Dott. Marcello Ermido Chiodini Tel. Uff Mail:

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1 BIOMASSE VEGETALI: UNA FONTE D ENERGIA RINNOVABILE Dott. Marcello Ermido Chiodini Tel. Uff Mail: marcello.chiodini@unimi.it

2 Introduzione Protocollo di Kyoto Trattato internazionale in materia ambientale riguardante il riscaldamento globale sottoscritto a Kyoto (Giappone) l'11 dicembre 1997 da più di 160 paesi. Esso fissa le linee guida generali per la riduzione delle emissioni inquinanti responsabili del riscaldamento globale Necessità per l entrata in vigore del protocollo: ratifica da almeno 55 tra le nazioni firmatarie le quali dovevano essere responsabili di almeno il 55% delle emissioni inquinanti: condizione raggiunta nel novembre del 2004 con la ratifica del trattato da parte della Russia. Il trattato è entrato in vigore il 16 febbraio 2005

3 Introduzione Il trattato prevede l'obbligo per i paesi industrializzati di adottare una politica di riduzione delle emissioni inquinanti responsabili dell'effetto serra: CO 2, N 2 O, CH 4, HFC s (idrofluorocarburi), PFC s (perfluorocarburi), SF 6 (esafluoro di zolfo), per il periodo , in una misura non inferiore al 5,2% rispetto alle emissioni registrate nel 1990.

4 Introduzione. Il protocollo di Kyoto può essere riassunto in questi 3 punti: i Paesi più industrializzati hanno l'obbligo di ridurre le emissioni di gas serra di almeno il 5,2% rispetto ai livelli del 1990, nel periodo che va dal 2008 al Gli stessi Paesi devono realizzare progetti di protezione di boschi, foreste e terreni agricoli che assorbono anidride carbonica, (aree definite "carbon sinks", cioè assorbitrici di CO2). Questi Paesi possono guadagnare "carbon credit" esportando tecnologie pulite ai Paesi in via di sviluppo allo scopo di aiutarli ad abbattere le emissioni inquinanti nei processi produttivi. Sono previste sanzioni per i Paesi firmatari che mancheranno di raggiungere gli obiettivi fissati dal protocollo. Per i Paesi in via di sviluppo sono previste regole più flessibili.

5 Introduzione. quindi Evidente necessità di ricercare e impiegare fonti energetiche rinnovabili Riduzione della dipendenza dai combustibili fossili e le emissioni di gas serra in atmosfera Possibilità concreta ed attuale rappresentata dalle BIOMASSE

6 Introduzione. e in Europa? La Commissione Europea sta da tempo spingendo per un maggiore utilizzo delle biomasse a fini energetici, le quali produrrebbero benefici: ambientali: riduzione emissioni gas serra da combustibili fossili socio-economici: minori importazioni di petrolio, maggiori opportunità economiche per il settore agricolo

7 Introduzione. in Italia protocollo di Kyoto recepito con la legge 120/2002, ma solo con la sottoscrizione della Russia, nel febbraio del 2005, tale legge è potuta entrare in vigore essa obbliga per il , una riduzione di emissioni di CO 2 del 6,5% rispetto al livello del dal 1990 ad oggi si è registrato un aumento dei gas serra di oltre il 12%

8 Introduzione Direttiva comunitaria Il Protocollo aveva imposto al continente europeo una riduzione complessiva dell 8% delle emissioni... però l UE ha richiesto uno sforzo in più ai Paesi membri: tagliare le emissioni entro il 2020 di almeno il 20% rispetto al 1990, secondo la strategia detta del : riduzione delle emissioni del 20%, quota di energia da fonti rinnovabili pari al 20% aumento dell efficienza energetica del 20%

9 Le biomasse Definizione Materia organica (vegetale o animale) che non è andata in contro ad alcun processo di fossilizzazione e che può essere impiegata per la produzione di energia. Perché sono fonte di energia rinnovabile? Perché la CO 2 emessa per la produzione di energia non rappresenta un incremento dell anidride carbonica presente nell ambiente essa infatti è la stessa che le piante hanno prima organicato (fotosintesi) per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell atmosfera attraverso i normali processi degradativi della sostanza organica. L utilizzo delle biomasse riduce il tempo di ritorno della CO 2 in atmosfera rendendola nuovamente disponibile alle piante.

10 Le biomasse Le biomasse utilizzabili per produrre energia possono essere: residui forestali Colture energetiche: specie vegetali coltivate specificatamente per la produzione di combustibile residui agricoli reflui zootecnici residui industriali legnosi residui industriali agroalimentari

11 Le biomasse: colture energetiche Fonte: presentazione Dott. Ing. Nicola Graniglia

12 Vantaggi derivati dall impiego delle biomasse vegetali come fonte di energia economico : riduzione della dipendenza energetica; riconversione del settore agricolo; valorizzazione economica dei sottoprodotti e dei residui organici; risparmio nei costi di depurazione e smaltimento; stimolo alle industrie del settore; sociale : apertura del mercato dell energia agli operatori agricoli; diversificazione e integrazione delle fonti di reddito nel settore agricolo; occupazione in zone marginali; riduzione dell esodo dalle campagne;

13 Vantaggi derivati dall impiego delle biomasse vegetali come fonte di energia ambientale: riduzione delle emissioni di CO 2 nell atmosfera; riduzione delle emissioni nell aria dei principali inquinanti di origine fossile SOx, CO, NOX; possibilità di smaltire notevoli quantità di rifiuti e residui organici in modo sostenibile, recuperando allo stesso tempo parte dell energia in essi contenuta; controllo dell erosione e del dissesto idrogeologico di zone collinari e montane; potenziale ripristino della fertilità in ambienti marginali o sottoposti ad agricoltura intensiva.

14 La conversione energetica delle biomasse L utilizzo delle biomasse è legato a diverse soluzioni tecnologiche e in ogni caso, la conversione energetica deve comportare un processo di combustione che può avvenire: direttamente dal materiale solido (combustione tradizionale) successivamente ad una trasformazione intermedia del combustibile solido in un combustibile liquido o gassoso: chimica (biodiesel) biochimica (biogas e bioetanolo), termochimica,

15 Ciclo sintetico completo di utilizzazione delle biomasse Fonte: _biomasse_sm.pdf

16 LIGNOCELLULOSICHE H % C/N > 30 AMIDACEE ZUCCHERINE 15 H C/N qualunque OLEAGINOSE H 2 0 > 35% C/N qualunque Biomasse da ZOOTECNIA H 2 0 > 35% 20 C/N 30 EVENTUALE PRETRATTAMENTO SINTESI ESTRAZIONE DI ZUCCHERI PIROLISI, GASSIFICAZIONE FERMENTAZIONE ESTRAZIONE DIGESTIONE ANEAROBICA CARBONE VEGETALE ALCOLI: OLI GAS BIOETANOLO, BIOMETANOLO ESTERIFICAZIONE TRATTAMENTO BIODIESEL IDROGENO BIOMASSE PROCESSI VETTORI DESTINAZIONE COMBUSTIONE PER RISCALDAMENTO AUTOTRAZIONE ELETTRICITA

17 La conversione energetica delle biomasse N.B. A parità di sostanza secca alimentata, un residuo di potatura, rispetto ad una paglia, comporta un incremento della potenza elettrica ottenuta del 20 %, mentre, a parità di biomassa, un incremento del 10% sul contenuto di umidità comporta un decremento della potenza elettrica ottenuta di circa il 15%. Il rapporto carbonio-azoto C/N ed il contenuto di umidità influenzano in modo diretto quello che viene indicato come il parametro essenziale nella valutazione delle qualità combustibili di una determinata biomassa cioè il potere calorifico netto C/N e umidità: se C/N > 30 e umidità < 30 %: biomassa per processi termo-chimici se C/N < 30 e umidità > 30 %: biomassa per processi biochimici

18 Conversione energetica biomasse Potere calorifico netto (PCN) quantità netta di energia che si sviluppa dalla combustione di un 1 kg di combustibile (KWh/kg; 1 KWh = 860 Kcal) considerando il suo effettivo contenuto di acqua, cioè alle reali condizioni d impiego della biomassa; Potere calorifico superiore (H s ) quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente Potere calorifico inferiore (H i ) rappresenta il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione

19 I biocombustibili Propellenti derivati da risorse rinnovabili: il biodiesel, prodotto dall esterificazione dell olio di semi oleosi; il bioetanolo, prodotto dalla fermentazione alcolica di soluzioni zuccherine o di carboidrati (amido, cellulosa e lignina); Il biogas, prodotto attraverso la digestione anaerobica di biomasse di diversa origine il bio crude oil, corrispondente alla fase liquida prodotta dalla pirolisi della biomassa vegetale. il biometanolo, ottenuto dalla gassificazione a ossigeno della biomassa;

20 Biodiesel Prodotto ottenuto dalla spremitura di semi oleoginosi di colza, soia, girasole seguita da una reazione detta di transesterificazione: trasformazione di un estere in un altro estere per reazione con un alcol. Dalla reazione si ottiene il biodiesel, una miscela di esteri alchilici di acidi grassi a lunga catena.

21 Biodiesel è biodegradabile, cioè se disperso nell ambiente si degrada nell arco di pochi giorni, mentre gli scarti dei consueti carburanti permangono molto a lungo; garantisce un rendimento energetico paragonabile a quello dei carburanti; Gasolio Olio combustibile kcal/kg 9870 kcal/kg

22 Biodiesel: alcune specie vegetali impiegabili Colza (Brassica napus L. var. Oleifera) Pianta a ciclo autunno-primaverile; è caratterizzata dall avere seme piccole dimensioni che rende necessari la preparazione di un buon letto di semina al momento dell impianto; esso non deve essere depositato troppo in profondità in quanto si avrebbero successivi problemi nell emergenza; a questo fine può essere utile una rullatura prima della semina. In Italia la semina viene fatta in settembre nel settentrione e sino a novembre nel meridione Contenuto in olio dei semi circa 42 % Resa media 3.5 t/ha Resa in olio circa % su peso

23 Biodiesel: alcune specie vegetali impiegabili Girasole (Heliantus annus L.) Pianta a un ciclo primaverile-estivo. In Italia semina effettuata nella prima metà di aprile al Nord, verso la fine di marzo al Centro e non oltre la metà di marzo al Sud. La semina viene fatta a file distanti cm, con seminatrice di precisione Contenuto in olio dei semi circa 40 %; Resa media 2.5 t/ha Resa in olio circa % su peso

24 Biodiesel: alcune specie vegetali impiegabili Soja (Glicine max L.) Pianta a ciclo primaverile-estivo. Semina eseguita generalmente da aprile a metà giugno; è una leguminosa che entra in simbiosi con un microrganismo azotofissatore specifico, Rhizobium japonicum, generalmente assente nei suoli in cui la coltivazione non è mai stata condotta. Per questo motivo, quando si vuole coltivare la soia su un suolo che non l'ha mai ospitata, è indispensabile inoculare il seme con apposite colture microbiche. La concimazione azotata può essere limitata a kg/ha di azoto alla semina e in questo caso ha funzione di starter. Contenuto in olio dei semi circa %; Resa media t/ha Resa in olio circa % su peso

25 Bioetanolo Il bioetanolo è un alcool prodotto attraverso fermentazione di biomasse, ricche di glucidi quali: cereali (orzo, frumento, mais, sorgo; sia cariossidi che intere piante) colture zuccherine (barbabietola e canna da zucchero) amidacei (patate) vinacce residui ad alto contenuto di cellulosa (es. residui agro-forestali) Il processo di fermentazione è condotto lieviti (Saccharomyces cerevisiae) e anche altri batteri

26 Bioetanolo Produzione: fermentazione Idrolisi enzimatica + fermentazione idrolisi attraverso vapore d acqua saturo ad alta pressione (con catalizzatore acido) e successiva fermentazione [steam explosion]: tecnica utilizzata per ottenere bioetanolo partendo da biomasse ligno cellulosiche (arundo)

27 Bioetanolo: stato attuale in Italia Problema: il bioetanolo ha un elevato capacità igroscopica tale per cui è difficile mantenerlo in purezza Considerando come fonte di produzione i cereali, per produrlo verrebbe bruciata una quantità (energia) di combustibile fossile che è pari alla quantità (energia) di etanolo prodotta. Allo stato attuale, escludendo il bioetanolo prodotto in Brasile attraverso la canna da zucchero, esso è utilizzato come: componente per benzine, al fine di innalzare il loro numero di ottani (n ottani bioetanolo = 113) per la preparazione dell'etere etilbutilico (ETBE), un derivato ad alto numero di ottano.

28 Bioetanolo: stato attuale in Brasile La produzione di bioetanolo copre circa il 20% del fabbisogno di carburante per i trasporti interni. destina alla produzione di etanolo il 50% di produzione di canna da zucchero L etanolo è utilizzato in miscela al 25% nei motori Flex: le auto Flex Fuel sono il 66,7% delle immatricolazioni e superano il milione

29 Biogas Il biogas è un prodotto ottenuto attraverso digestione anaerobica di biomasse di origine vegetale e/o animale Contiene metano (40-80%), anidride carbonica (50-15 %) e in misura minore di acido solfidrico, ossigeno ( fino al 2%)

30 Biogas: digestione anaerobica Processo biochimico che comporta la degradazione della sostanza organica complessa (lipidi, glucidi, protidi) operata da microrganismi in ambiente anaerobico, con l ottenimento di una miscela di gas.

31 Fasi della digestione anaerobica 1. Idrolisi degradazione dei Polimeri in monomeri: es. trasformazione della cellulosa in glucosio e cellobiosio, proteine in a.a, lipidi in ac. Grassi e alcooli 2. Acidogenesi o fermentazione trasformazione dei monomeri delle macromolecole di partenza in H 2 O, CO 2, NH 3, etanolo ed acidi grassi volatili 3. Acetogenesi trasformazione degli alcoli e degli acidi grassi volatili in acetati, H 2, CO 2 4. Metanificazione i batteri metanigeni trasformano gli acetati, l H 2, la CO 2 in CH 4 mediante reazioni che comportano riduzione della CO 2 e decarbossilazione dell acido acetico

32 Gassificazione trasformazione di un combustibile solido (biomassa) o liquido, in combustibile gassoso, attraverso una decomposizione termica (ossidazione incompleta) ad alta temperatura ( o C) Gas prodotto: miscela di H 2, CO, CH 4, CO 2, N 2, vapore acqueo, ceneri (in sospensione) e tracce di idrocarburi (C2H6.). La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi tipi di gassificatori, dei combustibili e del loro contenuto di umidità;

33 Pirolisi processo di degradazione termica di un materiale in completa assenza di agenti ossidanti (aria o ossigeno) che porta alla produzione di componenti solide, liquide e gassose le temperature di lavoro sono relativamente basse prodotti principali del processo: carbone vegetale, frazione gassosa frazione oleosa liquida (olio pirolitico) le proporzioni relative dei prodotti dipendono fortemente dalla velocità di reazione e dal tipo di biomassa utilizzata.

34 Problemi dell uso delle biomasse per produzioni energetiche Problemi tecnologici (problemi impiantistici): usura degli impianti: necessità di manutenzioni frequenti (usura organi di alimentazione, delle camice delle caldaie a causa del silicio contenuto nei fusti di graminacee) gestione degli scarti di produzione: ceneri, liquami, fanghi, scarti di reazione. Problemi energetici: bilancio energetico di tutta la filiera (input ed output energetici)