I giovedì della cultura scientifica

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1 I giovedì della cultura scientifica Tecnologie di conversione delle biomasse Ing. Giacobbe BRACCIO Centro Ricerche della Trisaia

2 Biomasse Cosa sono: sostanze di origine biologica non fossile derivate direttamente o indirettamente dal processo di fotosintesi: (residui agricoli, legname, residui agroforestali, colture enrgetiche, rifiuti industriali vegetali, parti organiche RSU. I macrocostituenti sono: cellulosa, emicellulosa, lignina disponibilità in Italia: [Banca dati biomasse ENEA AIGR] Residui agricoli legname Residui agroindustriali totale Kton/anno % Kton/anno % Kton/anno % Kton/anno utilizzo energetico: Energia Elettrica Impianti a biomassa Energia elettrica prodotta da biomasse: 1800 GWh (1/3 di quella prodotta dalla geotermia) Fabbisogno nazionale: GWh PARAMETRI CARATTERISTICI IMPIANTI PER PRODUZIONE EEL ALIMENTATI A BIOMASSA (fonte consumo di Consumo Ptot Eelett Esercizio N impianti Pmedia (MW) biomassa Specifico (MW) (Gwhe/anno) η (h/anno) annuo (kt) (Kg/KWhe) , ,44 0,

3 Trasformazioni energetiche delle biomasse Consistono nella trasformazione del vettore energetico, passando da una forma solida caratterizzata da bassi valori della densità energetica e di difficile uso, in vettori liquidi o gassosi caratterizzati da una densità energetica notevolmente più alta, più facilmente utilizzabili e flessibili. Biomassa termochimici biologici estrazione oli Combustione Gassificazione Pirolisi Gas combustibile Fermentazione alcolica Esterificazione Digestione anaerobica Calore Bioolio Gas combustibile carbone Etanolo Gas combustibile Biodiesel

4 combustione BIOMASSA + Aria + CO 2, H 2 O CALORE Il processo di combustione è una tecnologia matura, consolidata e affidabile Residui lignocellulosici SRF Pretrattamento PELLETS: NUOVO BIOCOMBUSTIBILE Costo: 0.15 euro/kg Consumo: kt/anno Taglia impianti per EEL > 3 Mwe Efficienze intorno al 20% Combustione Calore Aria Acqua calda Riscaldamento Utenze industriali Energia elettrica Vapore di processo Utenze industriali

5 Pirolisi processo di degradazione termica in completa assenza di agenti ossidanti (aria, ossigeno). Si ottengono 3 frazioni. Biomassa Pirolisi Facilità trasporto Facile uso in bruciatori PCI MJ/kg Carbone Carbone da legna PCI MJ/kg Gas combustibile H2, CO, CO2.. Bioolio Composti organici ossigenati, H20 Bruciatori Reforming Gas a medio PCI MJ/kg Gas combustibile H2 BIOMASSA OLIO di PiROLISI H 2 ELETTRICITA Fast pirolisi della biomassa Reforming catalitico ossidazione in MCFC C x H y O z => H 2 + CO + altro CO + H 2 O => H 2 + CO 2 Le percentuali delle frazioni dipendono dalle condizioni in cui avviene il processo: pirolisi lenta (<600 C) più solidi fino al 30-40% pirolisi veloce ( C) più gas fino al 80% flash pirolisi (700 C) liquidi fino al 60%

6 bio-etanolo alcol etilico prodotto da biomassa attraverso processi di saccarificazione e fermentazione Schema di produzione e utilizazione di H2 via bio-etanolo Progetto BIOH2 Colture energetiche Steam Explosion RSU Idrolisi e fermentazione RUOLO ENEA Residui agricoli E forestali Etanolo Reforming catalitico H2 risultati su scala semipilota (50 l): 0.2 kg da 1 kg di pioppo Biofuel Energia per veicoli Fuel Cell Elettricità

7 Gassificazione processo fisico chimico per mezzo del quale si realizza la parziale ossidazione dei composti carboniosi ad alta temperatura in presenza di aria o/e vapor d acqua: si ottiene la trasformazione del combustibile solido in gassoso (H2, CH4, CO). Biomassa (chips) THERMOCOUPLE letto fisso BIOMASS gassificatore CYLINDRICAL CHAMBER REFRACTORY WALL purificazione gas Gas combustibile H2, CH4, CO mci NOZZLE AIR COMBUSTION REDUCTION ZONE aria Ciclone - Scrubber Filtro a maniche in acciaio sinterizzato

8 Gassificazione processo fisico chimico per mezzo del quale si realizza la parziale ossidazione dei composti carboniosi ad alta temperatura in presenza di aria o/e vapor d acqua: si ottiene la trasformazione del combustibile solido in gassoso (H2, CH4, CO). Biomassa (chips) THERMOCOUPLE letto fisso BIOMASS gassificatore CYLINDRICAL CHAMBER REFRACTORY WALL purificazione gas Gas combustibile H2, CH4, CO mci AIR NOZZLE Gassificatore: a letto fluido bollente COMBUSTION REDUCTION ZONE aria Ciclone - Scrubber Filtro a maniche in acciaio sinterizzato

9 Gassificazione processo fisico chimico per mezzo del quale si realizza la parziale ossidazione dei composti carboniosi ad alta temperatura in presenza di aria o/e vapor d acqua: si ottiene la trasformazione del combustibile solido in gassoso (H2, CH4, CO). Biomassa (chips) turbine a gas/cicli combinati THERMOCOUPLE letto fisso BIOMASS gassificatore CYLINDRICAL CHAMBER REFRACTORY WALL purificazione gas Gas combustibile H2, CH4, CO mci AIR NOZZLE Gassificatore: a letto fluido bollente COMBUSTION REDUCTION ZONE Idrogeno ossigeno aria Ciclone - Scrubber Filtro a maniche in acciaio sinterizzato Fuel cell

10 Sperimentazioni Gassificatore ad aria tipo Letto Fluido bollente Impianto Cina biomasse utilizzate: gusci di mandorla, cippato di abete lolla di riso. Gas prodotto % vol dry Principali problemi: - sistema alimentazione - Problemi di tenuta - pulizia gas Sviluppo: Gassificatore stessa tipologia, ma ad O2/Vapore CO2 17 CO 15 CH4 4 H2 8 N2 54 Tar 15 g/nmc PCI 6140 kj/nmc

11 Gassificazione della biomassa Impianto JOULE CR Trisaia Accoppiamento con MCFC da 125 kwe o con turbine a gas. Sviluppo: gassificatore pressurizzato Gassificazione a vapore di biomassa lignocellulosica 500 kwth Gassificatore a letto bollente Con circolazione interna Gas prodotto Nitrogen free Letto catalitico CO 2 CO Caratteristiche gas Senza catalizz. 21 % vol 25 % vol Gas prodotto Con catalizzat. 11 % vol 33 % vol CH 4 10 % vol 0 % vol H 2 39 % vol 53 % vol N 2 3% 3% C 2 H 6, 2 % vol 0 % vol PCI dati sper. senza cat. 21 % vol 20 % vol 20 % vol 33 % vol 14 % vol 0.2 % vol kj/nmc

12 Fermentazione alcolica La fermentazione alcolica è un precesso biochimico per mezzo del quale gli zuccheri sono trasformati in alcol etilico. Applicazioni: autotrazione Canna da zucchero Barbabietole Sorgo zuccherino Reforming => H2 fuel cell pretrattamento distillazione Etanolo mci fermentazione con lieviti o batteri Additivo nelle benzine ETBE (10-15%) Pretrattamento idrolisi Substrati amidacei Substrati lignocellulosici

13 Fermentazione alcolica La fermentazione alcolica è un precesso biochimico per mezzo del quale gli zuccheri sono trasformati in alcol etilico. Applicazioni: autotrazione Canna da zucchero Barbabietole Sorgo zuccherino Reforming => H2 fuel cell pretrattamento distillazione Etanolo mci fermentazione con lieviti o batteri Pretrattamento idrolisi Steam explosion Additivo nelle benzine ETBE (10-15%) cellulosa emicellulosa idrolisi enzimatica fermentazione Substrati amidacei Substrati lignocellulosici estrazioni acquose lignina energ. term. biopolimeri chemicals

14 Biomasse lignocellulosiche => Gassificazione Cosa Come Gassificazione con ossigeno Gassificazione con vapore Pulizia gas prodotto attività di ricerca ENEA su Liquid Biofuels & H 2 Sviluppo del processo di gassificazione ad ossigeno con studio della fluidodinamica e della cinetica chimica. Sviluppo di gassificatore pressurizzato a vapore e possibili ottimizzazioni impiantistiche. Sviluppo di sistemi di cleaning del gas per l eliminazione di polveri, tar, HCl, H2S. Water shift a CO Separazione H 2 Conversione catalitica del CO in idrogeno con reattori fissi Sviluppo e messa a punto di tecniche per la separazione dell idrogeno mediante adsorbimento selettivo con membrane. Biomasse lignocellulosiche => Etanolo Cosa Pretrattamento con vapore delle biomasse Idrolisi enzimatica della cellulosa Fermentazione dell emicellulosa (zuccheri a 5 atomi di C) Come Aggiunta di catalizzatori acidi o basici per aumentare il recupero dei carboidrati. miglioramento delle rese di conversione e recupero degli enzimi Selezionare ceppi in grado di convertire i C5 in etanolo con alta produttività Olio di Pirolisi => H 2 Chimica degli oli di pirolisi Reforming H 2 Stabilizzazione degli oli per un medio periodo (2-6 mesi) Conversione catalitica in idrogeno con reattori fissi