIODIESEL : effetti sui materiali La compatibilità del biodiesel e delle sue miscele con elastomeri e metalli è stata studiata da diversi studi di laboratorio. Si è dedotto che le proprietà fisiche di gomma nitrilica, nylon 6/6, e polipropilene HD possono essere seriamente compromese dal biodiesel, mentre Teflon, Viton 401-C e Viton GFLT sembrano avere una buona resistenza al biodiesel. I metalli considerati negli studi comprendono rame, acciaio, ottone, alluminio, bronzo. Le leghe a base di rame hanno mostrato corrosioni in seguito all esposizione al biodiesel o alle sue miscele. Per fronteggiare i problemi derivanti dal crescente uso di biodiesel, i produttori di sistemi di iniezione per motori diesel hanno preso una posizione comune riguardante l utilizzo del biodiesel, prevedendo un limite massimo pari al 5 % in volume. BIODIESEL : effetti sui materiali

15 BIODIESEL : effetti sulla formazione dello spray Le differenti caratteristiche chimico fisiche, ed in particolare la differente viscosità e la differente curva di distillazione comportano sensibili alterazioni dello spray di combustibile iniettato in camera: aumentano le dimensioni delle gocce, variano l angolo di apertura e la penetrazione, portando ad un generale peggioramento del mixing aria / combustibile, contribuendo quindi ad alterare il processo di combustione (SAE ) Gasolio Biodiesel BIODIESEL : effetti sulle prestazioni

16 BIODIESEL : effetti sulle prestazioni Considerando l andamento della PME, durante il funzionamento a pieno carico e senza modifiche alla strategia di iniezione (cioè iniettando lo stesso volume di combustibile), il B100 provoca una diminuzione di potenza del 10% circa, poiché la densità leggermente maggiore non compensa il minore potere calorifico. Tuttavia, le rilevazioni a carico parziale mostrano che, mantenendo la stessa dosatura relativa, è possibile ottenere la stessa potenza con gasolio o biodiesel (come era prevedibile, poiché il rapporto Hi/(A/F) st è quasi identico per i due carburanti) (SAE ) BIODIESEL : effetti sulle prestazioni Il minor potere calorifico del biodiesel è anche responsabile del maggior consumo specifico: le variazioni sono del 12-15%. Tuttavia bisogna tener presente che, considerando il consumo specifico riferito al volume (cioè da un punto di vista più vicino a quello del consumatore), l incremento di consumo specifico si riduce al 5-9%. L efficienza del motore puo risultare leggermente maggiore quando è alimentato con biodiesel. (SAE )

17 BIODIESEL : effetti sulle emissioni Il biodiesel riduce le emissioni di CO e HC. L entità di questa riduzione è tuttavia variabile: alcuni studi riportano una riduzione del 40% delle emissioni di CO e l eliminazione pressocchè totale di emissioni di HC con l uso di biodiesel puro. L impiego di biodiesel puo tuttavia portare ad una riduzione delle temperature allo scarico con riduzione dell efficienza del catalizzatore ossidante. Le emissioni di NO x aumentano con l uso del biodiesel, generalmente di più del 10%. Il biodiesel riduce le emissioni di soot, mentre aumenta la frazione SOF, col risultato di una diminuzione visibile della fumosità. Gli effetti del biodiesel sul particolato totale (TPM) dipendono dalla composizione del particolato generata dal motore. Numerosi studi mostrano una riduzione del TPM con il biodiesel, in alcuni casi fino al 25-50%. Alcuni autori, tuttavia, hanno rilevato un incremento nella formazione di TPM. L eventuale aumento del TPM è dovuto all aumento della frazione di SOF. Poichè il biodiesel non contiene zolfo, le emissioni di solfati sono molto contenute. BIODIESEL Influenza del biodiesel sulle emissioni di motori Heavy-Duty U.S. FTP transient test, motori USA con tecnologia pre-1998

18 BIODIESEL : effetti sulle emissioni Fumosità L uso di B100 provoca una riduzione della fumosità di 6 volte a pieno carico, e di 3 volte ai carichi medio-bassi, a 2500 RPM. A 4000 RPM, si ha una riduzione di circa 3 volte. Inoltre, si può notare che la miscela B50 permette una riduzione della fumosità di circa 2 volte ai carichi medio-bassi, per cui si può affermare che miscele con ridotto contenuto di biodiesel possono ridurre significativamente la fumosità. (SAE ) BIODIESEL : effetti sulle emissioni

19 AGENDA: 1. INTRODUZIONE: FONTI RINNOVABILI, EFFETTO SERRA, NORMATIVE 2. RICHIAMI SULLA COMBUSTIONE NEI MOTORI E SULLE CARATTERISTICHE DEI COMBUSTIBILI 3. BIO-ETANOLO 4. BIODIESEL 5. CONCLUSIONI E PROSPETTIVE FUTURE 37 CONCLUSIONI Per i biocombustibili di prima generazione esiste un limite oltre il quale non si possono produrre abbastanza biocarburanti senza minacciare la disponibilità di cibo e la biodiversità. Inoltre, il loro costo non è competitivo rispetto ai combustibili fossili esistenti, e alcuni producono miglioramenti molto limitati per quanto riguarda le emissioni di gas serra. Tenendo conto delle emissioni collegate al trasporto e alla produzione, le emissioni totali derivanti dall uso di biocombustibili spesso superano le emissioni derivanti dai combustibili tradizionali. I biocombustibili di seconda generazione possono aiutare a risolvere questi problemi, e possono coprire una maggiore porzione del fabbisogno di combustibile in modo sostenibile, competitivo, e con maggiori benefici per l ambiente. L obiettivo dei biocombustibili di seconda generazione è quello di aumentare la quantità di biocombustibile che può essere prodotta in modo sostenibile, utilizzando biomasse composte dagli scarti delle coltivazioni, e da coltivazioni non utilizzate per la produzione di cibo, come graminacee o cereali poco produttivi. In futuro, potrebbe essere disponibile carburante liquido bio-sintetico, prodotto tramite il processo Fischer-Tropsch, noto come BTL (Biomass-To-Liquid). (Fonte 38

20 CONCLUSIONI 39