LCA della filiera biometano gassoso e liquido

Transcript

1 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia LCA della filiera biometano gassoso e liquido Giulio Bortoluzzi LEAP Serena Righi CIRI ENA

2 Sommario (prima parte) o Caso studio e ipotesi o Biometano gassoso (GBM) Confini dell analisi LCA Risultati della valutazione di sostenibilità ambientale (cambiamento climatico) Analisi di sensitività Analisi Well-To-Wheel (WTW) o Biometano liquido (LBM) Confini dell analisi LCA Risultati della valutazione di sostenibilità ambientale (cambiamento climatico) Analisi Well-To-Wheel (WTW) o Conclusioni

3 Caso studio e ipotesi Caso studio Risultato di un analisi tecnico-economica del processo di produzione di biometano da digestione anaerobica di sottoprodotti agro-industriali tipici del territorio piacentino (reflui zootecnici, paglia, buccette di pomodoro) Principali ipotesi dell analisi di impatto ambientale Sottoprodotti non hanno associati impatti ambientali legati alla loro produzione poiché sono residui (solo la raccolta della paglia è inclusa nei confini del sistema) Il trasporto delle biomasse è valutato per una distanza media di circa 10 km L utilizzo del digestato è escluso dai confini del sistema ma sono inclusi gli impatti del suo stoccaggio (chiuso) Fonte dati Letteratura (ISPRA, INEMAR ARPA Lombardia, IPCC, Legislazione Regione E-R, JRC Commissione Europea) Database LCA e modellazioni di processo Dati sperimentali di emissioni in atmosfera del motore di un impianto a biogas (Azienda Agricola Colombaro 2) Valutazione impatto ambientale tramite Life CycleAssessment (LCA) Metodo ILCD 2011 Midpoint: utilizza i metodi di valutazione raccomandati dal JRC della Commissione Europea Categorie di impatto considerate: cambiamento climatico, acidificazione, eutrofizzazione. Confronto con combustibili fossili

4 GBM - Confini dell analisi Produzione di GBM tramite processo di upgrading con membrane e impiego per autotrazione Confini del sistema Tipologia veicolo Auto EURO 5 segmento C (media taglia) Evitata produzione di elettricità Allevamento bovino Lavorazione pomodoro Coltivazione grano Buccette Raccolta paglia Liquami Letame Paglia Stoccaggio liquame Stoccaggio letame Stoccaggio biomasse Biogas Rimozione (CH4+CO2) contaminanti Biogas grezzo Digestione Anaerobica Digestato Stoccaggio Motore UPGRADING: Separazione con membrana Off gas Eel Eth GBM Immissione in rete Utenze interne Utenze interne Compressione in stazione di servizio GBM Unità funzionale 1 km percorso Digestato Utilizzo digestato come fertilizzante Utilizzo off gas (Coltivazione alghe)

5 GBM - Risultati valutazione sostenibilità ambientale Indicatore cambiamento climatico (emissioni di gas ad effetto serra) Cambiamento climatico Benzina Gas naturale Gasolio Auto elettrica Biometano g CO 2 eq fossile/km % 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Benzina Confronto emissioni gas serra (quota fossile) Gas naturale Gasolio Auto elettrica Biometano autovettura Produzione combustibile/elettricità Produzione autovettura Per l auto elettrica è stato considerato mix elettrico italiano al 2016 (34% fonti rinnovabili) dirette allo scarico indirette L utilizzo di biometano gassoso in autovetture permette di ridurre le emissioni complessive di gas a effetto serra fino al 60% se il biometano è prodotto da un mix di reflui zootecnici e sottoprodotti agro-industriali Nelle altre categorie di impatto ambientale esaminate ma non riportate il biometano risulta avere impatto minore rispetto agli altri combustibili fossili

6 GBM - Risultati valutazione sostenibilità ambientale di gas ad effetto serra del processo di produzione GBM gas serra filiera GBM (quota fossile) gas serra produzione GBM (quota fossile) Evitata produzione di energia elettrica alla stazione di servizio g CO 2 eq /km autovettura Produzione biometano g CO 2 eq /km Costruzione impianto AD, upgrading e motore cogenerativo Raccolta paglia Trasporto biomasse 20 0 Biometano Produzione autovettura Biometano gassoso motore cogenerativo stoccaggio e digestione anerobica La fase con maggior emissioni di CO 2 equivalente è la digestione anaerobica (stoccaggio biomasse/reflui e digestato, emissioni motore a biogas) All impatto ambientale complessivo si sottrae il credito derivante dall immissione in rete dell energia elettrica residua prodotta dal motore a biogas (evitata produzione tramite parco elettrico medio italiano)

7 GBM - Analisi di sensitività Auto elettrica variazione mix elettrico italiano Raggiungimento obiettivi Strategia Energetica Nazionale 2017 (55% rinnovabili): -13% Scenario solo rinnovabile (100% fotovoltaico): -25% GBM variazione condizioni di processo Estensione bacino di raccolta biomasse (circa 20 km): +2% Variazione mix di alimentazione (30% insilato di mais e 70% reflui) e utilizzo digestato come ammendante: + 18% Stoccaggio aperto del digestato: +22% Confronto emissioni gas serra (quota fossile) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% -13% -25% +22% +18% +2% autovettura Produzione combustibile/elettricità 10% Produzione autovettura 0% Benzina Gas naturale Gasolio Auto elettrica Biometano

8 GBM - Analisi Well-To-Wheel Metodologia Well-To-Wheel (WTW) LCA semplificata che si focalizza sul consumo energetico e sulle emissioni di CO 2 solo per la produzione (Well-To-Tank, WTT) e l utilizzo (Tank-To-Wheel, TTW) del combustibile impiegato, trascurando altri stadi del ciclo di vita (es. costruzione impianti). gas serra (quota fossile) Consumi energetici (quota fossile) WTT TTW WTT TTW g CO 2 eq /km MJ/100 km Benzina GN Gasolio EE GBM 0 Benzina GN Gasolio EE GBM I risultati dell analisi WTW rispecchiano i risultati dello studio LCA L impiego di biometano gassoso in autovetture permette una riduzione significativa di emissioni di gas ad effetto serra ed una diminuzione dell energia fossile complessivamente spesa I vantaggi principali sono legati ai ridotti impatti/consumi della fase Tank-To-Wheel (utilizzo combustibile rinnovabile)

9 LBM - Confini dell analisi Produzione di LBM tramite processo di upgrading con membrane + liquefazione tramite ciclo Rankine a refrigerante misto e impiego per autotrazione Confini del sistema Elettricità da rete Tipologia veicolo Autocarro > 3,5 t ultima generazione Allevamento bovino Lavorazione pomodoro Coltivazione grano Buccette Raccolta paglia Liquami Letame Paglia Stoccaggio liquame Stoccaggio letame Stoccaggio biomasse Rimozione contaminanti Biogas grezzo Digestione Anaerobica Digestato Stoccaggio Biogas (CH4+CO2) Motore UPGRADING: Separazione con membrana Off gas Eel Eth Utenze interne Utenze interne Liquefazione LBM Stazione di servizio LBM Unità funzionale 1 km percorso Digestato Utilizzo digestato come fertilizzante Utilizzo off gas (Coltivazione alghe)

10 LBM - Risultati valutazione sostenibilità ambientale Indicatore cambiamento climatico (emissioni di gas ad effetto serra) 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Cambiamento climatico Gasolio Biometano Confronto emissioni gas serra (quota fossile) Gasolio g CO 2 eq fossile/km Biometano Produzione autocarro Produzione combustibile autocarro indirette dirette allo scarico L utilizzo di biometano liquido in veicoli pesanti comporta una diminuzione delle emissioni di gas a effetto serra fino al 44% rispetto all utilizzo di gasolio fossile Anche nelle altre categorie di impatto ambientale esaminate ma non riportate il biometano risulta avere impatto minore rispetto al gasolio

11 LBM - Risultati valutazione sostenibilità ambientale gas serra processo di produzione LBM 700 gas serra filiera LBM (quota fossile) 400 gas serra produzione LBM (quota fossile) Raccolta paglia Trasporto biomasse g CO 2 eq /km Produzione autocarro g CO 2 eq /km 200 Costruzione impianto AD, upgrading e motore cogenerativo Elettricità da rete Biometano Produzione combustibile autocarro Biometano liquido motore cogenerativo stoccaggio e digestione anerobica La fase con maggior emissioni di CO 2 equivalente è la digestione anaerobica (stoccaggio biomasse/reflui e digestato, emissioni motore a biogas) Anche l impatto ambientale legato all energia elettrica prelevata dalla rete per i consumi interni non è trascurabile.

12 LBM - Analisi Well-To-Wheel Confronto emissioni gas serra e consumi energetici LBM e gasolio gas serra (quota fossile) Consumi energetici (quota fossile) WTT TTW WTT TTW g CO 2 eq /km MJ/100 km Gasolio LBM 0 Gasolio LBM I risultati dell analisi WTW rispecchiano i risultati dello studio LCA L impiego di biometano liquido in autocarri permette una riduzione significativa di emissioni di gas ad effetto serra ed una diminuzione dell energia fossile complessivamente spesa I vantaggi principali sono legati ai ridotti impatti/consumi della fase Tank-To-Wheel (utilizzo combustibile rinnovabile)

13 Conclusioni (prima parte) o Il caso studio considerato prevede la produzione di biometano (GBM/LBM) a partire da digestione anaerobica di sottoprodotti agro-industriali del territorio piacentino e il suo utilizzo per autotrazione o Per entrambe le filiere la quota preponderante delle emissioni di gas ad effetto serra è relativa alla produzione del biometano o Gli impatti principali della produzione di biometano (sia gassoso che liquido) derivano dagli stoccaggi e dal processo di digestione anaerobica o Variando le ipotesi dell analisi LCA si ottengono aumenti degli impatti anche significativi (es. caso stoccaggi aperti o variazione mix alimentazione) o L analisi WTW relativa al GBM mostra come il suo utilizzo per autotrazione sia vantaggioso rispetto a tutti gli altri combustibili fossili e alla trazione elettrica, sia in termini di emissioni di gas serra che di utilizzo di energia fossile o L analisi WTW relativa al LBM mostra come il suo utilizzo per trazione pesante sia conveniente se confrontato con il gasolio per entrambi gli indicatori considerati (emissioni gas serra e consumi energetici)

14 Ringraziamenti (prima parte) o Ing. Giorgia Lombardelli (supervisione caso studio, analisi LCA e Well-To-Wheel GBM e LBM) o Ing. Francesco Magli (supervisione caso studio, modello upgrading membrane, misure emissioni motore a biogas e membrane) o Ing. Federico Capra (modello sezione liquefazione) o Ing. Edoardo Micconi (analisi tecnico-economica caso studio) o Ing. Stefano Signorini (misure emissioni motore a biogas e membrane)

15 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Grazie per l'attenzione gobiom.crpa.it Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia Giulio Bortoluzzi giulio.bortoluzzi@polimi.it

16 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Convegno conclusivo Sostenibilità della produzione algale con CO2 da upgrading Serena Righi, Roberto Porcelli CIRI ENA Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia

17 Obiettivo della ricerca Valutazione delle sostenibilità di un processo di produzione di microalghe (Phaeodactylum tricornutum) che utilizza CO2 ottenuta dall upgrading del Aim: to quantify the environmental benefits biogas due a biometano. to the switch from synthetic merchant CO 2 to waste CO 2 in a microalgal cultivation system energia biogas BIOGAS UPGRADING biometano CO 2 (waste) energia acqua nutrienti inoculo MICROALGAL CULTIVATION acque reflue biomassa algale

18 Processo e confini del sistema analizzato

19 Risultati Results and discussion Profilo ambientale: 100% Contributi relativi di ogni flusso Input/Output: 90% Contributi relativi di ogni step di produzione: 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% FREEZE-DRYING HARVESTING CULTIVATION CLEANING & STERILISATION 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Carbon dioxide Water&Waste treatment Water Solvents Nutrients Electricity

20 Conclusioni L analisi comparativa mostra che la sostituzione della CO2 sintetica con la CO2 di scarto proveniente dall upgrading del biogas a biometano comporta un apprezzabile vantaggio ambientale su tutti gli impatti considerati. La maggior parte degli impatti del processo di produzione della biomassa algale deriva dalla fase di coltivazione e da quella di congelamentoliofilizzazione. I flussi prevalentemente responsabili dell impatto ambientale sono: il consumo elettrico e l uso di nutrienti e solventi.

21 POR-FESR ASSE 1 Ricerca e innovazione Progetto GoBioM Ottimizzazione tecnologica filiera biometano Grazie per l'attenzione gobiom.crpa.it Convegno conclusivo Mercoledì, 11 luglio 2018 Tecnopolo di Reggio Emilia Serena Righi Roberto Porcelli serena.righi2@unibo.it roberto.porcelli2@unibo.it