Corso sulle filiere agri-energetiche. Vanessa Scrosta SIBE Srl

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1 Filiera olio Corso sulle filiere agri-energetiche Vanessa Scrosta SIBE Srl Piacenza, 19 marzo 2009

2 FILIERA OLIO Colture Oleaginose Verde: Agricoltura Giallo: Industria Raccolta Trasporto - Stoccaggio Produzione di olio Estrazione meccanica e chimica Glicerina Estrazione meccanica Olio in motori e turbine Farine disoleate Produzione Biodiesel Produzione di biodiesel Olio in motori diesel Panello grasso EE ET Mercato Autotrazione Riscaldamento EE ET Zootecnia Locale

3 Olio vegetale filtrato Direttamente in gruppi elettrogeni per la produzione di Energia elettrica e termica Direttamente in caldaie a gasolio per la produzione di calore Per la produzione di biodiesel utilizzabile per autotrazione (EN14214) o riscaldamento (EN14213)

4 La filiera studiata PANELLO SEME OLIO

5 Perché la filiera olio-energia? Limitati investimenti per l acquisizione della tecnologia di produzione dell energia(1-15 energia(1 15 k /kw) Immediatezza applicazione Buone rese energetiche Idoneità per il suo inserimento a livello diffuso sul territorio

6 GIRASOLE (Helianthus annuus L.) Pianta erbacea annuale della famiglia delle Asteracee (Composite), a ciclo primaverile-estivo, viene generalmente condotta in asciutto. È tipicamente considerata coltura da rinnovo, non depauperatrice, cioè capace di lasciare il terreno in buone condizioni a vantaggio della coltura che seguirà. Dalla spremitura dei semi (acheni), raccolti a maturazione completa (umidità del 9-10%), viene ottenuto l olio, ad elevato potere calorifico. AI fini delle produzioni energetiche risultano particolarmente interessanti le varietà alto oleico che sono state selezionate per l elevato contenuto di acido oleico (generalmente superiore al 90% sull olio estratto).

7 Tecnica colturale: - Preparazione del terreno: aratura (~30 cm) e/o ripuntatura, erpicatura, affinamento pre-semina. - Semina: a partire da metà marzo (Italia meridionale) fino a fine marzo (Italia centrale); la semina si fa a righe (70 cm) con seminatrice di precisione con densità compresa tra piante/m² impiegando i circa 5-6 kg di semi/ha. - Concimazione: fosfo-potassica (50-70 kg/ha di P 2 O 5 -K 2 O) in pre-semina; azotata ( kg/ha di urea) alla semina. - Diserbo chimico in pre e/o post-emergenza - Raccolta: a partire dalla metà di agosto (regioni più calde ed annate più secche) fino a metà settembre (regioni più fredde ed annate più umide); la raccolta si fa con le mietitrebbie da frumento opportunamente modificate; le rese di granella oscillano tra le 2 e le 4 t/ha.

8 COLZA (Brassica napus L. var. oleifera) Pianta erbacea annuale della famiglia delle Brassicacee, viene coltivata soprattutto nei paesi del nord Europa ed America. È tipicamente considerata coltura da rinnovo, non depauperatrice, cioè capace di lasciare il terreno in buone condizioni a vantaggio della coltura che seguirà. Dalla spremitura dei semi, raccolti ad umidità del 12-13% (da stoccare però ad umidità inferiore al 10%), viene ottenuto l olio, ad elevato potere calorifico. A seconda della varietà, l olio può avere un elevato tenore di acido erucico, adatto all uso industriale, oppure contenuto nullo dello stesso acido ed essere adatto all alimentazione.

9 Tecnica colturale: - Preparazione del terreno: le dimensione del seme impongono particolare attenzione alla preparazione del letto di semina che prevede un aratura a media profondità (25-30 cm) o lavorazioni minime seguite da un erpicatura. - Semina: a partire dalla metà di settembre fino alla metà di ottobre; la semina si fa a righe (30 cm) con una seminatrice da frumento ad una profondità di mm con densità compresa di piante/m² impiegando circa 6-8 kg di semi/ha. - Concimazione: fosfo-potassica (68-80 kg/ha di P2O5; kg/ha dik2o se il terreno è k-carente), azotata ( kg/ha di urea o nitrato ammonico da somministrare durante l inverno. - Diserbo post-emergenza e trattamenti antiparassitari (meligete) - Raccolta: giugno-luglio, quando i semi sono completamente imbruniti e le silique secche (umidità ottimale della granella intorno al 12%); la raccolta si fa con le mietitrebbie da frumento opportunamente regolata in 2 possibili modi, o su andane o con taglio diretto; le rese di granella oscillano tra le 2,5-3 t/ha con punte fino a 4 t/ha.

10 SOIA (Glicine max L.) Pianta erbacea annuale della famiglia delle Leguminose originaria dell estremo oriente, a ciclo primaverile-estivo, viene generalmente condotta in asciutto. È tipicamente considerata coltura miglioratrice della fertilità, in quanto azotofissatrice. Dalla spremitura dei semi, raccolti a maturazione completa (umidità del 13-14%), viene ottenuto l olio, ad elevato potere calorifico. Le cultivar vengono raggruppate in 13 gruppi di maturazione, da 000 a X, che si differenziano per la lunghezza del ciclo vegetativo. Per il nord Italia normalmente risultano più adatte le varietà appartenenti ai gruppi I e I+ (per secondi raccolti 0+ o I).

11 Tecnica colturale - Preparazione del terreno: aratura piuttosto anticipata (profondità 30 cm) seguita dal lavori di affinamento eseguiti tempestivamente in modo da avere un letto di semina perfettamente livellato e amminutato. Nel caso di coltura intercalare, la lavorazione minima (15-25 cm) dà buoni risultati. - Semina: da metà aprile a metà maggio con seminatrici di precisione, a righe (40-45 cm) ad una profondità di mm in terreni eni piuttosto asciutti e mm inte terreni eni con favorevoli condizioni di umidità, con densità compresa di piante/m² impiegando circa 6-8 kg di semi/ha. - Concimazione: se normalmente nodulata, è in pratica autosufficiente per l'azoto. La concimazione si basa fosforo ( kg/ha) e potassio nel caso di terreni carenti. La concimazione azotata può essere limitata a kg/ha di azoto alla semina. Se la coltura risultasse non nodulata, risulta necessario apportare circa kg/ha di N. - Diserbo pre-semina o in pre-emergenza - Raccolta: da settembre (coltura principale) ad ottobre (coltura intercalare), quando la pianta è quasi completamente defogliata e presenta steli e semi di colore marrone. Si impiegano mietitrebbie da frumento. Le rese ottenibili da una buona coltura vanno da 3,5 a 4,5 t/ha.

12 ..altre colture da olio Brassica carinata: sperimentazione attiva nella provincia di Enna (Progetto FISICA Filiera siciliana per l agreoenergia) Tabacco energetico: sperimentazione promossa dalla Plantechno ( che ha selezionato e brevettato varietà di tabacco per applicazioni energetiche

13 Jatropha Curcas: pianta tropicale; cresce solo in terreni semiaridi, in presenza di scarse precipitazioni; i frutti non sono commestibili; i semi contengono 39% di olio. Palma da olio: originaria dell Africa ma diffusa e coltivata soprattutto nelle zone tropicali (Indonesia, Malesia); condizioni ideali per la crescita: T=24-27 C e ambienti molto umidi.

14 L estrazione Processo necessario a separare le sostanze grasse presenti nelle cellule vegetali dalla matrice proteica Seme Estrazione Olio grezzo Matrice proteica Tecniche di estrazione: - Meccanica per pressione (contenuti di materia grassa oltre il 20%) - Chimica con solventi (per contenuti di materia grassa <20%)

15 Principali fasi dell estrazione Pulizia dei semi dalle eventuali impurità (es: ferro, pietrisco, terra, ecc.) Decorticazione dei semi per eliminare lo strato prottettivo ligneo-cellulosico non contenente olio e proteine Macinazione dei semi per favorire la fuoriuscita dell olio dalle cellule oleifere Riscaldamento per aumentare la velocità di estrazione dell olio Condizionamento per favorire la diffusione dell olio dall interno verso l esterno Estrazione meccanica (spremitura) totale quando la maggior parte dell olio presente viene estratto in un solo passaggio o parziale quando viene estratta una quantità minore di olio ed il residuo viene trattato chimicamente. Estrazione con solventi (processo industriale)

16 Estrazione meccanica -1- Il modello di pressa meccanica considerato è di tipo continuo e separa la fase liquida (olio vegetale) da quella solida (panello). La semplicità di uso e di manutenzione della macchina ne permette l inserimento in numerosi contesti aziendali

17 Estrazione meccanica -2- Alimentazione Trasporto Estrazione 100 kg seme (43% in olio) kg olio (Resa di estrazione = 75%)

18 Estrazione meccanica -3- Bilancio di estrazione

19 Estrazione meccanica -4- Parametri QUANTITATIVI QUALITATIVI Capacità di lavoro Rendimento Produttività Caratterizzazione energetica Temperatura Pressione Qualità del seme Parametro Unità di misura Vl Valore Massa volumica Kg/m³ Viscosità cst 38 PCS MJ/kg 35 Residuo carbonioso % 0,4 Numero di iodio g/100g Ceneri % 0,01 Acqua ppm 700 Acidità totale mg KOH/g 2

20 Trattamenti degli oli vegetali I trattamenti dell olio grezzo sono finalizzati alla rimozione di sostanze presenti sia in sospensione che in soluzione, che possono avere influenza negativa sul suo impiego sia energetico che come materia prima per la produzione del biodiesel: Trattamenti fisici (sedimentazione, filtrazione, centrifugazione) Trattamenti fisico-chimicichimici (degommazione, neutralizzazione, decolorazione, deodorazione): necessitano di impianti industriali

21 Sedimentazione Sebbene l'azione dei sedimentatori sia limitata alla eliminazione dei solidi sedimentabiliessi trovano largo impiego per il fatto cheessendo basati sul principio fisico della eliminazione dei solidi per gravitànon consumano praticamente energia. Sedimentatore discontinuo Sedimentatore continuo

22 Sedimentazione Sistema di separazione pre-filtrazione utilizzato dalla Komaros Agroenergie Srl

23 Filtrazione La filtrazione viene effettuata con una vasta gamma di filtri che offrono soluzione ai numerosi problemi di filtrazione. La differenza di pressione ( p)che determina il passaggio del liquido da filtrare attraverso lo strato filtrantepuò essere realizzata sia applicando una pressione a monte di tale strato (cioè sul liquido in entrata)siacreandounadepressionea valle.

24 Filtrazione La velocità con la quale il liquido passa attraverso il mezzo filtrante dipende inordine crescente: dalla temperatura dalla viscosità e dalla torbidità del fluido da filtrare dal diametro dei pori del mezzo filtrante dalla differenza di pressione ( p) che si stabilisce ai due lati del mezzo filtrante.

25 Filtrazione Un buon mezzo filtrante deve possedere diversi requisiti quali: elevata capacità di trattenere le particelle solide sospese; resistenza minima al passaggio del fluido che l'attraversa; alta resistenza al gradiente di pressione ( p); elevataresistenza esisten all'usura meccanica; nessuna cessione. Asecondadellamodalitàdifunzionamentodelmezzofiltranteedelsistema di ritenzione dei solidi sospesisi possono distinguere due tipi fondamentali di filtrazione: - filtrazione di superficie - filtrazione di profondità

26 Filtrazione Filtrazione di superficie (membrane filtranti) Filtrazione di profondità (cartoni filtranti)

27 Filtrazione Filtro a piastre e tele filtranti utilizzato dalla Komaros Agroenergie Srl

28 Centrifugazione Decantatore centrifugo o decanter

29 Raffinazione Trattamenti chimico-fisici

30 Raffinazione Degommazione: rimozione di circa il 90% delle gomme (un complesso di sostanzeprevalentemente fosfatidima anche altre di natura complessa come fosfolipidilipoproteineesteri fosforilati degli zuccheriglucosidiecc. presenti negli oli) tramite lo sfruttamento della loro idratabilità; il rimanente 10% verrà eliminato durante la eventuale neutralizzazione. La degommazione risulta utile in quanto i fosfolipidi possono assorbire umidità dall'aria aria e formare gomme insolubili nei serbatoinelle tubazioni e nei filtri. Neutralizzazione: eliminazione chimica o fisicasino alla neutralitàdegli acidi grassi liberi che compromettono la qualità dell olio in quanto molto suscettibili all'ossidazione e ad alte temperature formano sali con il metallo e quindi possono danneggiare il motore o i serbatoi di stoccaggio.

31 Raffinazione Schema di un processo di degommazione

32 Raffinazione Schema di un processo di neutralizzazione

33 Caratterizzazione energetica 1 - Per impiegare l olio vegetale come combustibile in motori endotermici si deve tener conto di una serie di caratteristiche chimico-fisiche che ne descrivono il comportamento. Proprietà fisiche Proprietà chimiche Proprietà termiche Viscosità Analisi struttura chimica Temperatura di distillazione Densità Acidità totale Residuo carbonioso Punto di fumo Numero di saponificazione Numero di cetano Punto di solidificazione Numero di iodio Punto di infiammabilità Potere calorifico Intervallo di distillazione Stabilità all'ossidazione Punto di congelamento Contenuto in metalli Indice di rifrazione Contenuto in fosforo Contenuto in cere Essiccatività Limite di filtrabilità Limite di scorrimento Contenuto d'acqua

34 Caratterizzazione energetica 2 - La densità o massa volumica èilrapportotralamassaeil volume da questa occupato in riferimento ad una determinata temperatura. Combustibile Massa volumica a 20 C (kg/dm3) Gasolio 0,820 Olio di Arachide 0,914 Olio di Cocco 0,915 Olio di Colza 0,916 Olio di Cotone 0,915 Olio di Palma 0,919 Olio di Soia 0,916

35 Caratterizzazione energetica 3 - La viscosità è la resistenza di attrito che si deve vincere per far scorrere un fluido lungo una superficie o all interno di un tubo. Esprime la fluidità di un liquido comprendendo sia l attrito tra i diversi strati del fluido che l attrito esercitato tra gli strati esterni del fluido e le pareti del tubo o della superficie che lo accoglie. Si distingue in viscosità assoluta o dinamica e in viscosità cinematica La viscosità cinematica [Stokes (1St=10-4 m 2 /s), cst], viene determinata attraverso il tempo richiesto da un dato quantitativo di liquido per fluire attraverso un tratto prefissato di un tubo capillare mantenuto a una temperatura costante. Combustibile Viscosità cinematica (cst) 20 C 40 C 60 C 80 C Gasolio 5,5 3,0 2,5 Biodiesel di soia 4,5 Soia 67,8 31,8 17,8 10,5 Girasole 77,7 35,7 19,6 12,5 Arachide 88,5 39,6 29,0 12,5 Colza 77,8 37,0 25,7 11,0 Cotone 69,9 35,9 24,8

36 Caratterizzazione energetica 4 - Il potere calorifico è l energia liberata da una sostanza durante la sua combustione. Il potere calorifico superiore (PCS) è quello che considera tutta l energia prodotta dalla combustione e si determina recuperando anche il calore dei gas prodotti dalla combustione, facendoli raffreddare sino a 15 C, in modo da condensare il vapore d acqua contenuto. Nel determinare il potere calorifico inferiore (PCI) invece, il calore dei gas di combustione non viene recuperato, perciò non si considera la frazione di energia impiegata per l evaporazione dell acqua di combustione. La formula per il calcolo del PCI prende in considerazione l idrogeno presente nel combustibile: PCI (MJ/kg) = PCS x H dove H è la massa percentuale dell idrogeno presente.

37 Caratterizzazione energetica 5 - Combustibile PCI (kj/kg) Massa volumica (kg/dm3) PCI volumico (kj/dm3) Gasolio Biodiesel di soia Soia Arachide Colza Cotone

38 Caratterizzazione energetica 4 - Il punto d infiammabilità (Flash Point FP) rappresenta la temperatura minima alla quale i vapori di un combustibile si accendono in presenza di una fiamma. Il valore dipende dalla pressione atmosferica e viene misurato alla pressione standard di 1013 mbar. In genere, gli oli vegetali manifestano un flash point molto più elevato di quello del gasolio, basti pensare che l olio di girasole ha un FP di 274 C mentre il gasolio di 52 C. Data l alta volatilità degli acidi grassi liberi, la loro presenza può abbassare il flash point. Più il flash point è alto più è sicuro lo stoccaggio, il trasporto e la manipolazione. Combustibile Punto di infiammabilità ( C) Gasolio 52 Olio di arachide 271 Olio di Colza 246 Olio di Cotone 234 Olio di girasole 274 Olio di Soia 254

39 Caratterizzazione energetica 5 - Il numero di cetano indica il comportamento di un combustibile all accensione. E un numero proporzionale alla pressione cui è necessario portare la miscela aria-combustibile perché questa si auto accenda. Influenza l avviamento a freddo, la combustione, il gradiente di pressione, la pressione massima e la rumorosità del motore. Si determina misurando il tempo che passa tra l iniezione del combustibile e la sua accensione e da qui si calcola un indice che esprime il suo ritardo. Più è alto il valore del numero di cetano, maggiore è la prontezza del combustibile all accensione, ma valori troppo elevati causano combustione incompleta. Il range ottimale è Il residuo carbonioso misura la presenza di alcuni composti di origine naturale ad alto peso molecolare che ad elevate temperature, come quelle che si sviluppano nella camera di combustione, si decompongono dando origine a residui carboniosi. Per gli oli vegetali la determinazione viene fatta sul prodotto tal quale. La stabilità all ossidazione è legata al grado d insaturazione poiché la presenza di doppi legami promuove reazioni di ossidazione, che portano alla formazione di gomme e polimeri. L ossidazione di un olio vegetale determina un peggioramento delle sue caratteristiche, poiché un olio ossidato tende a formare depositi gommosi nei serbatoi e, in generale, presenta valori di viscosità elevati.

40 Caratterizzazione energetica Il contenuto in fosforo viene determinato in quanto i suoi composti assorbono umidità dall atmosfera e possono portare alla formazione di gomme nei serbatoi, nei condotti di alimentazione e nei filtri. I metalli, in particolare sodio e potassio, possono promuovere fenomeni corrosivi che interessano le zone più calde del motore, dove i loro composti esercitano un azione distruttiva nei confronti dei rivestimenti protettivi. L acidità totalet è relativa alla quantità di acidi grassi liberii presenti nell olio li eci dà informazioni circa l alterabilità dell olio stesso. Un olio con elevata acidità è stato fortemente esposto a processi alterativi come l ossidazione, dovuta al contatto dell olio con l ossigeno atmosferico. Per la determinazione di tale parametro si misurano i mg di KOH necessari per neutralizzare tutti gli acidi grassi liberi presenti in un grammo di olio e si esprime appunto in mg KOH/g olio o in % di acidità totale o in % di acido oleico. Gli oli sono molto più suscettibili all ossidazione rispetto al gasolio, in particolare quello di palma, e se questo da una parte è auspicabile perché risolve i problemi di biodegradabilità, dall altra, ad alte temperature, questi acidi liberi formano sali con il metallo e quindi possono danneggiare il motore e i serbatoi di stoccaggio.

41 Caratterizzazione energetica Normativa tecnica: UNI TS Oli e grassi vegetali e loro sottoprodotti e derivati utilizzati per la produzione di energia. Specifiche e classificazione. Non distingue tra diverse categorie di oli e grassi Raccomandazioni dei costruttori di motori Nuova normativa in fase di redazione (Man, Wartsila, Skl, etc)

42 Caratterizzazione energetica 6 - UNI TS Parametro Glicerina Olio e grasso vegetale Pasta saponosa Oleina e stearina Campionamento UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 ASTM D1298 ASTM D1298 ASTM D1298 ASTM D1298 Densità a 50 C UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 Contenuto di acqua UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO Ceneri UNI EN ISO 6245 UNI EN ISO 6245 Sedimenti ASTM D473 ASTM D473 Sostanza grassa NGD B 4 NGD B4 NG B 4 Glicerolo NGD H 5 Viscosità cinematica a 40 C UNI EN ISO 3104 ASTM D 445 Potere calorifico inferiore ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D 93 ASTM D 93 Punto di infiammabilità UNI EN UNI EN Residuo carbonioso UNI EN ISO UNI EN ISO ASTM D 93 UNI EN ASTM D 93 UNI EN Zolfo ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 Fosforo ASTM D3231 ASTM D3231 Azoto ASTM D4629 ASTM D4629

43 Caratterizzazione energetica 7 - Specifiche come combustibili in generatori di energia termica / elettrica diversi dai motori endotermici con potenza termica nominale istallata > 3 MWt Parametro Glicerina Olio e grasso vegetale Pasta saponosa Oleina e stearina Campionamento UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 Densità a 50 C ASTM D1298 UNI EN ISO 3675 ASTM D1298 UNI EN ISO 3675 ASTM D1298 UNI EN ISO 3675 ASTM D1298 UNI EN ISO 3675 Contenuto di acqua UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO Ceneri UNI EN ISO 6245 UNI EN ISO 6245 Sedimenti ASTM D473 ASTM D473 Sostanza grassa NGD B 4 NGD B4 NG B 4 Glicerolo NGD H 5 Viscosità cinematica a 40 C UNI EN ISO 3104 ASTM D 445 Potere calorifico inferiore ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D 93 ASTM D 93 Punto di infiammabilità UNI EN UNI EN Residuo carbonioso UNI EN ISO UNI EN ISO ASTM D 93 UNI EN ASTM D 93 UNI EN Zolfo ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 Fosforo ASTM D3231 ASTM D3231 Azoto ASTM D4629 ASTM D4629

44 Caratterizzazione energetica 8 - Specifiche come combustibili in motori endotermici per la produzione di energia termica/elettrica con potenza termica nominale complessiva installata > 3 MWt Parametro Glicerina Olio e grasso vegetale Pasta saponosa Oleina e stearina Campionamento UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 UNI EN ISO 5555 ASTM D1298 ASTM D1298 ASTM D1298 ASTM D1298 Densità a 50 C UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 UNI EN ISO 3675 Contenuto di acqua UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO UNI EN ISO Ceneri UNI EN ISO 6245 UNI EN ISO 6245 Sedimenti ASTM D473 ASTM D473 Sostanza grassa NGD B 4 NGD B4 NG B 4 Glicerolo NGD H 5 Viscosità cinematica a 40 C UNI EN ISO 3104 ASTM D 445 Potere calorifico inferiore ASTM D ASTM D ASTM D ASTM D Punto di infiammabilità ASTM D 93 UNI EN ASTM D 93 UNI EN ASTM D 93 UNI EN ASTM D 93 UNI EN Residuo carbonioso UNI EN ISO UNI EN ISO Zolfo ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 ASTM D1552 Fosforo ASTM D3231 ASTM D3231 Azoto ASTM D4629 ASTM D4629

45 Caratterizzazione energetica 9 - Specifiche raccomandate dalla MAN per l olio ad uso energetico

46 Caratterizzazione energetica 10 - Specifiche raccomandate dalla WARTSILA per l olio ad uso energetico

47 Più specifica e dettagliata Nuova normativa (CTI-UNI)