Biocombustibile: valorizzazione energetica delle colture oleaginose. Roberto Jodice, Michela Pin C.E.T.A. Centro di Ecologia Teorica ed Applicata

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1 Biocombustibile: valorizzazione energetica delle colture oleaginose Roberto Jodice, Michela Pin C.E.T.A. Centro di Ecologia Teorica ed Applicata

2 Biocarburanti dalle colture oleaginose Oli vegetali puri: : oli prodotti dai semi oleosi mediante pressione o estrazione, greggi o raffinati, ma chimicamente non modificati Combustione diretta per la produzione di energia elettrica e termica (cogenerazione) in motori Diesel Autotrazione nei mezzi agricoli con motori Diesel Biodiesel: : miscela di esteri metilici, ottenuti dagli oli e dai grassi animali e vegetali. Autotrazione in motori a ciclo Diesel

3 Oli vegetali puri: produzione Filiera corta Estrazione meccanica dell olio olio: spremitura a freddo ( C C nella coclea, C C in uscita) in presse a coclea a cilindro forato: la coclea spreme i semi in direzione della testa l olio esce dai fori del cilindro capacità fino a 100 kg/h in presse a coclea a colatoio: la coclea a diametro e pressione crescenti in direzione della testa l olio esce dalle piastre del colatoio capacità: : kg/h

4 Pulitura dell olio Contaminanti: particelle in sospensione Pulizia primaria: sedimentazione gravimetrica in continuo in serie filtri a pressa ed a piastre (per capacità oltre 50 kg di seme/h) iniezione dell olio mediante pompa filtrazione mediante tessuto

5 Filtrazione di sicurezza: filtro a candela: filtro in tessuto di fibra naturale (cotone) o sintetica (polipropilene) porosità > 1µm1

6 Resa: 30 % in peso per semi con materia grassa >20 % in peso (colza, girasole) Sottoprodotto: panello grasso contenuto residuo in olio: % in peso applicazioni in zootecnia

7 CASO 1: impianto aziendale Pressa a freddo: a coclea a cilindro forato Sistema di filtrazione: filtri a piastre e pompa Filtri di sicurezza: filtri a candela (cartucce da 1 µm) Produzione di panello pellettizzato Supporto statico Quadri di comando

8 Funzionamento in continuo Capacità: kg/h Olio contenuto nei semi: % Umidità dei semi: 5-7 % Capacità olio: kg/h Olio nei residui: % Potenza installata: 5,5 kw Costo indicativo impianto:

9 CASO 2: impianto aziendale Presse continua a freddo: a coclea a cilindro forato Sistema di pulizia primaria: sedimentazione in vasche di decantazione in serie Sistema di filtrazione: filtri a piastre Quadro elettrico

10 Funzionamento continuo Capacità: kg/h Olio contenuto nei semi: % Umidità dei semi: 5-7 % Olio nei residui: % Potenza complessiva presse: 40 kw Potenza installata: 60 kw Costo indicativo impianto:

11 CASO 3: impianto industriale Pressa continua a freddo Sistema di filtrazione: filtro verticale autopulente Filtri di sicurezza: filtri a candela (cartucce da 3 µm) Quadro elettrico e di automazione

12 Funzionamento continuo Capacità: kg/h Olio contenuto nei semi: % Umidità dei semi: 5-7 % Capacità estrazione olio: kg/h Contenuto di olio nel panello: % Potenza pressa: 90 kw Potenza installata: 110 kw Costo indicativo impianto:

13 Filiera medio-lunga Pretrattamento dei semi: pulizia dei semi: : eliminazione dei residui grossolani mediante magneti ed elettrovagli decorticazione: : eliminazione del pericarpo ligno- cellulosico macinazione: : lacerazione delle cellule per favorire la fuoriuscita degli oli dai vacuoli riscaldamento: : aumento della temperatura per favorire la fuoriuscita degli oli dai vacuoli e la separazione dalla matrice proteica condizionamento: : lisi dei vacuoli residui e diffusione dell olio all esterno (condizioni ottimali: C C e umidità 7-10 %)

14 Estrazione chimica dell olio olio: solventi: tricloroetilene, esano, propano, etano, pentano condizioni: temperatura 50 C rapporto con seme:solvente 1:18 tempo di contatto 1 h per colza, 2 h per girasole modalità del contatto: controcorrente per percolazione per gravità (granulometria grossolana), in immersione (farine); in continuo (per t/gg gg) ) o in batch

15 Resa: 41 % in peso Sottoprodotto: farina resa 59 % in peso contenuto in oli: % in peso applicazioni in zootecnia

16 Oli vegetali puri: produzione di energia elettrica Motori con range di potenza molto vario: da 30 kw a diversi MW Filiera corta: kw Filiera medio-lunga lunga: : >1.000 kw Rendimento elettrico elevato: % Rendimento termico elevato: 50 %

17 Sezione di recupero dell energia energia termica Motore a ciclo diesel da 275 kw associato ad alternatore

18 CASO 1 Impianto di spremitura: 100 kg/h Potenza del motore: 50 kw Superficie agricola asservita: ha* Costo di investimento: CASO 2 Impianto di spremitura: kg/h Potenza del motore: due da 900 kw Superficie agricola asservita: ha* Costo indicativo di investimento: 2,36 milioni di euro * Produzione 4 t/ha in zone vocate

19 Punti di forza della filiera energetica Nuova fonte di reddito agricolo Valorizzazione dell energia energia elettrica: interessanti prospettive con il nuovo sistema di incentivazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili previsto con n la recenti novità legislative Valorizzazione dell energia energia termica: interessanti prospettive per la futura modifica dei certificati bianchi, per dare maggiore valore a quelli legati all energia termica da cogenerazione reimpiegata in attività agricole ( certificati( bianchi agricoli ) Valorizzazione del panello proteico uso zootecnico per alimentazione animale (più remunerativo), uso energetico (combustione, gassificazione, biogas), produzione di compost

20 Punti di debolezza della filiera energetica Volatilità dei prezzi delle materie prime Prezzo delle materie prime (prezzi giugno 2008): Semi di oleaginose (prezzo raddoppiato rispetto ad un anno fa); Semi di girasole: /t Semi di colza: /t Olio vegetale (prezzo in forte aumento) Olio di girasole: /t Olio di colza: /t ( Olio di palma: /t /t (CCIAA Verona) /t (prezzo Rotterdam) /t (CCIAA Verona) Panello proteico (prezzo non definito dal mercato ad oggi) Farine di girasole: /t /t (uso zootecnico)

21 Punto di forza: lo scenario normativo per l energia l elettrica dagli oli vegetali puri Decreto Legge del 01/10/2007, n. 159, coordinato con la Legge di conversione del 29/11/2007, n. 222 (decreto collegato alla Legge Finanziaria 2008) Legge 24 dicembre 2007, n. 244 (Legge Finanziaria 2008)

22 Condizioni Intese di filiera o contratto quadro Filiere corte (distanza massima: 70 chilometri) Impianti autorizzati dopo il 31 dicembre 2007 Cumulabili con incentivi pubblici in conto capitale o conto interessi con capitalizzazione anticipata, per contributi non superiori al 40 % (impianti autorizzati tra il 29/4/2006 ed il 31/12/2007) Incentivi Certificati verdi: durata 15 anni 1,8 CV ogni 1 MWhe (Coefficiente moltiplicativo = 1,8) valore: (180 media anno precedente) /MWh = 112,88 /MWh per il 2008 ricavi sommati alla vendita dell energia energia elettrica

23 Incentivi (continua) Tariffa omnicomprensiva: 300 /MWh per impianti di potenza < 1 MW Scambio sul posto (analogo al Conto energia per fonte fotovoltaica): per potenze fino a 200 kw Iter semplificato: è sufficiente la presentazione della dichiarazione di inizio attività (DIA) al Comune

24 Indicazioni di massima sulla sostenibilità economica Con l attuale l regime di incentivo: impianto di potenza 50 kw mediante tariffa omnicomprensiva NON SOSTENIBILE mediante scambio sul posto (ipotesi di 270 /MWh) SOSTENIBILE Impianto di potenza 900 kw 2,36 milioni di mediante tariffa omnicomprensiva - SOSTENIBILE

25 Oli vegetali puri: autotrazione Problema Causa (probabile) Rimedio Avviamento a basse temperature Intasamento e gommaggio dei filtri, linee e iniettori Battito del motore Depositi su iniettori, pistoni e testa. Elevata viscosità,, basso numero di cetano, basso flash point Gomme naturali presenti negli oli. Basso numero di cetano, iniezione non corretta Viscosità elevata, combustione incompleta soprattutto ai carichi parziali Eccessiva usura del Elevata viscosità,, combustione motore incompleta, diluizione dell olio lubrificante Insufficiente lubrificazione Polimerizzazione dell olio lubrificante, del motore formazione di depositi nel circuito e conseguente ostruzione canali Preriscaldamento dell olio Raffinazione dell olio, utilizzo di appositi filtri Preriscaldamento dell olio Preriscaldamento dell olio, utilizzo (se previsto) di gasolio nel fz. ai carichi parziali Preriscaldamento dell olio, utilizzo (se previsto) di gasolio nel fz. ai carichi parziali, Additivi nell olio lubrificante

26 Biodiesel: produzione Estrazione mista degli oli vegetali Fase 1: estrazione meccanica parziale Fino ad un residuo in olio del % in peso Fase 2: estrazione chimica con solventi Resa: 42 % in peso Sottoprodotto: farina disoleata resa 58 % in peso residuo in olio < 1% in peso applicazione in zootecnia

27 Raffinazione degli oli grezzi Chiarificazione: eliminazione dalle particelle solide mediante centrifugazione Chiarificazione: Degommaggio: eliminazione delle gomme (fosfatidi, cere, perossidi, resine, pigmenti) mediante: rigonfiamento in acqua dei fosfatidi trattamento con acido fosforico o citrico Neutralizzazione: eliminazione degli acidi grassi liberi (acidità): fisica ad alta temperatura (< C), sottovuoto (1 mbar) chimica mediante saponificazione con sodio idrossido (60-80 C, pressione atmosferica)

28 Sintesi del biodiesel Transesterificazione Riduzione della viscosità: olio vegetale mm 2 /s biodiesel 6-88 mm 2 /s gasolio 4-77 mm 2 /s) Applicazione principalmente nell autotrazione

29 Soluzioni tecniche per la transesterificazione A temperatura ambiente 20 C, durata 8 h, in batch,, per quantitativi di t/anno, catalizzatore basico (KOH) A temperatura medio-alta 70 C, durata 1 h, in batch o in continuo, per quantitativi fino t/anno, catalizzatore basico (KOH) A temperatura alta 200 C, pressione alta (50 Mpa), in batch o in continuo, catalizzatore acido (H 3 PO 4 ), indicato per oli con alta acidità (1-4 4 %) Al termine della transesterificazione il metanolo è separato dal biodiesel mediante strippaggio sottovuoto, il glicerolo mediante sedimentazione gravimetrica

30 Biodiesel: autotrazione B5: nell UE in miscela al 5 % in volume con il gasolio B : : in Germania in miscela al 20 % in volume con il gasolio B100: : in Germania in purezza (al 100 % in volume), previa predisposizione dei motori: sostituzione delle guarnizioni in gomma con materiali compatibili (rame, acciaio al carbonio, ottone, gomme fluorurate, gomma alto nitrilico, polietilene) più frequente pulizia degli iniettori