Energia da biomasse: Carburanti da biomasse. Nel 2020 dovremmo produrre 10% dei carburanti da fonti rinnovabili

Transcript

1 Energia da biomasse: Carburanti da biomasse Nel 2020 dovremmo produrre 10% dei carburanti da fonti rinnovabili

2 Cenni storici sui biocarburanti I biocarburanti sono stati utilizzati fin dalla nascita dell industria delle automobili Nikolaus August Otto, l inventore tedesco della macchina a combustione interna concepì la sua invenzione nel 1876 per fare andare il motore con etanolo. Rudolf Diesel, l inventore del motore omonimo concepì la sua invenzione nel 1897 per fare andare il motore con olio di arachidi. Henry Ford ha progettò originalmente il modello Ford T,una macchina prodotta fra il 1903 e il 1926, per andare solo con etanolo.

3 Cosa sono le biomasse? Scarti organici delle industrie di lavorazione del legno Erba e resti organici delle aziende agricole Prodotti vegetali coltivati appositamente per la chimica e l energia Scarti dell industria alimentare Scarti urbani ed industriali Fanghi dagli impianti di depurazione Coltivazioni marine Residui da allevamenti zootecnici

4 Carburanti di prima generazione Utilizzo di piante dedicate Bioetanolo, alternativo alla benzina, ottenuto per fermentazione di amidi o di zuccheri, può essere utilizzato puro in veicoli speciali o miscelato con benzina al massimo al 5% con tutti i veicoli. Etil-ter-butiletere (ETBE) sintetizzato da isobutene ed alcool etilico può essere miscelato con la benzina fino al 15%. Biodiesel (FAME), ottenuto per transterificazione con metanolo di oli vegetali o grassi animali con metanolo, può essere utilizzato puro in veicoli speciali o miscelato con oli diesel al massimo al 5%..

5 Carburanti prima generazione Green diesel - HVO (Hydrogenated vegetable oil) ottenuto per idrogenazione di oli naturali (con formazione di paraffine), può essere utilizzato puro in tutti gli autoveicoli BIobutanolo sostituto della benzina o miscelato con il diesel ottenuto da trasformazioni enzimatiche di biomasse

6 Altri biocarburanti di seconda generazione Biometano ottenuto da effluenti zootecnici e rifiuti organici vari per fermentazione anaerobica Bio H 2 da gassificazione di biomasse utilizzato per motori a celle a combustibile BioDME da gassificazione di biomasse un sostituto del diesel Bio CO+H 2 da gassificazione di biomasse per produrre energia e per produrre carburanti

7 Vantaggi dell utilizzo di biomasse come carburanti Sono materie prime rinnovabili(sviluppo sostenibile) Diminuzione dell emissione di gas serra Motivi geopolitici, parziale indipendenza del rifornimento di materie prime per l energia Guadagni incrementali per l agricoltura Produzioni di sottoprodotti di valore, utili per la chimica

8 Altri vantaggi specifici Vantaggi ambientali( zolfo ed aromatici assenti). ETBEmigliora il numero di ottano della benzina Il biodiesel migliora il numero di cetano e le proprietà lubrificanti del diesel. Il green diesel aumenta il numero di cetano.

9 Le opportunità della Bioraffineria Utilizzo dei sottoprodotti per la chimica 1)Nella produzione di biodiesel si ottiene glicerina come coprodotto, nella produzione di green diesel si ottiene propano, entrambi possono essere utilizzati come materie prime per la chimica 2) Nella produzione di etanolo in grandi quantità, una piccola parte può andare anche in chimica, quindi l etanolo diventerà un nuovo un building block

10 Materie prime per l olio diesel Piante oleose, Palma(Malesia), Colza (Europa) Soia (USA),, Cocco (Filippine), Canola (Canada) Jatropha (India) Grassi animali (Giappone ), Oli di frittura (Europa) Alghe (Nuova Zelanda)

11

12 Materie prime per il bioetanolo 1) L attuale produzione viene dalla canna da zucchero (Brasile), dal mais (USA) e dalla barbabietola(europa). 2) Altre possibili materie prime sotto studio sono il miscanthus, il sorgo zuccherino, la cassava ed il panico. 3) I rifiuti lignocellulosici processo Chemtex

13 PRODUZIONE DI DIESEL HVO CREAZIONE DI UNA BIORAFFINERIA POLO VERDE A MARGHERA: FORSE RIPARTE UNA NUOVA CHIMICA

14 PROPANO

15 PRODUZIONE GREEN DIESEL (HVO) A Marghera

16 Produzione di biodiesel Metanolo Oli e grassi Pretrattamento Catalizzatore Transesterificazione Purificazione Esteri metilici Glicerina Acidi grassi

17 Vantaggi dell HVO HVO è un diesel : Con un maggior potere calorifico, Con ottima stabilità, Con basso potere solvente e bassa solubilità in acqua, Con proprietà a freddo modulabili per idroisomerizzazione Con alto numero di cetano (>80), mentre quello da petrolio o il biodiesel hanno un indice <50.

18 Usi del HVO Ci sono tre vie per utilizzare questo diesel verde o rinnovabile: aggiungere piccole concentrazioni (<5%) come per il FAME al diesel da petrolio per rispettare le legislazioni, aggiungere fino al 10% di biocomponente per migliorare le proprietà di un diesel da petrolio usarlo puro, quando occorre avere basse emissioni di inquinanti, come negli autobus e veicoli utilizzati in miniera

19 Altri impianti nel mondo È utile ricordare che Neste Oy, società finlandese, ha già costruito due impianti da t/a a Porvoo in Finlandia uno a Rotterdam da t/a ed uno a Singapore da t/a con la tecnologia NExBTL, simile a quella messa punto da eni e UOP, creando impianti nuovi collocati all interno di una raffineria

20 Il carburate del futuro il biobutanolo Vantaggi Il biobutanolo è meno corrosivo dell etanolo e non si separa in presenza di acqua come l etanolo e può essere trasportato con gli stessi mezzi della benzina. I veicoli non devono essere modificati

21 Vantaggi dell uso del biobutanolo Il Biobutanolo può essere utilizzato in miscela con la benzina fino 20% senza modifiche del motore può essere aggiunto a combustibili per aerei e può essere miscelato con il diesel fino al 40%

22 Industrie che hanno realizzato impianti pilota e dimostrativi :Green Biologics Cobalt biofuels Buthylfiel LLC Gevo development Butamax advanced biofuels Syntec biofuels Diesel brewings Range fuels Russian Industry

23 Nel 2005 una macchina a senza modifiche del motore in USA ha percorso km con 100 % di butanolo

24 Schwarzeneger durante l inaugurazione dell impianto pilota

25 Cobalt biofuel industria americana Cobalt biofuels) industria di Mountain view (Ca) ha realizzato : 1) Un primo pilota da3000 litri /a di butanolo, 2) Un secondo pilota di litri /a in 2009 partendo da emicellulosa, cellulosa e amidi usando batteri a base Clostridium, 3) Stanno realizzando un impianto dimostrativo da 10 milioni di litri/a 4) e dopo un impianto industriale di 100 milioni di litrin /a. L industria ha sviluppato un batterio che permette l utilizzo di scarti

26 Produzione del biobutanolo Può essere ottenuto da una varietà di biomasse Da biomasse utilizzate per alimenti e non da sostanze zuccherine Da residui lignocellulosi delle foreste e legno

27 Acknowledgments CNRS colleagues: M. Besson, L. Djakovitch A. Perrard, C. Pinel A. Sorokin Ci sarà abbastanza terra? per l alimentazione per bio-carburanti per bio-prodotti

28

29 Problemi dell utilizzo di materie prime rinnovabili Se si utilizzano coltivazioni che hanno un utilizzo alimentare si può provocare l aumento del loro prezzo. Un aumento delle coltivazioni per fini energetici possono portare alla desertificazione di alcune zone e la perdita della biodiversità (Scomparsa dell Oragungutang e della Tigre in Malesia). I processi di trasformazione sono ancora costosi.

30

31 MAC OiI : i camion di McDonald s usano l olio fritto scartato dai fast food I camion della McDonald s hanno percorso circa 1,3 milioni di chilometri per le consegne negli Emirati Arabi utilizzando un carburante riciclato dall olio fritto scartato dai ristoranti della catena di fast food.. Programmi simili, infatti, sono stati avviati da McDonald s negli Stati Uniti, in Europa e Australia.

32 Carburanti di seconda generazione Utilizzo di scarti e rifiuti 1)bioetanolo da fermentazione di rifiuti lignocellulosici 2)biogas(CH 4 ) da fermentazione anaerobica di letamai 3)biometanolo, diesel(i Fischer-Tropsch). DME, bio singas da gassificazione di rifiuti lignocellulosici 4)bio-olio dalla pirolisi di rifiuti lignocellulosici

33 Biocarburanti di terza generazione Utilizzo di piante geneticamente modificate per ottenere il carburante a più basso prezzo. Per esempio, piante in cui è variato il rapporto cellulosa, emicellulosa e lignina. Per esempio, modifiche della resistenza delle pareti cellulari che contengono lo zucchero,in maniera da facilitare la sua estrazione.

34 Soluzioni ai problemi dell utilizzo di biomasse Preferire materie prime che non sono utilizzate per l alimentazione, che hanno un alta efficienza agraria e che crescono in terreni marginali. Per esempio, per l olio diesel scegliere la jatropha che non é utilizzata per l alimentazione

35 Soluzioni ai problemi dell utilizzo di biomasse Per esempio, per l etanolo scegliere nuove coltivazioni ad alta efficienza agraria, come il miscanthus, il panico, il sorgo. O molto meglio utilizzare gli scarti di lavorazioni o rifiuti per produrre gas di sintesi bio-olio e etanolo Utilizzare i biocarburanti come additivi di carburanti da petrolio di

36 L impianto di Crescentino Nel 2012 Chemtex ha realizzato a Crescentino un impianto di 40kt/a di bioetanolo da sostanze lignocellulosiche come la canna Arundo Donax e rifiuti della produzione del mais. L impianto utilizza la lignina coprodotto per produrre energia 15MW

37 LIGNO CELLU LOSA La Tecnologia Proesa

38 Materie prime :Arundo Donax la migliore scelta

39 Materie prime

40 I processi per la trasformazione delle biomasse in biocombustibili liquidi Biomasse lignocellulosiche PROCESSI TERMO-CHIMICI Gassificazione Pirolisi CO + H 2 F.Tropsch SUNDIESEL Liquefazione diretta BIO-OLIO OLIO

41 Gassificazione: produzione di gas sintesi Combustione controllata per produrre gas di sintesi (CO+H 2 )intorno a o C Dal gas di sintesi si arriva All H 2 Al CH 3 OH Ai combustibili liquidi Al DME

42 Produzione di carburanti biomasse via gas di sintesi Sintesi di Fischer-Tropsch Jet fuel Diesel Biomasse SYNGAS CO e H2 Sintesi di Metanolo Celle a combustibili DME Idrogeno Diesel

43 CHRISGAS: Clean Hydrogen-rich Synthesis Gas Biomass and waste Methanol DME Gasification H2 Reforming Synthesis Gas Natural Gas Fischer -Tropsch Diesel JET FUEL

44 F-T Diesel H 2, CO PROX H 2, CO 2 FC * 0.5 % CO 200 C 5-10 ppm 80 C CH 3 OH DME Gasoline Preferential Oxidation CO + ½ O 2 CO 2 H0 298 =-254 kj/mol H 2 + ½ O 2 H 2 O H =-242 kj/mol Catalysts: promoted Pt on alumina More recently: Au based catalysts * Fuel Cell: H 2 + ½ O 2 H 2 O + e-

45 DALLE BIOMASSE A DIESEL Industria tedesca Biomassa DIESEL

46 Pirolisi Produzione di bio-olio La decomposizione è condotta a temperatura fra o C in assenza di O 2 o in presenza di piccole quantità di ossigeno per produrre: frazioni liquide organiche simili a quelle ottenute dal petrolio(bio-olio) dal 50 al 75% gas combustibile sostanze carboniose

47 Bio oil applications Pyrolysis Bio-oil Gasifier Pre-treated biomass Extraction Engine Upgrading Chemicals Power & Heat (CHP) Transport fuels

48 Le biomasse future dell HVO adesso si usa olio di palma Innanzitutto è possibile utilizzare oli che contengono acidi grassi ed utilizzare diversi tipi di oli, anche di bassa qualità, quindi a basso prezzo, infatti la qualità del diesel ottenuto non risente della variabilità della tipologia d olio in carica Inoltre è possibile inserire la produzione all interno di una raffineria di petrolio utilizzando le strutture esistenti (serbatoi e movimentazione), quindi non c è nessun problema di integrazione.

49 Impianti pilota da nuove biomasse Si potranno utizzare sono rifiuti agricoli o forestali o derivati di coltivazioni energetiche (non utilizzabili per alimentazione) a base di sostanze lignocellulosiche. Queste biomasse per fermentazione possono produrre zuccheri che, in presenza di lieviti oleaginosi producono lipidi simili a oli vegetali, che poi con il processo Ecofining possono venire trasformate in green diesel. Un impianto pilota per questa produzione è stato realizzato all Istituto Donegani di Novara

50 Impianti pilota da nuove biomsse. 2) È inoltre possibile utilizzare i rifiuti organici, trasformandoli per liquefazione in biolio che viene poi idrogenato a green diesel. Sempre all Istituto Donegani è stato realizzato un impianto pilota. 3 ) Le biomasse di terza generazione sono quelle che crescono in terreni marginali, ossia non utilizzabili per coltivazioni agricole (canne) o nel mare (alghe) ed un impianto pilota per la trasformazione di alghe a green diesel è stato realizzato a Gela.

51 Utilizzo del biometano, i Paesi Bassi saranno la prima nazione al mondo a produrre come biogas il 100% del metano rivenduto al pubblico. Il biometano non proviene da fonti fossili, ma è ottenuto da sostanze biogene. Negli attuali 250 impianti a biogas vengono prodotti annualmente 750 milioni di metri cubi di metano, mediante la fermentazione delle biomasse: una quantità sufficiente per rifornire vetture, ossia il 10% circa degli 8 milioni di veicoli attualmente circolanti nei Paesi Bassi.

52 Si può essere meno pessimisti Un ulteriore punto di discussione è il timore che le colture per biocarburanti sottraggano spazio a quelle destinate all alimentazione e che i terreni coltivabili non siano sufficienti per entrambi i fini. Queste paure sono infondate, in quanto le superfici dedicate ai biocarburanti, in realtà, sono state finora del tutto irrilevanti; le superfici destinate negli ultimi anni nel mondo alla loro produzione sono state attorno all 1,5% degli arativi e attorno allo 0,5% dei terreni destinati complessivamente all alimentazione umana e animale.

53 Conclusione In Europa, per ottenere biocarburanti, negli ultimi anni è stato utilizzato meno dell 1% della disponibilità di cereali e una percentuale ancora inferiore di quella di oleaginose

54 La strategia delle case automobilistiche L evoluzione del carburante Idrogeno da rinnovabili Bioetanolo BioDIESEL Etanolo da lignocellulosici SunFuel Prodotto da rinnovabili via gassificazione Diesel/Benzina Basati sul petrolio

55

56

57 Prospettive future È quindi estremamente improbabile che l impiego di cereali e oleaginose per ottenere i biocarburanti sufficienti a soddisfare gli obiettivi proposti dalla UE, e accettati dagli Stati Membri, possa esercitare una concorrenza alla destinazione alimentare tale da influire in modo significativo sui prezzi del cibo. Per adempiere gli impegni vincolanti del 2020 si impiegheranno soprattutto biocarburanti cosiddetti di seconda generazione (colture erbacee pluriennali), ma l UE (e l Italia) sarà sicuramente costretta a importare etanolo (dal Brasile) e biodiesel (dal Sud Est asiatico).

58

59

60

61

62

63

64

65

66 Metodi fisici Questi isolano e separano i diversi componenti delle biomasse lasciando inalterate la struttura originaria Esempi la produzione di : Polisaccaridi ( amido,cellulosa, chitina, inulina ) Disaccaridi (lattosio, saccarosio) Trigliceridi Gomma

67

68 From Syngas to olefins The different technologies SYNGAS CH 3 OH DME MTG GASOLINE

69 F-T Diesel H 2, CO PROX H 2, CO 2 FC * 0.5 % CO 200 C 5-10 ppm 80 C CH 3 OH DME Gasoline Preferential Oxidation CO + ½ O 2 CO 2 H0 298 =-254 kj/mol H 2 + ½ O 2 H 2 O H =-242 kj/mol Catalysts: promoted Pt on alumina More recently: Au based catalysts * Fuel Cell: H 2 + ½ O 2 H 2 O + e-

70 Scenario europeo motori 2020 (circa) Benzina 35% Diesel 40% Ibridi e fuel cell 5% Biofuel 10% Metano 10%

71 BIO-Etanolo Caratteristiche dell etanolo ETBE C 4 H 9 -OC 2 H 5 Additivo nelle benzine ETBE (10-15%) tal quale 5 % Reforming => H 2 (C 2 H 5 OH+3H 2 O 2 CO 2 +6 H 2 ) Ossigenazione del carburante: combustione più completa (meno CO e HC, minori consumi) Elevato numero di ottani: alternativa agli additivi antidetonanti tossici (benzene) Assenza di zolfo: meno SO 2 emessa

72 Olio veget Piante oleaginose Spremitura/estrazione ale Trans-esterificazione

73 Sito dell impianto Azienda costruttrice Capacità produttiva Anno di realizzazione Biomassa di alimentazione Ottawa (Canada) Iogen 1 Mgal etanolo /a 2001 stocchi di mais e colture erbacee Örnsköldsvik (Svezia) Università di Umeå, Università di Luleå 500L etanolo/giorno 2005 legnami Spagna Abengoa Bioenergy 500 ML etanolo /a 2006 paglie Danimarca Autorità per l Energia; DTU, Novozymes, Energi E t residu /a 2006 paglia di grano Maniwa (Giappone) Mitsui Shipbuilding Co. LTD 2 t residui /giorno 2005 legname da costruzione residuale Osaka (Giappone) Bio-ethanol Japan Kansai Co. LTD 80 t residu /giorno 2007 legname da costruzione residuale TABELLA 1: lista degli impianti pilota di recente o prossima realizzazione per la produzione di bioetanolo da lignocellulosici

74 Items of the lecture The preparation of ethanol from lignocellulosic feedstocks (secondary bioethanol): Proesa technology The advantages to use lignocellulos feedstocks Industrial processes of production of secondary bioethanol

75 New technology from Chemetx Chemetx an Italian industry with collaborations with foreigner industries (Novozymes Usa industry) has developed a technology to produce sugar substances at low cost starting from non food biomass (wastes or energetic cultures)

76 ethanol Cellulosic ethanol is chemically identical to first generation bioethanol (i.e. CH CH 3 2 OH). However, it is produced from different raw materials via a more complex process (cellulose hydrolysis). In contrast to first generation

77 Advantages of Proesa technology Great flexibility in the feedstocks without modifications of plants High yield from cellulose and emicellulose No use of chemical solvents only steam Low investment costs (no special material to build the

78 Bioethanol second generation

79 Sintesi di DME Vantaggi e criticità + Il Dimetiletere è un prodotto pulito, al pari di metanolo e liquidi da Fischer-Tropsch; Ha caratteristiche eccellenti come diesel per autotrazione, sia come prestazioni che come emissioni. Il DME può essere addizionato al diesel nei motori attuali Ha caratteristiche fisiche simili al GPL, possibilità di sfruttare la rete di infrastrutture - le caratteristiche fisiche del DME simili al GPL presentano costi di trasporto e di costruzione di infrastrutture molto elevati (rispetto al metanolo).

80 Fuel H 2, CO2,H2,H2O H 2 O Re fo rm e r Produzione di Steam reformer CO e H2 Autothermal reformer Partial insieme oxidation a H2O e CO2 LT Shift HT Shift Purification steps H2 2 per celle a combustibili CO2,H2O, H 2 O, S H 2 S CO, CO,CO2,H2,H2O H 2, H 2 O Trasformazione del CO in H 2 (WATER GAS SHIFT) ad alta (HT) e Bassa T (LT) CO + H 2 O CO 2 + H 2

81 FSH C.I. Fermentation and bioethanol trasformation Cellulosa Amido Zucchero Anarobic Fermentation to H2 Or Gasification to H2, DME, FT Idrolisi enzimatica Fermentazione (10-15%EtOH in acqua) Distillation to 45-55% of EtOH Distillazione a EtOH anidro Celle a combustibili CH 3 CH 2 OH /H2O H 2 /CO Motore a comustine interna

82 FSH C.I. Trasformazione bioetanolo Distillazione al 45-55% of ETOH CH 3 CH 2 OH/H2O Heat REAZIONE COMLESSIVA Reforming/CPO Syngas CO + H 2 Heat -ETOH+3H 2 O 6H 2 + 2CO 2 Water Gas Shift Heat H %CO Fuel cell Heat Ossidazione selettiva H 2 Heat Fuel cell PEM Heat

83

84

85

86

87 Superata una fase di entusiasmo, entrambe queste convinzioni sono state messe in dubbio da una parte dei media e dell opinione pubblica che sottolineavano due aspetti negativi: gli effetti indiretti nella fase di produzione della materia prima agricola e la possibile concorrenza con la destinazione alimentare, con il conseguente aumento dei prezzi del cibo

88

89 Le biomasse di seconda generazione sono rifiuti agricoli o forestali o derivati di coltivazioni energetiche (non utilizzabili per alimentazione) a base di sostanze lignocellulosiche. Queste biomasse per fermentazione possono produrre zuccheri che, in presenza di lieviti oleaginosi producono lipidi simili a oli vegetali, che poi con il processo Ecofining possono venire trasformate in green diesel.

90 Nel 2020 dovremmo produrre 10% di carburanti da fonti rinnovabili Carburanti attuali Bioetanolo miscelato a benzina ETBE etilterbutiletere addituvi antidetonante per lambenzin Biodiesel metiltestere di oli e grassi naturali Green diesel prodotto di idrogenazione di oli e grassi naturali Altri DME sostiuti de diesel H2 Paraffine sintetiche ottenute da gas di sintesi Biobutanolo sostituto della benzina ed additivo del diesel

91

92 + - Proprietà del DME Il Dimetiletere è un prodotto pulito, al pari di metanolo e liquidi da Fischer-Tropsch; Ha caratteristiche eccellenti come diesel per autotrazione, sia come prestazioni che come emissioni. Il DME può essere addizionato al diesel nei motori attuali Ha caratteristiche fisiche simili al GPL, possibilità di sfruttare la rete di infrastrutture le caratteristiche fisiche del DME simili al GPL presentano costi di trasporto e di costruzione di infrastrutture molto elevati (rispetto al metanolo).