I biocombustibili sono prodotti derivati dalla biomassa usati per autotrazione e riscaldamento, miscelati con carburanti ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri. I più comuni biocombustibili: Bio-Etanolo ottenuto da amidi e zuccheri Bio-Diesel ottenuto da grassi e oli Metanolo ottenuto dal legno I benefici legati ai biocombustibili derivano dal fatto di avere un impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile e di utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati. 1
L'uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del '900 quando Henry Ford ne promosse l'utilizzo, tanto che nel 1938 gli impianti del Kansas producevano già 18 milioni di galloni/anno di etanolo (circa 54.000 t/anno). L'interesse americano per i biocombustibili scemò dopo la seconda guerra mondiale in conseguenza dell'enorme disponibilità di olio e gas, ma negli anni '70, a seguito del primo shock petrolifero, apparvero in commercio benzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio fiscale concesso per l utilizzo dell etanolo). Con i più recenti emendamenti Clean Air Act (1990) che imponevano restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell aria nelle aree metropolitane più inquinate, si prospettò un maggiore ritorno dei biocombustibili. Ma all etanolo fu preferita l adozione dell MTBE (metil ter butil - etanolo) come sostitutivo del piombo tetrametiletile ( per migliorare le proprietà antidetonanti delle benzine). Solo dopo il progressivo inquinamento delle falde acquifere il governo americano sta cercando di mettere fuori legge gli MTBE promuovendo una politica che incentivi i biocombustibili. 2
Bio-Etanolo È un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante la fermentazione di diversi prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri. Le materie prime per la produzione di etanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi: Residui di coltivazioni agricole; Residui di coltivazioni forestali; Eccedenze agricole temporanee ed occasionali; Residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro - alimentari; Coltivazioni ad hoc (quelle più sperimentate e diffuse sono la canna da zucchero, il grano, il mais) Rifiuti urbani. Il bio-etanolo è tra i biocombustibili quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni, in alcuni paesi del sudamerica viene utilizzato puro in normali motori a combustione interna, opportunamente modificati. 3
Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i lieviti ed i batteri. Stabilimento francese si producono 150 tonnellate di zucchero e 200 ettolitri di bioetanolo all'anno, oltre alla polpa di barbabietola disidratata e pressata per l'industria dei fertilizzanti. 4
ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether) - Etere prodotto tramite: Isobutilene (54 %) + Etanolo (46 %) ETBE + calore - Si utilizza un catalizzatore a T < 100 C 5
In USA si possono acquistare vetture alimentate a bioetanolo, anche se, per le cilindrate proposte, non possono essere considerate ecologiche. Chrysler Sebring Dodge Stratus Mercedes C320 Sedans 6
Riportiamo i dati ottenuti da diversi autori nel corso degli ultimi 10 anni. Il grafico mostra i valori di bilancio energetico per il bioetanolo da mais espresso come: Energy Ratio (energia ottenuta dal biofuel/energia consumata per produrlo) Il bilancio energetico è favorevole al bioetanolo quando il valore di Energy Ratio è superiore a 1. Come appare evidente, i dati raccolti variano in un intervallo estremamente ampio che può essere giustificato da un lato con la reale difficoltà di individuare e quantificare tutti gli aspetti del problema, ma anche dalle scelte operate per "favorire" il raggiungimento del risultato ritenuto più interessante. 7
Biodiesel Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riclati, dalla spremitura di semi oleoginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione, che semplificando può essere rappresentata: Il glicerolo o più comunemente glicerina che si ottiene come prodotto secondario può essere usata per la produzione di creme per uso cosmetico. 8
Gli i prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del biodiesel devono subire vari processi prima di essere convertiti: ESTRAZIONE Meccanica (normalmente a pressione) Chimica (solvente, normalmente esano. Rapporto fino a 1:18) Combinati Girasole, Colza: circa 1 ha 1 t olio (girasole: ~ 2.6 t/ha 15 %) RAFFINAZIONE: rimozione sostanze estranee (proteine, gomme, resine, fosfatidi, chetoni, aldeidi) Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione) Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione, demargarinazione) 9
Il bilancio di massa semplificato dell'intero processo è il seguente: 1000 kg di olio raffinato + 100 kg metanolo = 1000kg biodiesel + 100 kg glicerolo Il biodiesel produce più energia di quanta ne è necessaria per la sua produzione: Caratteristica Quanti tà (t/ha) Consumo Energetico Specifico (MJ/t) Consumo Energetico Totale (MJ/ha) Spese di Energia * * * Coltivazione Colza Estrazione Olio Raffinazione Olio Trasformazione in Biodiesel Alcool Necessario Totale Ricavi di Energia Biodiesel Panello Proteico Altri Sottoprodotti Residui Colturali Glicerina Totale 3 3 1,2 1,08 0,13 * * 1,04 1,6 0,06 4,8 0,09 7.615 1.245 1.660 388 20.000 * * 36.500 15.000 38.181 12.500 17.500 22.844 3.735 1.992 419 2.662 31.612 * 37.930 24.000 2.291 60.000 1.540 125.761 10
Utilizzazione del biodiesel nei motori Il biodiesel può essere utilizzato in tutti i motori Diesel oggi sul mercato senza alcuna modifica, se miscelati con il gasolio fino al 20-30%, o solamente con piccoli accorgimenti nel caso si utilizzasse biodiesel puro. La sperimentazione migliore nel settore dell'autotrazione con biodiesel si è osservata nel pubblico trasporto (autobus urbani); le cosiddette "flotte" percorrono un elevato numero di chilometri ogni anno e quindi consentono di ricavare dati statisticamente attendibili. Mercato in Europa Produttori Italiani 11
Sicurezza ed uso Flash Point (FP): T minima alla quale i vapori di un combustibile si accendono se esposti a fiamma o scintilla FP basso Pericolo di incendio FP di miscele di Biodiesel aumenta all aumentare della % di Biodiesel nella miscela Il Biodiesel è più sicuro da utilizzare, maneggiare e stoccare Il biodiesel puro è pressoché privo di zolfo: Nessuna emissione di SO 2 ed aerosol di solfati sul particolato Aumento della vita del veicolo e del catalizzatore 12
Metanolo Noto anche come alcool metilico o alcool del legno, venne scoperto nel 1661 da Boyle nei prodotti di distillazione del legno. Nel 1812 Taylor notò che le proprietà chimiche dell'alcool metilico e quelle dell'alcool etilico erano molto simili. Da qui la frode alimentare che portò all'uso del metanolo nella vinificazione, con esiti spesso mortali essendo questo in forti dosi tossico per l uomo. È prodotto di solito dal gas naturale, ma può essere sintetizzato dalla biomassa. Il processo più diffuso è la gassificazione della biomassa, che consiste nel vaporizzare la biomassa ad alta temperatura e rimuovere le impurezze dal gas caldo e farlo passare su un catalizzatore che accelera la formazione del metanolo. produrre 1 lt di metanolo richiede 2-2.2 kg dibiomassa 4.35 kg di carbone 13
Applicazioni La smartfuelcell.de, ditta tedesca sta per mettere in commercio un "generatore" da 1 kw con relative "cartucce" di metanolo da 250ml, omologate per essere trasportate anche in aereo, il costo sembra poter essere competitivo, l'autonomia è fino a 5 volte maggiore delle più moderne batterie ad accumulo (per ogni ricarica) Trasformato in gas di metanolo può essere usato per l autotrazione La stessa ditta, in compartecipazione, vuole commercializzare un sistema integrato per alimentare i portatili con una autonomia che dipende dalle ricariche di scorta: una cartuccia da 125ml (un bicchiere) ha una autonomia per 7 ore di lavoro continuo 14
La fase di combustine è una reazione di ossidazione in cui gli elementi C, H e S reagendo con l ossigeno (contenuto nell aria) si ossidano dando luogo ad anidride carbonica, acqua e anidride solforica (come componenti principali). La reazione è esotermica, il calore sviluppato è quello che poi viene utilizzato nelle applicazioni. Il potere calorifico proprio la quantità di calore che si sviluppa dalla combustione completa di un unità di massa del combustibile. In particolare si definisce potere calorifico superiore H s, che tiene conto del calore condensazione dell acqua (vapore) che si forma a seguito della combustione. Generalmente nelle applicazioni si fa riferimento al potere calorifico inferiore H i che si ottiene da quello superiore sottraendogli il calore di condensazione dell acqua: H i = H s ( 9 yh + yu ) rh O y H frazione massica (percentuale in peso) di idrogeno nel combustibile y u quantità d acqua che si forma a seguito della combustione r H2O calore latente di condensazione dell acqua (2500 kj/kg) 2 15
combustibile Idrogeno Metano Diesel Etilene Gpl (Butano) Olio Combustile (Riscaldamento) Estere Metilico Biodiesel Olio Vegetale Etanolo Carbone Metanolo H i (kj/kg) 121500 50000 47000 46300 45800 42000 39000 38000 37000 26900 25000 21300 16