La produzione industriale di bioetanolo: Tecnologie attuali e prospettive future

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1 Il ruolo e le prospettive delle bioenergie in Italia Fiera Verona - 24 ottobre 2007 La produzione industriale di bioetanolo: Tecnologie attuali e prospettive future Fabrizio Bezzo Dip. di Principi e Impianti di Ingegneria Chimica Università degli Studi di Padova info: fabrizio.bezzo@unipd.it

2 Sommario Lo scenario mondiale Tecnologie di produzione I generazione II generazione Sfide e opportunità

3 La situazione attuale Europa 30% del consumo totale di energia nell Unione Europea deriva dal settore trasporti 98% dell energia utilizzata nella UE nel trasporto deriva da fonti fossili (a livello mondiale il 96% dei carburanti per trasporto deriva dal petrolio) Le risorse petrolifere sono finite e sono concentrate in poche aree del pianeta La UE chiede di incrementare la quota delle energie rinnovabili da 5.4% nel 1997 al 12% nel 2010 direttiva 2003/30/CE: sostituzione di diesel e benzina del 5.75% entro il 2010 Presidenza UE 2007: sostituzione di diesel e benzina del 10% entro 2020

4 Il contesto politico Italia In termini di potere calorifico: 1 L EtH = 0.6 L benzina 1 kg EtH = 0.65 kg benzina Art. 2 - quater. del D.L. n. 2 del 10 Gennaio 2006 convertito lo 11 marzo 2006 nella Legge n. 81/2006: 1. Dal 1º luglio 2006 i produttori di carburanti (diesel/benzina) devono immettere al consumo biocarburanti di origine agricola oggetto di un intesa di filiera, o di un contratto quadro, o di un contratto di programma agroenergetico in misura pari all 1 per cento dei carburanti diesel e della benzina immessi al consumo nell anno precedente. Tale percentuale, espressa in potere calorifico inferiore, è incrementata di un punto per ogni anno, fino al Per il conseguimento degli obiettivi di cui all art. 3 del D.L. 30/05/05 n. 128, e per favorire lo sviluppo della filiera agroenergetica, è incentivata la produzione e la commercializzazione di bioetanolo, per un periodo di sei anni a partire dal 1º gennaio Previsioni per domanda di biocarburanti in Italia: 500mila t nel milioni di t nel 2010

5 Carburanti non sono tutti uguali diesel olio di colza coke etanolo pellet

6 Produzione di bioetanolo Mondo Nel mondo nel 2006 sono stati prodotti 40 milioni di ton di bioetanolo (e 1.2 miliardi di ton di benzina!) Brasile per 25 anni il leader mondiale: E95 (etanolo azeotropico) e E25 (25% etanolo, 75% benzina); nel 2006 produce circa 14 milioni di ton USA dal 2005 primo produttore mondiale: da 4 milioni di ton nel 1996 a quasi 15 milioni di ton nel 2006 Cina: nel milioni di ton Europa: nel 2006 circa 2.5 milioni di ton mercato di biocombustibili nella EU 25 nel 2004 ammontano allo 0.7% del mercato

7 La situazione americana 131 impianti + 73 in costruzione (ttobre 2007)

8 La situazione americana Capacità potenziale dei 194 impianti: 36 Mt 8 obiettivo 2012 probabilmente raggiunto entro il 2008 >25% del mais americano finisce in etanolo Miliardi di galloni consumo benzina 2005: 350 Mt 4.9 bgal in 2006 >14.7 Mt (18500 ML) capacità: 17 Mt 3.9 bgal prodotto in 2005 proiezione 2007 Actual '00 '02 '04 '06 '08 '10 '12 New RFS Source: Renewable Fuel Association Year

9 La situazione europea 2006 Circa 2.5 Mt/anno di bioetanolo Francia: 750mila t Germania: 600mila t Spagna: 350mila t Polonia: 200mila t Italia: 120mila t, ma essenzialmente collegato a industria vinicola nessun impianto rilevante da mais o frumento

10 Tecnologie per biocarburanti Tecnologie di prima generazione bioetanolo materie prime: piante zuccherine e cereali processo: idrolisi e fermentazione biodiesel materia prima: piante oleaginose processo: pressatura e transesterificazione biogas materia prima: biomassa umida processo: digestione

11 Il bioetanolo Il processo attuale canna da zucchero, mais, frumento, orzo, barbabietola Piante zuccherine Processo biologico Etanolo Resa tipica: 1 kg mais 0.31 kg (0.4 L) etanolo ( kg mangimi animali)

12 Il bioetanolo Il processo attuale riciclo H 2 Fermentazione birra Distillazione solidi e H 2 Evaporazione farina grezza etanolo >92% mais Macina Disidratazione Essiccamento etanolo >99% mangimi

13 Il bioetanolo Il processo attuale fase fase 1: 1: gelatinizzazione (cooking) e liquefazione: idrolisi idrolisi dell amido a destrine fase fase 2: 2: saccarificazione riciclo H 2 e fermentazione (birra (birra contiene 9-12% 9-12% EtH EtHin in peso) peso) solidi birra e H 2 Fermentazione Distillazione Evaporazione farina grezza etanolo >92% mais Macina Disidratazione Essiccamento etanolo >99% mangimi

14 Il bioetanolo Il processo attuale Fermentazione birra distillazione: stripping dell alcol, riciclo rettifica H 2 (3-5 colonne, più piùlivelli di di pressione) solidi e H 2 Distillazione Evaporazione farina grezza etanolo >92% mais Macina Disidratazione Essiccamento consumo etanolo >99% vapore: kg/l kg/l EtH consumo H 2 : 2 : ~3 ~3 L/L L/L EtH mangimi

15 Il bioetanolo Analisi economica (Italia) Costo produzione (mais a 200 /t): 0.53 /L (25.0 /GJ) con greggio 90 $/barile, costo produzione benzina: 25.0 /GJ costo materia prima: 65% costo di produzione Indici di redditività (prezzo di vendita etanolo 0.58 /L; DDGS 300 /ton): payback: 5 anni IRR: 28% RI: 0.44 Se si utilizza frumento il costo di produzione oggi è pari a circa 0.59 /L (27.5 /GJ)

16 Il progetto di Porto Marghera Triera S.p.A. Caratteristiche dell Impianto Capacità di produzione: t/anno Materia prima impiegata: t/anno Superficie da interessare a contratti di filiera: ha Superficie impianto: 6,5 ha Investimento: 100 milioni Fattori critici Prossimità alla Materia Prima Prossimità al Mercato di Consumo (Raffinerie + Flotte Pubbliche) Efficienza Logistica Integrazione con impianto Grandi Molini Italiani

17 Tecnologie per biocarburanti Il bioetanolo: problematiche (I) Elevato consumo d acqua e fertilizzanti Food for Fuel Difficile integrazione con attuale sistema logistico per benzina e diesel non adatto per trasporto su attuali pipelines per carburanti da petrolio (problemi di corrosione) nel blend possibili problemi di smiscelazione con benzina difficile controllo qualità

18 Tecnologie per biocarburanti Il bioetanolo: problematiche (II) Capacità di produzione limitata ton/ha --> GJ/ha ( km/ha) meglio del biodiesel: ton/ha --> GJ/ha (ma motore diesel è più efficiente: km/ha) studio miscele etanolo-diesel (E-diesel) sostituzione carburanti fossili max 6-8% Tuttavia, vi sono molti fattori ancora di difficile interpretazione: crescita popolazione mondiale crescita della domanda di proteine di origine animale cambiamenti climatici produttività per ettaro

19 Produttività del mais Nel 2008 si completa la mappatura del genoma del mais! Andamento delle produzioni medie (kg/ha) in Italia dal 1860 al 2004

20 Tecnologie per biocarburanti Seconda generazione Biocarburanti da biomassa (lignocellulosa) bioetanolo carburanti di sintesi (bio)diesel bioidrogeno

21 Bioetanolo Processi di seconda generazione Etanolo da lignocellulosa: processo biologico pretrattamento per il rilascio della cellulosa (formata di glucosio) e dell emicellulosa (xilosio) fermentazione a etanolo di glucosio e xilosio distillazione dell etanolo trattamento/combustione dei solidi residui e del black liquor (produzione di energia) Etanolo da lignocellulosa: processo termochimico gassificazione della biomassa per l ottenimento di singas (H 2 e C) fermentazione a etanolo del singas produzione energia elettrica

22 Disponibilità di risorse Risorse principali sono di tipo agricolo o forestale (più alcune risorse secondarie: scarti di industrie agroalimentari o di trasformazione del legno, rifiuti organici) La biomassa disponibile per EU 28 nel 2010 supera potenzialmente le 180 Mt (escluse importazioni) Produzione Biocarburanti Stima inferiore: 97 Mt 27% Stima superiore: 174 Mt 48% Fonte: EURSTAT (2004)

23 Bioetanolo Seconda generazione H 3 C H CH 3 H 3 C H fenoli xilosio (C5) LIGNINA EMICELLULSA CELLULSA glucosio e fruttosio (C6) CH 3 CH 3 H CH H 3 H CH 3 H H H H H H H H H H H H CH 3 H 3 C H CH 3 H H H H H CH CH 3 3 H H H CH H H 3 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H 3 C H H H H H CH 3 H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H H

24 Processo biologico Schema generale esistono diverse diverse opzioni opzioni tecniche per per ogni ogni step step raccolta Rimozione e lignina trasporto esistono lignina + molte idrolisi molte idrolisi possibili emicellulosa liberazione interazioni di di cellulosa tra tra gli e gli step zuccheri step semplici C5 C5 trattamento acido acido trattamento alcalino alcalino steamexplosion produzione di pre-processing acido acido catalizzata catalizzata energia con con ammoniaca ammoniaca distillazione e disidratazione idrolisi enzimatica pretrattamento condizionamento fermentazione zuccheri (C5, C6)

25 Processo biologico Fermentazione PRE-TRATTAMENT saccarificazione cellulosa fermentazione C6 RECUPER ETANL fermentazione C5 SHF (Sequential Hydrolysis & Fermentation)

26 Processo biologico Fermentazione PRE-TRATTAMENT saccarificazione cellulosa fermentazione C5 e C6 RECUPER ETANL SHF (Sequential Hydrolysis & Fermentation)

27 Processo biologico Fermentazione PRE-TRATTAMENT saccarificazione cellulosa & fermentazione C6 RECUPER ETANL fermentazione C5 SSF (Simultaneous Saccharification & Fermentation)

28 Processo biologico Fermentazione PRE-TRATTAMENT saccarificazione cellulosa & fermentazione C5 e C6 RECUPER ETANL SSCF (Simultaneous Saccharification & Co-Fermentation)

29 Processo biologico Bilanci e analisi economica 30-40mila m 3 per fermentazione per 100mila t/a di EtH (contro 8-12mila m 3 per prima generazione) Produttività: 0.31 L EtH / kg legno secco per 100mila t/a EtH si devono processare 400mila t/a legno secco Energia elettrica: 250 MJ/t legno secco impianto da 100mila t/a EtH produce anche 3.5 MW di energia elettrica Analisi finanziaria payback in 10 anni: si deve vendere a 0.68 /L (equivalenza con benzina per greggio a 100 $/bbl); IRR 8%, RI 20.5% payback in 5 anni: si deve vendere 0.80 /L (equivalenza con benzina per greggio a 110 $/bbl); IRR 11%, RI 32%

30 Il futuro La bioraffineria carburanti liquidi raffineria secondaria processi termochimici gas & idrogeno biomassa agricola rifiuti organici scarti industriali organici biomassa marina raffineria primaria estrazione & purificazione produzione energia & calore materiali raffineria secondaria processi biologici prodotti biochimici calore & elettricità

31 La bioraffineria Uno schema generale BIMASSA Zuccheri semplici fermentazione RACCLTA SEPARAZINE E PRETRATTAMENT Polisaccaridi Amido Cellulosa Emicellulosa Idrolisi Fermentazione Alcoli Etanolo Butanolo Via Biochimica Lignina Idrocarburi ciclici Lipidi FAME PRCESSI TERMICI Alcani lineari Via Termochimica li di Pirolisi Idrocarburi Syngas Alcoli, carburanti FT

32 Conclusioni Dati di fatto e opportunità Esiste oggi in Italia un mercato di grandi dimensioni per i biocarburanti (biodiesel ed etanolo) Esiste un tecnologia matura per la produzione di biocarburanti pportunità per l agricoltura e il territorio di recuperare un ruolo centrale nello sviluppo sostenibile pportunità per consentire la riconversione e profittabilità di industrie e produzioni in crisi pportunità per recuperare e sviluppare competenze tecnologiche distintive

33 Conclusioni Sfide per il presente e il futuro Sia le tecnologie attuali che, soprattutto, quelle future richiedono: know-how tecnologico integrazione di competenze e ruoli servono ponti tecnologici tra produzione primaria e industria di trasformazione analisi su costi e integrazione di territorio, produzione, logistica definizione di rete logistica grande scala e cooperazione pportunità non soluzione unica né per l energia né per l agricoltura

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