Mirko Morini, Michele Pinelli

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1 Caffè delle Scienze 20 gennaio 2010 Energia ed agricoltura: un connubio possibile? Mirko Morini, Michele Pinelli Dipartimento di Ingegneria Università degli Studi di Ferrara

2 Filiera corta biomassa-energia Una filiera agroenergetica è una serie di fasi che permettono, a partire dalla biomassa, di soddisfare il fabbisogno energetico di uno o più utilizzatori. Queste fasi coinvolgono tre passaggi essenziali: - il reperimento della biomassa, - la sua trasformazione in un vettore energetico (calore o un biocombustile) - il suo utilizzo all interno di un sistema per la conversione di energia Biomassa Trasformazione Produzione di Energia

3 Flussi di energia e prodotti Biomassa Processo di trasformazione Sistema energetico ENERGIA TERMICA ENERGIA ELETTRICA Utilizzatori

4 Filiera corta biomassa-energia Biomassa Processi di trasformazione Sistemi energetici Produzioni agricole e forestali Residui e sotto prodotti da industria agroalimentare e non Combustione diretta Digestione anaerobica (biogas) Motori alternativi a c.i. (ciclo otto, ciclo diesel) Turbine a gas e microturbine a gas Gassificazione (syngas) Cicli a vapore d acqua Colture dedicate Pirolisi (pyrogas) Motori Stirling Estrazione/spremitura (olio vegetale grezzo) Cicli a fluido organico (ORC)

5 Biomasse e biocombustibili La biomassa è una fonte rinnovabile (fonte energetica non fossile) da cui si possono ricavare combustibili (biocombustibili) da utilizzare in sistemi energetici In campo energetico, tutte le sostanze organiche, di origine vegetale o animale da cui sia possibile ricavare energia La parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.

6 Biocombustibili ed energia Non tutti i biocombustibili sono adatti per essere utilizzati nei sistemi per la produzione di energia, sia per motivi economici sia per motivi tecnici Ad esempio, il bioetanolo ed il biodiesel subiscono la concorrenza dell utilizzo per autotrazione e sono quindi, ad oggi, di fatto non considerati per la produzione di energia, se non per applicazioni sperimentali Per questo motivo, questi due combustibili non verranno trattati mentre troveranno spazio altre biocombustibili quali: biomasse solide syngas pyrogas biogas olio vegetale

7 Perché le biomasse? Produzione di energia da fonte energetica rinnovabile; A differenza delle altre fonti rinnovabili (sole e vento) è una tecnologia programmabile e non rappresenta quindi un fattore di criticità per la rete di trasmissione e distribuzione; Riduzione delle emissioni influenti sull'effetto serra; Maggiore attrattività del territorio per l'insediamento di attività produttive e sostegno delle stesse; Possibilità di utilizzare una quota parte dell'energia termica prodotta in ambito locale, con sensibile riduzione dei costi energetici ed aumento dei vantaggi ambientali; Riduzione della dipendenza dalla rete elettrica esterna e maggiore sicurezza della fornitura; Ricadute occupazionali dirette ed indirette (sorveglianza, pulizia, manutenzione ordinaria, raccolta e trasporto della biomassa, ecc).

8 Perché le biomasse in Italia? Presenza di sottoprodotti e residui agricoli, agro-industriali e forestali, stimati in circa 24 milioni di tonnellate in sostanza secca che ogni anno devono essere smaltite in maniera corretta; Eccedenza di superficie agricola destinata a coltivazioni alimentare, da utilizzare per coltivazioni energetiche ed industriali; Terreni agricoli abbandonati, pari a circa 3 milioni di ettari, con alto rischio di desertificazione e di dissesto idrogeologico; Necessità di intervento di manutenzione e riconversione del patrimonio forestale, oltre 8 milioni di ettari tra altofusto e ceduo; Spopolamento e alto tasso di disoccupazione nelle aree montane.

9 Quanta biomassa per l energia? Il potenziale delle diverse fonti di biomasse, espresso in energia primaria i disponibile ibil in Italia, è stimabile in Mtep/anno, così ripartito: 1. Coprodotti, sottoprodotti, residui e scarti Agricoltura e agroindustria 5 Mtep Foreste e industria del legno 4.3 Mtep Verde pubblico urbano 0.3 Mtep Zootecnia Mtep 2. Legna da ardere 2 Mtep 3. Colture dedicate (potenziali) 3-5 Mtep Totale risorse potenziali Mtep Fonte: W. Merzagora, Lo stato dell arte e le prospettive di sviluppo delle biomasse agroforestali per utilizzo energetico, Atti corso di formazione Lo sviluppo delle bioenergie, Milano maggio 2009

10 Colture dedicate Colture Annuali Colza Girasole Mais Bietola Sorgo Kenaf Canapa Olio, biodiesel Biogas, bioetanolo Biogas bioetanolo Combustione diretta, Syngas, Pyrogas, Biogas Colture Poliennali Panico Cardo Canna Miscanto Legnose pioppo, eucalipto cons. miste Combustione diretta, Syngas, Pyrogas, Biogas

11 Residui I residui colturali possono essere paglia, stocchi, residui di potature, semi, erba, etc. I residui agroindustriali possono essere invece la sansa di oliva, la lolla del riso, il panello proteico dei semi oleosi, etc.

12 Biomassa/Processo di trasformazione Residui agroindustriali Produzioni agricole e forestali SECCHI umidità < 30 % UMIDI umidità > 30 % e Digestione anaerobica Combustione diretta Pirolisi Gassificazione e/o Colture dedicate Reflui zootecnici

13 Biomassa/Processo di trasformazione Reflui zootecnici Colture dedicate e/o Fermentazione alcoolica Digestione anaerobica Combustione diretta Pirolisi Gassificazione Spremitura Estrazione Transesterificazione

14 Conversione termochimica COMBUSTIONE DIRETTA Avviene in stufe/caldaie che possono essere di varia potenzialità - da pochi kw a decine di MW. Tecnologia matura, consolidata ed affidabile Legno (tronchetti, pellets, segatura, chips) Residui e prodotti agricoli (paglia, semi, erba, ecc.) Residui agroalimentari (sanse di olive, lolla, panello proteico)

15 Conversione termochimica GASSIFICAZIONE conversione del carbone e/o della biomassa eseguito tramite parziale reazione di ossidazione con aria, ossigeno, vapore o loro miscele a T ~ 1000 C. Si ottiene SYNGAS: CO, CO 2, CH 4 (<10 %), H 2 ], Sottoprodotti: Tar (idrocarburi pesanti), particolato, tracce di ammoniaca (NH 3 ), idrogeno solforato (H 2 S) e acido cloridrico (HCl), ceneri PIROLISI decomposizione termochimica di materiali organici ottenuta tramite applicazione di calore a temperature comprese fra 400 e 1000 C in presenza di una ridottissima quantità od in assenza di ossigeno. Il risultato è la produzione di una mix di tipi diversi di combustibile in rapporto alla temperatura ed al tipo di procedimento seguito - PYROGAS: % - OLIO DI PIROLISI: 5-60% - CHAR: %

16 Conversione biochimica DIGESTIONE ANAEROBICA processo che avviene in assenza di ossigeno e che consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, che produce BIOGAS costituito abitualmente da metano CH 4 (50 60%) e per la restante parte da anidride carbonica CO 2 Come sottoprodotti si ottengono anche: Residui solidi: utilizzati come fertilizzanti (fosforo, potassio, azoto deminerallizzato) Liquido chiarificato: fertirrigazione

17 Conversione meccanico-chimica ESTRAZIONE Processo che può essere meccanico (spremitura, normalmente a pressione), chimico (con un solvente) o una combinazione dei due. Si ottiene OLIO VEGETALE grezzo che spesso è seguito da una raffinazione, che consiste nella rimozione di sostanze estranee Come sottoprodotti si ottengono anche: Panello proteico (estrazione meccanica): residui del seme dopo la spremitura. Ha ancora buon contenuto energetico e può essere ancora bruciato colture oleifere dedicate (colza, girasole, soia) olii fritti e grassi animali di scarto Girasole Soia Colza Palma

18 Tecnologie a combustione esterna Cicli a vapore Motori Stirling Cicli Rankine a fluido Organico (ORC) Separa l impianto di combustione dal motore primo Consente la combustione di combustibili di varia origine Controllo spinto delle emissioni allo scarico Stirling e ORC in fase di consolidamento Ciclo vapore Stirling Ciclo ORC

19 Tecnologie a combustione interna Motori alternativi a combustione interna Turbineagasemicroturbineagas e a Il combustibile è iniettato direttamente all interno del motore primo Necessità di avere combustibili puliti Tecnologie consolidate Maggiore rendimento aria MCI combustibile MTG

20 Biocombustibile-Sistema energetico Biogas Turbogas o MGT Motore alternativi a c.i. Biomassa solida Syngas Cicli a vapore o a fluido organico Pyrogas Olio da pirolisi Motore Stirling Olio vegetale

21 Un esempio Energia elettrica producibile per ogni ettaro coltivato a mais Mais Granella Biogas Etanolo Olio Combustione diretta MTG DEFC MCI 9 MWh/ha 16 MWh/ha 12 MWh/ha 1 MWh/ha Co-combustione MCI MCI 20 MWh/ha 18 MWh/ha 8 MWh/ha

22 Un esempio Energia elettrica producibile per ogni ettaro coltivato a mais Mais Granella Lo stesso ettaro utilizzato per produrre mais ad uso alimentare avrebbe soddisfatto il fabbisogno di 40 persone. Co-combustione 20 MWh/ha Si soddisfa il bisogno di energia elettrica di circa 16 persone.

23 Un esempio Energia elettrica producibile per ogni ettaro coltivato a mais Mais Granella Lo stesso ettaro utilizzato per produrre mais ad uso alimentare avrebbe soddisfatto il fabbisogno di 40 persone. Co-combustione 20 MWh/ha Si soddisfa il bisogno di energia elettrica di circa 16 persone.

24 Un esempio Energia elettrica producibile per ogni ettaro coltivato a mais Mais Stocco Combustione diretta 5 MWh/ha Si soddisfa contemporaneamente il fabbisogno di energia elettrica di circa 4 persone e il fabbisogno alimentare di 40

25 Sostenibilità economica La direzione intrapresa dagli Stati Uniti verso la sostituzione della benzina con l etanolo ha provocato un incremento di quasi 100 % del prezzo del mais, con effetti più marcati sulle fasce povere (prezzo della tortilla aumentato circa del 60 %) $/Bushel Fonte: San Francisco Chronicle

26 Sostenibilità economica Nell isola di Haiti l aumento di riso, grano e mais di oltre il 50 % dovuto alla concorrenza dei biocombustibili da colture dedicate ha provocato disordini nell aprile del 2008, con almeno 5 morti, e la caduta del governo. Lo stesso è successo nelle settimane scorse in Madagascar, dove, tra le altre malefatte, il governo, scalzato dai rivoltosi, nel luglio del 2008 aveva ceduto, quasi gratuitamente, in concessione per 99 anni circa ha (un terzo della superficie arabile del paese) alla multinazionale sudcoreana Daewoo. Il terreno sarebbe stato utilizzato per la coltivazione di mais e palma a fini energetici.

27 Sostenibilità ambientale

28 Sostenibilità ambientale H.L. MacLean, L.B. Lave, 2003, Prog. En. Comb. Science, 29, pp. 1 69

29 Sostenibilità ambientale L utilizzo dei biocombustibili deve essere visto come un investimento: per ripagare il debito di CO 2 dovuto alla deforestazione per creare superficie coltivabile possono essere necessarie anche centinaia di anni. Joseph Fargione et al., 2008, Land Clearing and the Biofuel Carbon Debt, Science, 319, pp

30 La nostra attività di ricerca

31 LISEA Laboratorio per l Innovazione industriale e la Sostenibilità Energetico - Ambientale In collaborazione con il DEIAGRA ed il DIEM dell Università degli Studi di Bologna ci occupiamo dello sviluppo di modelli per la simulazione dell intera filiera agroenergetica al fine di ottenere uno strumento che possa indirizzare le scelte necessarie per individuare le migliori configurazioni impiantistiche rispetto allo specifico contesto ed effettuarne in seguito una gestione efficiente. PC PR Input energetici (MJ/ha) - Girasole Alto input RE MO BO RA FE FC RM

32 Parcagri Parco Scientifico per le Tecnologie Agroindustriali Soc. Cons. a r.l. Progetto sulla produzione di biomasse per l energia. Produzione di energia da oli vegetali con microturbina a gas. Realizzazione di un impianto pilota (coltivazione spremitura olio microturbina). Colture dedicate Olio vegetale Microturbina CHP

33 PRIN Analisi termofluidodinamica computazionale della combustione Progetto di Rilevante Interesse Nazionale dell Università di Perugia insieme alle Università di Bologna, Ferrara, Trieste: impianto sperimentale per la produzione di energia mediante pirolisi di biomasse e combustione del pyrogas in microturbina.

34 Accordo di Programma MSE-CNR Collaborazione con il CNR Dipartimento Energia e Trasporti (DET) nell ambito del Progetto: Valutazione ed utilizzazione dei biocombustibili ottenuti da residui o scarti agricoli di scarso valore intrinseco e di alghe per l applicazione in impianti di cogenerazione basati su microturbine L obiettivo della nostra attività è l analisi tramite simulazioni numeriche tridimensionali del processo di combustione nella microturbina a gas Turbec T100 alimentata da combustibili a basso potere calorifico ottenuti da processi di trasformazione di biomasse (biogas, syngas, pyrogas).

35 Il corso Co-generazione distribuita da biomasse

36 Corso di alta formazione

37 Grazie per l attenzione. DOMANDE? Mirko Morini Michele Pinelli mirko.morini@unife.it michele.pinelli@unife.it