Energia dalle Biomasse Ing. Andrea Nicolini - CIRIAF

Energia dalle Biomasse
 Ing. Andrea Nicolini

Definizione di biomassa

S'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante direttamente o
indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
    DEFINIZIONE DI BIOMASSA SECONDO IL DECRETO LEGISLATIVO 29
                        DICEMBRE 2003, N. 387
 Biomassa: “la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti
 dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali ed animali), dalla silvicoltura e
 dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e
 urbani”

Sono una risorsa rinnovabile se
utilizzate con un tasso di utilizzo non
superiore      alla    capacità       di
rinnovamento biologico

Definizione di biomassa

Con il termine “biomasse” si intendono sostanze di origine biologica in forma
non fossile:
     – materiali e residui di origine agricola e forestale;
     – prodotti secondari e scarti dell’industria agroalimentare;
     – reflui di origine zootecnica;
     – rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 %
         in peso).

– Tra le biomasse vengono inoltre considerate:
    • alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente coltivate per
       essere destinate alla conversione energetica;
    • altre specie vegetali utilizzate per la depurazione di liquami organici.
    Sono da escludere:
    • le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del
       carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che
       qui interessa dei materiali organici.

Definizione di biomassa
Le biomasse sono una fonte rinnovabile perché l’anidride carbonica emessa
nel processo energetico è la stessa che la pianta ha fissato tramite la
fotosintesi clorofilliana

Definizione di biomassa
Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l’apporto
energetico dell’irraggiamento solare per convertire l’anidride carbonica
atmosferica e l’acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che
compaiono nei loro processi vitali:
carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato di
prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione

CO2  H 2O  energia solare  Cn H 2O m  O2
 Solo la parte visibile dello spettro solare (circa il 45% del totale) interviene
  nella fotosintesi;
 un ulteriore 20% dell’energia si perde per fenomeni di riflessione o cattivo
  assorbimento dovuto alla densità del fogliame.

Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa
21011 tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico
equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte l’attuale
fabbisogno energetico mondiale

Vincoli all’uso energetico delle
                     Biomasse
                                  Stagionalità
La raccolta si concentra normalmente in periodi temporali di poche settimane (la
paglia dei cereali tipo frumento in luglio; gli stocchi di mais in ottobre-novembre; i
residui di potatura nei mesi invernali).
La domanda dei prodotti di trasformazione si prolunga lungo l’intero arco dell’anno.

I calcoli economici debbono tener conto degli investimenti aggiuntivi relativi allo
stoccaggio delle scorte, nonché di quelli della loro eventuale essiccazione

                           Raccolta e trasporto
Gli impianti di trasformazione delle materie prime agricole sono soggetti ad effetto
scala.
Ad ogni impianto deve errere asservita una superficie agricola in grado di
approvvigionare la materia prima sufficiente per il funzionamento.
L’economicità di un impianto dipende dalla minore distanza esistente tra l’impianto
ed il baricentro massico delle biomasse.

Aspetti positivi e negativi
           dell’impiego delle biomasse
              VANTAGGI                                       SVANTAGGI
   Abbondante: si trova in quasi ogni         Necessarie grandi aree a causa della
    parte della terra, dove siano               bassa densità energetica: superficie
    presenti alghe, alberi, letame;             minima 12.000 ha, produzione superiore a
   Fonte di energia rinnovabile: grazie        17-25 t per ha
    alla possibilità del rimboschimento;       La produzione può richiedere elevati volumi
   Immagazzinabile-Stoccabile                  di fertilizzanti ed irrigazione;
   Convertibile in combustibili solidi-       Sistema di risorse (logistica) complesso
    liquidi-gassosi con buoni poteri            per assicurare la costante fornitura della
    calorifici;                                 risorsa;
   Sfruttamento di zone inutilizzate          Problemi di trasporto, stoccaggio e
    dall’agricoltura     e    conseguente       movimentazione a causa della bassa
    occupazione nelle zone rurali;              densità(bulk density): la convenienza
   Ciclo di emissioni di CO2: le piante        economica c’è se la distanza tra
    la riassorbono durante la loro              approvvigionamento ed impianto non
    crescita (fotosintesi)                      supera i 160 Km;
                                               Produzione soggetta a variazioni legate
                                                alle condizioni ambientali-meteo
                                               Produzione non costante durante l’anno
                                               Contenuto di umidità variabile

Classificazione delle biomasse

                                Biomasse

                    Residui organici                     Colture energetiche

 forestali     Trasformazione tecnologica   agricoli    terrestri   acquatiche
                  di prodotti e consumi

                     •Alimentari            •Animali
• vegetali
                     •Non alimentari        •Vegetali

Classificazione delle biomasse
Comparto forestale
                                           Colture energetiche

                       Origine

Comparto industriale   Comparto agricolo   Comparto zootecnico

Classificazione delle biomasse

       1

       2

       3

1. Colture Energetiche
Le colture energetiche sono coltivazioni specializzate per la produzione di
biomassa e possono riguardare sia specie legnose sia erbacee.

Coltivazioni energetiche erbacee:
• annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf);
• perenni (la canna comune ed il miscanto).
Coltivazioni energetiche legnose sono costituite da specie selezionate per
l’elevata resa in biomassa e per la capacità di ricrescita dopo il taglio (Short
Rotation Forestry):
• boschi cedui tradizionali;
• siepi alberate.
In base alle caratteristiche qualitative della biomassa, si possono distinguere:
− colture oleaginose (ad es. girasole, colza);
− alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola da zucchero, cereali);
− lignocellulosiche.

1. Colture Energetiche
 Colture erbacee (Miscanto, Canna Comune, Cardo)

                                                                              Resa energetica

                                                                                                                Resa energetica
                                                                               (kWh/ha∙anno)

                                                                                                (kWh/ha∙anno)

                                                                                                                 (kWh/ha∙anno)
                                                                                                evaporazione
                                   Produttività

                                                                                                 Energia per
                                    (t/ha∙anno)

                                                               (kJ/kg s.s.)
                                                  Sostanza
                                                   Secca

                                                                                   lorda
             Tipologia

                                                                                                                     netta
                                                                  P.C.I.
            di biomassa

   Arundo donax (CANNA COMUNE)        22          60%         17.581          64.464,4           6.111,1        58.353,3

       Miscanthus (MISCANTO)          18          70%         17.581          61.534,2          3.750,0         57.784,2

                                 canna                       miscanto

1. Colture Energetiche
 Biomasse legnose: Short Rotation Forestry (Robinia, Pioppo, Eucalipto, Salice,
  Ginestra)
                                 pioppo                                                               robinia

                                                                               eucalipto

    Tipologia

                                                             Resa energetica

                                                                                                      Resa energetica
                                                              (kWh/ha∙anno)

                                                                                      (kWh/ha∙anno)

                                                                                                       (kWh/ha∙anno)
                                                                                      evaporazione
                  Produttività

                                                                                       Energia per
   di biomassa
                   (t/ha∙anno)

                                              (kJ/kg s.s.)
                                   Sostanza
                                    secca

                                                                  lorda

                                                                                                           netta
                                                 P.C.I.

 PIOPPO              30             50%       17.581         73.255,0                 10.416,7        62.838,3

 SALICE              18             50%       17.581         43.953,0                  6.250,0        37.703,0

 ROBINIA             15             50%       18.000         37.499,6                  5.208,3        32.291,3

 GINESTRA             6             50%       18.000         14.999,8                  2.083,3        12.916,5

1. Colture Energetiche
 Colture oleaginose (Girasole, Colza, Soia, jatropha)
                                                                           jatropha
                                   soia

            colza

                                                            girasole

  Colture alcoligene, amidacee e zuccherine (Mais, Sorgo, Kenaf, Barbabietola)

                                           Bioetanolo
                                            (da barbabietola da zucchero
                                            o sorgo zuccherino)

        sorgo
                    barbabietola

1. Colture Energetiche

                     Contenuto   Produzione
                                              Resa in Olio
   BIOMASSA            Olio         seme
                                                (q/ha)
                        (%)         (t/ha)

     Girasole
                       30-50         3            10
(Heliantus annuus)

     Colza
                       33-45         3            11
(Brassica Napus)

    Jatropha           35-50        6-9          20-30

Principali colture utilizzabili per la
      produzione di energia
                   Colture per etanolo
  COLTURE                 AREA            PROBLEMATICHE

 Sorgo granella           Collina

                      Pianura/collina
     Grano
                           asciutta

Sorgo zuccherino      Pianura irrigua    Breve periodo di raccolta
                                         Breve periodo di raccolta
    Bietola           Pianura irrigua
                                                  Costi
  Topinambur          Collina asciutta      Rotazione difficile

Principali colture utilizzabili per la
      produzione di energia
                    Colture per oli esterificati
   COLTURE                  AREA             PROBLEMATICHE

    Girasole            Pianura/collina        Scelte varietali

                                                Adattamento
     Colza                  Varie
                                               Scelte varietali

Brassica Carinata           Varie          Scarsa sperimentazione
                                          Tecniche agronomiche non
    Cartamo                Asciutto
                                                 consolidate
                                          Tecniche agronomiche non
     Ricino                 Varie
                                                 consolidate
  Cynara Card.             Asciutto            Rese variabili
                                          Tecniche agronomiche non
  Crambe ab.
                                                 consolidate

Principali colture utilizzabili per la
        produzione di energia
 Colture ligno-cellulosiche per processi termochimici

COLTURE                             PROBLEMATICHE
     ANNUALI   Sorgo da fibra       Sfruttamento terreno
  POLIENNALI   Arundo donax       Sperimentazioni limitate
                Miscanthus        Sperimentazioni limitate
                 Ginestra                Raccolta
               Cynara Card.            Rese variabili

                                Tecniche da mettere a punto,
                  S.R.F.
                                      Costo trapianto

2. Biomasse residuali

Sono sottoprodotti di processi di natura agroforestale o industriale
(si escludono i comparti agro-alimentare e zootecnico, trattati a parte)

 consentono il recupero di energia altrimenti dispersa (risparmio energetico
  e rispetto dell’ambiente, per la minore produzione di rifiuti);

 il recupero richiede una spesa energetica, economica ed ambientale che
  deve essere valutata, per definire la convenienza del processo;

 il processo deve essere attentamente progettato a causa della non ottimale
  composizione della biomassa residuale, che potrebbe inficiarne le
  prestazioni e produrre emissioni globali potenzialmente più pericolose del
  conferimento diretto in discarica.

2. Biomasse residuali

Possono essere così classificate:                                  potatura

A. Residui Agricoli:
    Scarti di potatura
    Paglie
    Stocchi di mais, girasole, tabacco, ecc.

   B. Residui forestali:
    Cimali e ramaglie
    Sfridi legnosi e segatura
   C. Residui del verde urbano
    Potature
    Abbattimenti di alberature stradali        olii esausti            segatura

   D. Residui industriali
      Pallet ed imballaggi
      Residui cantieri edili
      Carta e cartone
                                                               paglia
      Oli esausti di frittura

2. Biomasse residuali
BIOTRITURAZIONE: rischio di intasamento degli alvei fluviali

3. Residui Agroalimentari e
                  Zootecnici
Sono    sottoprodotti   dei  processi              delle     industrie
agroalimentari e zootecniche

 sono trattati in maniera separata, per la notevole importanza che tali
 industrie rivestono nell’economia nazionale;

 risulta molto interessante valutare le opportunità di re-impiego in
 chiave energetica dei residui all’interno del ciclo stesso (industrie
 fortemente energivore, sia in termini di calore che di energia
 elettrica: le opportunità di cogenerazione offerte dalle proprie fonti
 residuali possono consentire una drastica diminuzione dei costi).

3. Residui Agroalimentari e
                    Zootecnici
A) Residui agroalimentari
   Sanse esauste
   Vinacce
   Gusci di noci, nocciole, mandorle, pinoli, ecc.
   Noccioli di pesche e susine
   Bucce di pomodori, agrumi, ecc.
   Trebbie (birrerie)
   Lolla di riso
   Siero di latte

B) Residui zootecnici
 Sego e grassi residuali
 Deiezioni suine e bovine
 Pollina

Conversione energetica delle
         biomasse

Conversione termochimica
                                Combustione
I dispositivi per la combustione hanno le stesse caratteristiche
costruttive di quelli impiegati per la gassificazione a letto fisso o a
letto fluido e si differenziano soltanto per pochi particolari costruttivi
e di processo.
 Gli impianti che sfruttano la combustione di biomassa a scopi energetici possono
                            essere suddivisi in due categorie:
 Impianti per la produzione di energia termica eventualmente                    in
  cogenerazione, a partire da combustibile solido (generalmente

Conversione termochimica
                         Combustione
   Principali problematiche all’utilizzo degli impianti di
                combustione di biomasse:

 L’approvvigionamento della biomassa a costi contenuti: questo
  è un fattore chiave anche in presenza di una buona
  valorizzazione dell’energia elettrica prodotta e spinge a
  considerare quelle situazioni dove la concentrazione della
  biomassa è già elevata per motivazioni diverse da quelle
  energetiche (es. industria con grandi quantità di residui
  disponibili);
 La possibilità di un impiego produttivo del calore disponibile
  ai prezzi di mercato del riscaldamento civile: questo fattore è
  strategico per conseguire buone prestazioni economiche anche
  in presenza di investimenti elevati.

Produzione di energia elettrica

                             Biomassa
                          ligno-cellulosa

Piccole potenze            Medie potenze               Elevate potenze
 5 – 1000 kW                 1 – 5 MW                     5 – 50 MW

 Caldaie associate           Caldaie o gassificatori     Caldaie o gassificatori
  a motori Stirling          associati a cicli ORC o     associati a cicli vapore
                                   a vapore
                                                          Gassificatori associati
Caldaie associate            Gassificarori associati         a cicli Brayton
   a cicli ORC                  a cicli Brayton               o combinati

Gassificatori associati
 a motori endotermici

Conversione termochimica
                           Combustione
FILIERA ENERGETICA DI RECUPERO DEGLI SCARTI DI POTATURA

     1-Rotoimballatura             2-Trasporto e stoccaggio

       3-Cippatura e stoccaggio   4-Conversione energetica

Conversione termochimica
                                       Combustione
      TELERISCALDAMENTO = Affinché si possa ipotizzare di costruire un
    impianto di teleriscaldamento a biomassa, occorre che siano soddisfatti i
                                 punti seguenti.
   Aggregato di case e/o attività che richiedano energia termica;
   Disponibilità di una o preferibilmente più fonti di approvvigionamento o creazione di una
    filiera di biomassa, come conseguenza della domanda da parte dell'impianto di
    teleriscaldamento;
   La distanza dalla fonte di approvvigionamento non deve essere eccessiva;
   Presenza di un'area adeguata dove poter costruire l'impianto ed i magazzini di stoccaggio.

                     Punti critici del teleriscaldamento a biomasse
    Accettabilità sociale;
    Vicinanza alle vie di trasporto e cura per non appesantire l'abitato con un     eccessivo
    traffico di mezzi pesanti;
    Stoccaggio: i volumi necessari non permettono uno stoccaggio stagionale - notevoli superfici
    per creare magazzini che consentano una certa autonomia;
    Condizioni di lavoro (sicurezza) degli addetti alla raccolta-selezione-trasporto;
    Sostenibilità economica;
    Rapporto tra prime e seconde case per il corretto dimensionamento               dell'impianto -
    spesso la località servita è turistica.

Conversione termochimica
                         Combustione
COFIRING

       Consiste nell’utilizzare la biomassa come combustibile
            complementare al carbone o al gas naturale.

Viene sostituita una porzione (circa il 15 – 20%) del carbone con
biomassa, possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella
stessa caldaia o utilizzando alimentazioni separate, permette la
riduzione della CO2 ed SO2 (anidride solforica).

Conversione termochimica
                                Pirolisi

  È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante
l’applicazione di calore a temperature comprese fra i 400 – 800°C, in
              completa o parziale assenza di ossigeno.

  I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni
  differenti in funzione del tipo di processo utilizzato ( pirolisi
  lenta, veloce o convenzionale)

       Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un
        combustibile dal potere calorifico di 4 – 7 MJ/Nm3.

Conversione termochimica
                                  Pirolisi

La pirolisi del Legno viene fatta in tre stadi:
1. disidratazione: legna + calore  legna secca + vapor acqueo
2. pirolisi: legna secca + calore  carbone vegetale + pece + gas (CO,
CO2, H2O, CH4)
3. combustione: carbone + ossigeno + H2O  CO + H2 + CO2 + calore

La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tasso
di umidità non deve superare il 20%.
L’essiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando la
biomassa per un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppure
mediante l'impiego di forni, con apporto di calore ad una temperatura
intorno ai 100°C, per evitare possibili accensioni del vegetale.

Conversione termochimica
                              Pirolisi

La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si
ottengono prodotti diversi, a seconda delle temperature raggiunte.

 Carbonizzazione per valori sino a 400-500°C, che origina
  carbone di legna corrisponde al 30-35% del materiale secco
  di partenza (il carbone di legna ha un contenuto di carbonio
  compreso nel campo 75÷85%, ed un potere calorifico di
  circa 6000/7000 kcal/kg)
 Produzione di gas a temperatura di 600°C e sino a 900-
  1000°C composto da H2, CO, CO2 (quest’ultime in
  percentuali sempre più basse), con potere calorifico di circa
  3000 kcal/Nm3

Conversione termochimica
                           Gassificazione

È un processo endotermico a due stadi per mezzo dei quali il
combustibile (biomassa o carbone) è convertito in gas a basso o medio
potere calorifico 4000 – 14000 KJ/Nm3.
Primo stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a
temperatura inferiori a i 600°C da un insieme di reazioni complesse.
Questi componenti sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO2,
nerofumo e vapor acqueo.
Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengono
vaporizzate in una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parte
incombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire il
calore necessario per le reazioni endotermiche di gassificazione.

Conversione biologica
    Biocombustibili = Prodotti derivati dalla biomassa, miscelati con carburanti
    ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri, usati per autotrazione e
    riscaldamento.
•     Impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile;
•     utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati.
•     L’uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del ‘900
      (Henry Ford); nel 1938 gli impiani del Kansas producevano già 54.000 t/anno di
      bioetanolo. l’interesse americano per i biocombustibili decadde dopo la Seconda
      Guerra Mondiale in conseguenza dell’enorme disponibilità di olio e gas;
•     negli anni ’70, a seguito della prima crisi petrolifera, apparvero in commercio
      benzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio
      fiscale concesso per l’utilizzo dell’etanolo).
•     Clean Air ACT (1990): restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell’aria
      nelle aree metropolitane più inquinate. 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 di incentivo per i biocombustibili.

Conversione biologica
Biocombustibili = Prodotti derivati dalla biomassa, miscelati con carburanti
ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri, usati per autotrazione e
riscaldamento.

•    In Italia (Decreto 10/10/2014), in linea con le direttive europee (quali
     2009/30/CE), è stato introdotto l’obbligo per i fornitori di benzina e gasolio di
     immettere in consumo una quota minima di biocarburanti, al fine di
     svilupparne la filiera, aumentarne l’utilizzo e limitare l’immissione di CO2 in
     atmosfera. Il quantitativo minimo annuo di biocarburanti che devono
     immettere in consumo è calcolato sulla base dei carburanti fossili immessi in
     consumo nello stesso anno solare (5% delle immissioni in consumo di
     benzina e diesel nel 2015, al 5,5% nel 2016, al 6,5% nel 2017, al 7,5% nel
     2018).

Conversione biologica
                                  Fermentazione

•   E’ un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante fermentazione di diversi
    prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri;
•   Il bio-etanolo è tra i combustibili quello che mostra il miglior compromesso tra
    prezzo, disponibilità e prestazioni;
•   L’etanolo può essere prodotto seguendo due vie: quella chimica e quella
    biologica;
•   Il bioetanolo ha origine dalla seconda via;
•   Il processo si basa sulla trasformazione
    biochimica dei carboidrati (zuccheri) in                               Lievit
                                                      MAIS      Glucosio i
    alcool, operata da microrganismi
    (lieviti);
•   La produzione di etanolo adatto all’uso
    combustibile (puro almeno al 95%),
    richiede un ulteriore processo di               BIOMASSE      Zuccheri
    distillazione;                                                          Batte
•   Nel       processo    di     fermentazione                              ri

    vengono utilizzati dei catalizzatori
    naturali come i lieviti ed i batteri.

Conversione biologica
                                        Fermentazione
                                          Bioetanolo
                                          Unità di
              Caratteristiche                           Etanolo                    Benzina
                                          misura

                                                                                   Miscela
                 Formula                              CH3-CH2-CH
                                                                             idrocarburi - additivi
                 Densità                   g/cm3     0,789 (a 20°C)            0,740 (a 15°C)
        Potere Calorifico Inferiore       Kcal/kg        6.400                      10.000
        Temperatura di ebollizione          °C            78,3                     30 ÷ 200
       Temperatura di congelamento          °C           -11,4                    Sotto i -50
          Calore di evaporazione          Kcal/kg        200,6                        85
          Punto di infiammabilità           °C            21                     Da -40 a 40
            Numero di ottano                              106                 98 – 102 (super)

Nonostante la differenza di potere calorifico tra l’alcool etilico e la benzina, le potenze esprimibili
  nei motori sono all’incirca equivalenti, per le diverse caratteristiche di combustione degli alcoli
                                        rispetto alla benzina:
•     gli alcoli presentano una minore temperatura e luminosità di fiamma cosicché minor calore
      è perso per conduzione e per irraggiamento dalla camera di combustione al sistema di
      raffreddamento del motore;
•    gli alcoli, bruciando più rapidamente, permettono una coppia più elevata al motore.

Conversione biologica
                                       Fermentazione
                                         Bioetanolo
Consumi

•   Il potere calorifico dell’etanolo è inferiore a quello della benzina, la miscelazione di questi
    determina a parità di altre condizioni un peggioramento del consumo calcolato (Km/Litro).

•   L’addizione dell’ossigeno, assente del tutto nella benzina, reca un miglioramento alla
    combustione in termini di consumo termico (Km/caloria): smagrimento della miscela
    aria/benzina e miglioramento della combustione.
Emissioni

•   Il bioetanolo, essendo un prodotto derivato da biomassa, non comporta alcuna emissione di
    anidride carbonica netta in ambiente: le biomasse, catturano, durante il processo di
    fotosintesi”, il carbonio in atmosfera (sotto forma di CO2); la CO2 verrà assorbita dalle nuove
    biomasse coltivate per produrre altro biocombustibile

•   Eliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene;
    Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti;

•   Aumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide.

Conversione biologica
                                    Fermentazione
                                      Bioetanolo
Principale materia prima per la produzione di bioetanolo:
o Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate
    all’anno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati);
o Barbabietola da zucchero - 0,26 miliardi di tonnellate all’anno.
Quando sarà disponibile la produzione commerciale di bioetanolo da biomassa
lignocellulosica (cioè da processi enzimatici), la potenziale produzione di questo prodotto
aumenterà notevolmente: la produzione mondiale di biomassa lignocellulosica è dieci volte
superiore a quella di altri tipi di biomassa.
o Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m3;
o Il potenziale produttivo mondiale di bioetanolo, è stimato intorno ai due miliardi di
    tonnellate all’anno (0,5 miliardi di tonnellate all’anno dallo zucchero e 1,5 miliardi di
    tonnellate all’anno da biomassa lignocellulosica);
o L’uso del bioetanolo nel settore dei trasporti (20% del consumo attuale) raggiungerà
550 milioni di tonnellate all’anno.

Altri possibili impieghi che comporteranno una maggiore penetrazione di bioetanolo:
o miscele gasolio-etanolo puro;
o gasolio riformulato con ETBE (derivato del bioetanolo);
o uso di bioetanolo per macchine agricole.

Conversione biologica
                          Digestione anaerobica

La digestione anaerobica è un insieme di processi biologici mediante i
quali le sostanze organiche possono essere "digerite" in un ambiente
privo di ossigeno, arrivando alla produzione di:

 Gas combustibile “biogas” costituito per il 50 – 70% da metano e per la
 restante parte da CO2 il potere calorifico medio è dell’ordine di 23.000 KJ/m3.

 Fanghi humificati e mineralizzati, il materiale organico, originariamente
 putrescibile, e stato trasformato in un prodotto metastabile ed innocuo,
 soggetto a decomposizione molto lenta contenente elementi nutritivi principali

 quali: azoto, fosforo e potassio   → Utilizzati come fertilizzanti

Conversione biologica
                         Digestione anaerobica
Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati con
deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica dei
residui solidi urbani.

In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono
suddivisi in:

• Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C

• Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C

• Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C.

Tali batteri sono sempre presenti nella massa organica originale, si
sviluppano in ambiente chiuso, e trasformano i composti organici in CH4
e CO2, utilizzando gli enzimi come catalizzatori biologici.

Conversione biologica
                          Digestione anaerobica
                     Biogas da reflui zootecnici
Azienda agricola dispone di 200 CAPI BOVINI di peso vivo pari a 1800 q

6 tonnellate giorno di deiezioni
Azienda agricola dispone di STOCCHI DI MAIS: 100 kg/giorno

TECNOLOGIA DI IMPIANTO DI DIGESTIONE ANAEROBICA:
• Impianto di co-digestione
• Digestore di tipo Plug-flow
• Condizioni di termofilia (45 °C)
• Tempo di ritenzione di 15 giorni
• Schema semplificato
• Configurazione costruttiva compatta mobile e modulare

Conversione biologica
     Digestione anaerobica
Digestori a flusso continuo

Conversione biologica
                        Digestione anaerobica
Sezione gestione liquami
 canale di raccolta delle deiezioni,
  situato a bordo delle corsie di
  alimentazione        dei      bovini,
  alimentato per via meccanica
  mediante delle ruspette atte al
  raschiamento della corsia
 prevasca di raccolta liquami, in
  arrivo per gravità dal canale di
                                            Figura 1 - Ruspetta per rimozione deiezioni
  raccolta, dimensionata per lo
  stoccaggio       quotidiano     delle
  deiezioni, di volume pari a circa 50
  m3;
 stazione di pompaggio costituita da
  un’elettropompa       con    motore
  elettrico esterno al pelo libero del
  liquame;

                                          Figura 2 - Stazione di pompaggio liquame

Conversione biologica
                       Digestione anaerobica

Sezione gestione liquami:
 stazione di separazione solido-liquido,
  necessaria per l’eliminazione, nei
  tempi tecnici di digestione previsti,
  delle particelle solide grossolane non
  biodegradabili, quali ad esempio i
  residui vegetali ed il pelo, che tendono
  a formare una crosta sulla superficie
  del liquame; in tal modo si ottengono
  due fasi, una sostanzialmente solida,
  palabile ed ammucchiabile in platea,       Figura 3 - Stazione di separazione solido-
  ed una completamente liquida               liquido.

 vasca di accumulo del liquido
  proveniente dal separatore, di volume
  pari a circa 50 m3
 platea raccolta dei solidi, provenienti
  per caduta, dalla stazione di
  separazione

DIGESTORI A BIOCELLE:
                        Sez. B‐B

                        Sez. A‐A

Conversione biologica
                         Digestione anaerobica
                         Rendimento in biogas
Substrato                   Volume      Peso     biogas
                             (m3)        (t)      (m3)
Liquame bovino                1           1       15,0
Letame bovino                 1          0,3      10,1
Liquame suino                 1           1       15,6
Letame suino                  1          0,3      23,5
Liquame avicolo               1           1       44,5
Letame avicolo                1          0,3      29,3
Letame ovino                  1          0,3      21,1
Letame equino                 1          0,3      18,9
Insilato di mais              1         0,625     67,6
Insilato d’erba               1          0,5       89
Fieno                         1          0,35    137,8
Trifoglio                     1          0,3       64
Paglia                        1          0,04      12
Stocchi di mais               1          0,4     123,8
Scarti distillaz. mele        1          0,3      2,6
Melasse                       1          0,3      68,4
Siero                         1           1       15,3
Scarti vegetali               1          0,4      14,5

Conversione biologica
                            Digestione anaerobica
                             Composizione del biogas
      Componente                            Vol. (%)
      Metano (CH4)                          50-70%
      Anidride carbonica (CO2)              30-50%
      Azoto (N2)

Conversione biologica
                     Digestione aerobica

Consiste nella metabolizzazione delle sostanza ad opera di
batteri, che convertono sostanze complesse in altre più semplici,
liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento del
substrato.
Il calore prodotto può essere trasferito all’esterno per mezzo di
uno scambiatore a fluido. Tale processo viene utilizzato ad
esempio per il trattamento delle acque di scarico.

Conversione meccanica
                          Spremitura
             Impianto sperimentale ad OLIO VEGETALE

IMPIANTO DI SPREMITURA      FILTRO OLIO

Conversione meccanica
          Spremitura
 Cogeneratore ad OLIO VEGETALE

                          Pe = 100 kWe
                          Pt = 150 kWe
                          T = 8.000 h/anno

Conversione meccanica
                          Spremitura
Esempio di impianto di produzione di olio vegetale da semi di
girasole abbinato ad un motore a combustione interna, alimentato
dallo stesso olio prodotto, con sezione di cogenerazione per la
produzione di energia elettrica ed energia termica

Conversione meccanica
                      Spremitura

VANTAGGI AMBIENTALI

Filiera di produzione del biodiesel
                                         Biodiesel
Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati, dalla spremitura di semi oleaginosi di
          colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione.

                                                      Il glicerolo o più comunemente glicerina
                                                      che si ottiene come prodotto secondario
                                                        può essere usata per la produzione di
                                                     creme ad uso cosmetico. 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 in rapporto 1:18);
      Combinata (Girasole-colza: circa 1 ha produce 1 t di olio);
 Raffinazione:
      Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione);
      Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione,
      demargarinazione).

Filiera di produzione del biodiesel
                   Biodiesel

Il bilancio di massa semplificato dell’intero processo
                     è il seguente:

    1000 kg di olio raffinato + 100 kg di metanolo
                          =
      1000 kg di biodiesel + 100 kg di glicerolo

Filiera di produzione del biodiesel
                                      Biodiesel

o   Il biodiesel è stato testato in varie percentuali di miscelazione con gasolio, a partire
    dal 5% passando per il 20 ed il 30% fino ad arrivare al biodiesel puro;
o   Le miscele con gasolio, sino al 30% in volume, possono essere utilizzate senza
    significative modifiche al motore (verificare la compatibilità dei materiali costitutivi
    dell’impianto di iniezione, con particolare riferimento alle gomme butiliche);
o   L’olio lubrificante è diluito dal biodiesel, per cui si deve avere l’accortezza di
    sostituire l’olio con maggiore frequenza (in particolare con sistemi di iniezione con
    pompe in linea);
o   Problemi nel funzionamento del motore alle basse temperature (punto di
    otturamento a freddo del biodiesel è di –9°C, contro i – 22°C del gasolio);
o   Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante;
o   Il potere calorifico inferiore del biodiesel è inferiore di circa il 13% rispetto a quello
    del gasolio (32,8 MJ/dm3 contro 35,6 MJ/dm3), ma ciò è parzialmente compensato
    dalla maggiore densità (0,88-0,89 kg/m3 contro 0,83-0,85 kg/m3 a 15°C).
o   Il potere calorifico inferiore del biodiesel comporta un lieve aumento dei consumi,
    (circa il 2-3%), difficilmente percepibile a causa dell'elevata oscillazione dei consumi
    riscontrabili in campo, relativi al tipo di guida e percorso.

Filiera di produzione del biodiesel
                                         Biodiesel
Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile.

Emissioni (biodiesel quale combustibile puro):
o   SO2 : è presente il contributo di SO2 da parte dell’ olio lubrificante che viene bruciato;
o   CO: apprezzabile riduzione delle emissioni di CO (5-8%);
o   HC: le emissioni sono equivalenti, è drasticamente minore (da uno a due ordini di
    grandezza) il contenuto dei composti policiclici aromatici PAH, corresponsabili di
    molte forme di cancro;
o   NOx : incremento delle emissioni di NOx (15% circa);
o   Opacità (FSN): drasticamente inferiore a quella prodotta dal gasolio (30% al 70%);
o   Particolato: emissioni in massa di particolato risultano molto prossime (talvolta
    appena superiori) a quelle generate dalla combustione di gasolio; la granulometria
    media del particolato prodotto dal biodiesel è superiore di un ordine di grandezza
    (circa 0,1 mm per il fossile, 1,5 mm per il biodiesel). minore la pericolosità del
    particolato generato dal biodiesel;
o   CO2: non comporta alcuna emissione netta in atmosfera;
o   Biodegradabilità : elevata (99,6% in 21 gg.), in caso di dispersione accidentale, il
    biodiesel non inquina né il suolo né le acque.

Biocarburanti di seconda
              generazione

Prima generazione  da materie prime alimentari
(es.biodiesel da semi oleaginosi, bioetanolo da
mais o da canna da zucchero)

Seconda generazione  da materie organiche
non alimentari (non hanno impatto sulla filiera
agroalimentare)

Biocarburanti di seconda
              generazione

Biomassa lignocellulosica

È abbondante

Non è competitiva con le colture alimentari

Contiene emicellulosa e cellulosa (polimeri di
 zuccheri) da cui produrre biogas o bioetanolo.

Biodiesel di II generazione
Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o animali (anche con
caratteristiche chimico-fisiche che danno scarsa resa nella conversione
in biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni impianti industriali di
grandi dimensioni (es. ENI)

Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e successivo reforming
dell’olio ottenuto (bio-olio). È ancora in fase sperimentale

Gassificazione della biomassa e reazione Fischer-Tropsch

Biodiesel di II generazione
Biodiesel da microalghe
Le alghe sono formate da lipidi, proteine e
carboidrati (come le piante)

   Scelta della specie idonea, crescita e
    raccolta

   Estrazione frazionata: viene prima la
    componente lipidica con solventi (es.
    esano, cloroformio, metanolo) poi si         Coltura         Resa stimata
                                                                 (litri/ha*anno)
    convertono carboidrati e proteine

   trasformazione          con      pirolisi,   Soia            400
    gassificazione                               Girasole        800
                                                 Jatropha        2.000
                                                 Olio di palma   6.000
                                                 Microalghe      60.000

Bioetanolo di II Generazione

                  Cardo in terreni marginali

                                               Lignina

Bioetanolo di II generazione

Processo biologico: idrolisi enzimatica di materiali lignocellulosici e
successiva (o contemporanea) fermentazione degli zuccheri
provenienti da cellulosa ed emicellulose. Questa tecnologia è
attualmente al centro di un rinnovato interesse da parte della comunità
scientifica internazionale .

Processo termochimico: gassificazione della biomassa per produrre
syngas (H2 e CO) e successiva fermentazione del syngas.

   Resa per 1 ettaro (ha) di terreno Bioetanolo
   coltivato a mais e frumento
   Prima Generazione                3 t/ha
   Seconda generazione              10 t/ha

BTL Fuels

Dimetil-etere (DME)
Bio-metanolo
Miscele di alcoli ed altri composti organici ossigenati

Sono ottenuti via gassificazione e sintesi catalitica
genericamente indicati come BTL (Biomass to liquids)
Fuels.
Sono processi attualmente oggetto di sperimentazione a
livello di laboratorio o impianti di piccola scala.

Filiere di produzione dei
      biocarburanti

Produzione mondiale Energia
   elettrica da Biomasse

            Fonte: World Bioenergy Association 2014

Produzione mondiale
  Biocombustibili

           Fonte: World Bioenergy
           Association 2014

Uso mondiale biomassa per calore

              Fonte: World Bioenergy Association 2014

Situazione italiana 2013

          Fonte: GSE, 2013

Situazione italiana 2013

          Fonte: GSE, 2013

Produzione da bioenergie per
  Regione nel 2013 (GWh)

            Fonte: GSE, 2013

Produzione da biomasse solide

Fonte: GSE, 2013

Produzione da biogas

Fonte: GSE, 2013

Produzione da bioliquidi

Fonte: GSE, 2013

Produzione da RU biodegradabili

Fonte: GSE, 2013

Prospettive per l’energia dalle
              Biomasse in Italia
   In Italia esiste un potenziale (prevalentemente da residui agro-industriali e
    urbani) tali da consentire l’installazione di circa 3000 MW di potenza elettrica
   Assenza di adeguate iniziative imprenditoriali, malgrado gli interessanti
    incentivi degli ultimi anni.
   Occorrono nuove figure professionali, imprenditori ed operatori, come, ad
    esempio, quella dell’ “agricoltore-esercente di impianto termico” (consorzi di
    operatori agricoli) con la partecipazione di operatori qualificati con esperienza
    specifica nel settore della produzione dell’energia.

Biomasse più interessanti:
o residui agro-industriali;
o   rifiuti solidi urbani;
o   coltivazioni energetiche di accertata economicità.

Benefici attribuibili all’impiego
   diffuso delle biomasse