LE COLTURE PER L ENERGIA

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1 AERA: ASSOCIAZIONE EUROPEA ROTARY PER L AMBIENTE FAST EVOLUZIONE DEL CLIMA. COSA SI PUO REALMENTE FARE LE COLTURE PER L ENERGIA PROF. TOMMASO MAGGIORE ORD. DI AGRONOMIA GENERALE E COLTIVAZIONI ERBACEE DI.PRO.VE UNIVERSITA DEGLI STUDI MILANO

2 Dal Corriere della sera 21 marzo 2007

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5 PROCESSI PER LA CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE COMBUSTIONE GASSIFICAZIONE PIROLISI IDROLISI DIGESTIONE ANAEROBICA ESTRAZIONE DI OLI (E ESTERIFICAZIONE) FERMENTAZIONE ALCOLICA

6 BIOMASSE Composti organici derivanti direttamente (vegetali) o indirettamente (animali) dalla fotosintesi e che sono rinnovabili nel medio periodo. Sottoprodotti agricoli, forestali e industriali Frazione organica di rifiuti urbani Deiezioni animali Colture dedicate da olio : es. colza, girasole, cartamo,ecc. nel mondo : 40 in Italia: 20 da amido : es. cereali. da zucchero : es. bietola, sorgo z., topinambur. da legno e cellulosa poliannuali e annuali vegetali per digestione anaerobica

7 BIOCARBURANTI ELETTRICITA TRAZIONE CALORE BIOGAS GAS DA PILORISI LEGNO BIODIESEL ETANOLO OLIO BIODIESEL OLIO ETANOLO 200 GJ/ha/anno LEGNO* GRANELLE 500 GJ/ha/anno CERTIFICATI VERDI ACCISE * Materiali ligneo-cellulosici

8 BIOCARBURANTI TRAZIONE - COMBUSTIONE Colza FAME OLIO BIODIESEL Colture di oleaginose Girasole Soia Arachide ETBE ETANOLO Materiali lignocellulosici Colture *Cerealicole *Saccarifere mais frumento sorgo Canna da zucchero Bietola Sorgo zuccherino

9 COLTURE PER BIODIESEL

10 POTENZIALI PRODUTTIVI granella dt ha -1 olio dt ha -1 granella dt ha -1 olio dt ha -1 granella dt ha -1 olio 7-8 dt ha -1

11 1900 RUDOLF DIESEL ESPOSIZIONE UNIVERSALE DI PARIGI USO COME CARBURANTE L OLIO DI SEMI DI ARACHIDE LIMITI PER L USO TAL QUALE: ALTA VISCOSITA (10 VOLTE SUPERIORE A QUELLA DEL GASOLIO) CON CONSEGUENTE: INSUFFICIENTE ATOMIZZAZIONE; COMBUSTIONE INCOMPLETA, DEPOSIZIONE DI PARTICELLE CARBONIOSE SUGLI INIETTORI, CARBONIZZAZIONE DELLE FASCIE ELASTICHE, TRAFILAMENTO DEL CARBURANTE NELL OLIO LUBRIFICANTE

12 ALTA VISCOSITA SOLUZIONI PER RISOLVERE IL PROBLEMA NEGLI ANNI 70: DILUIZIONE CON GASOLIO (NON USATO) MICROEMULSIONE CON ALCOOL A CATENA CORTA (NON USATO) PIROLISI O CRACKING (NON USATO) TRANSESTERIFICAZIONE DELL OLIO VEGETALE CON ALCOLI PER OTTENERE ESTERI DEGLI AC. GRASSI

13 TRANSESTERIFICAZIONE DELL OLIO VEGETALE CON ALCOLI PER OTTENERE ESTERI DEGLI AC. GRASSI: REAZIONE TRA OLIO VEGETALE E ALCOOL (METANOLO) IN PRESENZA DI UN CATALLIZZATORE ( IDROSSIDO DI SODIO O DI POTASSIO) Il primo prodotto fu realizzato nel 1937 in Belgio (esteri etilici dell olio di palma) TRIGLICERIDE + 3ROH 3R CO2R + GLICERINA DIGLICERIDE MONOGLICERIDE - GLICERINA

14 BIODIESEL ( CINA 1988) In Europa i primi impianti sono stati realizzati nel 1990 per utilizzare i surplus e anche le produzioni non food Per questi impianti si sono utilizzati catalizzatori alcalini (che richiedono però oli raffinati e privi di acidi grassi pena la formazione di saponi) Si potrebbero usare catalizzatori acidi (ac. solforico o cloridrico), ma la reazione comporta alte temperature e tempi più lunghi, consentendo però di impiegare oli ad alta acidità e alcoli non anidri.

15 Oli maggiormente usati: di colza e di girasole Bilancio di reazione: 1000 kg di olio raffinato kg di metanolo = 1000 kg di biodiesel kg di glicerina Bilancio di massa 1 ha girasole 2,6 t di acheni 1 t olio raffinato 1 t di biodiesel

16 Caratteristiche del biodiesel Il biodiesel può essere impiegato tal quale nei motori tradizionali. * VISCOSITA : > di rispetto al gasolio (svantaggio in quanto alcune pompe ad iniezione non funzionano bene) * PESO SPECIFICO : > a quello del gasolio * POTERE CALORIFICO : < 4-6% del gasolio * PUNTO DI INTORBIDAMENTO E SCORRIMENTO: l olio di colza è, a questo riguardo, il migliore per i biodiesel. * PUNTO DI INFIAMMABILITA : > del gasolio (> sicurezza nel trasporto e stoccaggio) * ZOLFO : assenza * LUBRICITA : biodiesel aggiunto al gasolio riduce l usura del motore e del sistema di iniezione * BIODEGRADABILITA : in 28 dd l 89% dio biodiesel è Trasformato in CO2 (gasolio : 18%) * TOSSICITA : il biodiesel non è tossico (una soluzione al 4% di sapone è molto più irritante

17 BIODIESEL E AMBINTE Biodiesel e gas serra: riduzione dei gas serra (aspettativa di Kyoto) Assenza di composti solforati immessi nell ambiente Riduzione degli idrocarburi incombusti, CO 2, monossido di carbonio e particolato. Energia rinnovabile. PROBLEMATICA DEL PREZZO : Produrre biodiesel è più costoso che produrre gasolio. Solo togliendo la tassa il prezzo finale si equivale!

18 BIODIESEL IN ITALIA Impianti per la produzione per complessivi t 80% da colza 20% da girasole Contingente annuo defiscalizzato: da filiera nazionale (?); da importazione 90% della produzione è destinata all autotrazione 10% al riscaldamento La restante produzione è esportata in Europa (Germania)

19 Produzione (dt/ha)) Macchine Azie ndali (ore ha -1 ) 9 9 Manodopera COLZA Parametri Tecnici (ore ha -1 ) Conto colturale. Colza ha -1 dt -1 Ricavi Prodotti ,0 Contributi 411 Costi specifici 660 * mezzi tecnici 210 * assicurazione 20 * noleggi 210 * macchine az. 120 * manodopera 100 % Margine netto: -19/+86; + 45 Margine lordo Costi comuni Margine netto ;+86

20 Produzione (dt/ha)) Macchine Azie ndali (ore ha -1 ) Manodopera GIRASOLE Parametri Tecnici (ore ha -1 ) Margine netto: -109 / -4; +45 Irrigazione? Conto colturale. Girasole ha -1 dt -1 Ricavi Prodotti ,0 Contributi 411 Costi specifici 750 * mezzi tecnici 240 * assicurazione 30 * noleggi 250 * macchine az. 130 * manodopera 100 Margine lordo Costi comuni 400 Margine netto -109;-4 %

21 Produzione (dt/ha)) Macchine Azie ndali (ore ha -1 ) Manodopera Soia Parametri Tecnici (ore ha -1 ) Conto colturale. SOIA ha -1 dt -1 Ricavi Prodotti ,5 Contributi 411 Costi specifici 885 * mezzi tecnici 320 * assicurazione 30 * noleggi 285 * macchine az. 150 * manodopera 100 % Margine netto: -121/ Irrigazione? Margine lordo Costi comuni Margine netto ;+14

22 Bilancio energetico del Biodiesel [GJ/ ha] Energia per produrlo Energia ricavata dal Biodiesel Energia ricavata dai sottoprodotti

23 COLTURE PER LA PRODUZIONE DI BIOETANOLO CEREALI : MAIS, FRUMENTO PATATE BIETOLA DA ZUCCHERO SORGO ZUCCHERINO

24 COLTURE ENERGETICHE ERBACEE Fermentazione di zucchero ETANOLO ETBE Etil-tertiobutil tertiobutil-etereetere da incorporare nelle bemnzine

25 POTENZIALI PRODUTTIVI granella dt ha-1 granella dt ha-1 granella dt ha-1

26 Fermentazione alcolica (produzione di etanolo) C6H10O5 + nh2o -> nc6h12o6 (idrolisi) nc6h12o6 -> 2nC2H5OH+ 2nCO2 (fermentazione alcolica).

27 1 t di granella di mais= 390 L DI ETANOLO E DI ddg/ddgs + CO2 Il processo è energivoro : per L di etanolo 0,4 kwh elettrici e 4 kg di vapore Saldo energetico 5,9 MJ (= 28% del contenuto energetico dell etanolo) 1 unità energetica (per la produzione di mais) ne fornisce 1,3

28 BIOGAS

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30 55

31 ERBACEE COLTURE ENERGETICHE Fermentazione anaerobica BIOGAS

32 COLTURE ENERGETICHE ERBACEE ARBUSTIVE ARBOREE BIOGAS sorgo mais frumento - orzo

33 CARBOIDRATI GRASSI PROTEINE S.O. = + + ZUCCHERI SEMPLICI AC. GRASSI GLICEROLO AMINOACIDI AC.VOLATILI ALCOLI CH 4 CO 2 AMINE AMMONIACA AZOTO MERCAPTANI INDOLO SCATOLO IDROGENO SOLFORATO

34 BIOGAS è una miscela gassosa prodotta dalla digestione ANAEROBICA di BIOMASSA vegetale e/o residui di origine animale. Solo il 30-60% della componente organica viene digerita, percentuale variabile in funzione del substrato utilizzato La miscela di gas prodotta è composta da circa 2/3 CH4 e 1/3 CO2 rapporto variabile in funzione del substrato utilizzato PCI biogas= kcal/kg PCI biogas depurato= 8500 kcal/kg % Composizione del biogas CH CO H N CO O 2 tracce H 2 S Variab.

35 BIOMASSE Depurazion e digestore BIOGAS Pulitore BIOGAS Frazione liquida Distribuzione in campo Frazione solida t.q. Separatore (opzionale) Stoccaggio BIOGAS Mercato Frazione solida compostata Energia elettrica Cogeneratore Calore Bruciatore

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40 Digestione anaerobica (produzione di biogas) Digestione anaerobica= demolizione della s.o. ad opera di batteri anaerobi e con temp. tra i 30 C e i 60 C = CH4 + CO2. Il contenuto di CH4 può superare il 60% in volume. Il processo per un carboidrato può essere così semplificato: C6H10O5 + H2O -> 3 CH4 + 3 CO2 Alla fine del processo si ottiene un digestato

41 Insilato di mais: PG = 8; GG=1,4;cell 36 + emic. 25 = 336 L di CH 4 per Kg di s.s. La produzione di CH 4 può variare da a m 3 /ha. Con m 3 /ha di CH 4 e disponendo di gruppi elettrogeni con rendimento medio dal combustibile all'energia elettrica ceduta alla rete del 30% si producono oltre kwh elettrici/ha di energia rinnovabile

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43 COLTURE ENERGETICHE ERBACEE ARBUSTIVE ARBOREE BIOMASSE SPECIE ANNUALI * Kenaf ( Hibiscus cannabinus) * Sorgo da fibra ( Sorgum s.p.p.) * Mais ( Zea mais) SPECIE POLIENNALI * Cannetta (Phragmites communis Trin.) * Canna comune (Arundo donax L.) * Cardo (Cynara cardunculus L.) * Ginestra (Spartium iunceum) Miscanto (Miscanthus sinensis var. Giganteus)

44 COLTURE ENERGETICHE SPECIE ANNUALI * Kenaf ( Hibiscus cannabinus) * Sorgo da fibra ( Sorgum s.p.p.) * Mais ( Zea mais) ERBACEE

45 COLTURE DA BIOMASSA PER PRODUZIONE DI ENERGIA SORGO FIBRA Martorano (RA), prova di irrigazione * Varietà 2 : Abetone e H 173 Biomassa totale REGIMI IRRIGUI t.q. t/ha s.s. % s.s. t/ha Asciutto 99,7 24,1 24,0 Irriguo 137,1 26,1 35,5 * restituzione del 100% di ETE

46 COLTURE ENERGETICHE ERBACEE SPECIE POLIENNALI * Cardo ( Cynara cardunculus L.) * Ginestra ( Spartium iunceum) * Miscanto ( Miscanthus sinensis var. Giganteus)

47 COLTURE DA BIOMASSA PER PRODUZIONE DI ENERGIA MISCANTO Produzioni t/ha Friuli (vecchio impianto) (nuovo impianto) 10 3 Emilia (vecchio impianto) (nuovo impianto) 7 Toscana (vecchio impianto)

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50 COLTURE ENERGETICHE ERBACEE SPECIE POLIENNALI * Cannetta (Phragmites communis Trin.) * Canna comune (Arundo donax L.)

51 IL MAISCOLTURA PER L ENERGIA Combustione (produzione di energia termica e/o elettrica) potere calorifico inferiore (PCI) per granella di mais :18 MJ/kg s.s. per altre parti di pianta di mais : 16,5-17,5 MJ/kg s.s. potere calorifico netto (PCN), stocchi 11,1 MJ/kg al 30%U granella 15 MJ/kg al 15%U gasolio 44 MJ/kg

52 Grazie per l attenzione E.mail: tommaso.maggiore@unimi.it