Tecnologie - Biomassa - Principi 2. Tipologie 3. Bioraffinerie
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Tecnologie – Biomassa
1. Principi
2. Tipologie
a) Combustione
b) Biocombustibili liquidi
c) Biocombustibili gassosi
3. Bioraffinerie
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
VIII - 0
Principi
• Piante coltivate e scarti di lavorazione agricole e boschive
seccate ➟ combustibile
• Piante da semi oleaginosi ➟ olio esterificato (biodiesel)
• Piante produttrici di amido o glucosio ➟ etanolo
• Biomassa fermentata (anaerobica) ➟ biogas combustibile
• Biomassa pirolizzata ➟ bioolii combustibili (o sostitutivi del
petrolio nellʼindustria chimica)
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Tutti questi sistemi producono, nella fase dʼuso,
altrettanta CO2 di quanta ne è sequestrata nella biomassa
e sono quindi neutri da questo punto di vista.
VIII - 1
Combustione
Parametri:
• tipologia del combustibile:
• alberi da foresta
• residui da gestione forestale
• alberi da coltivazione specifica (Short rotation forestry)
• residui della lavorazione del legno
• segatura
• paglia (da frumento)
• stocchi e residui di mais
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• contenuto in acqua
• bagnato (umidità > 60% in peso)
• secco (umidità < 20% in peso)
• dimensioni (rapporto superficie/volume)
• contenuto di ceneri
VIII - 2
Processo di combustione
Fotosintesi: CO2 + 2H2O ⟶ CH2O + O2 + H2O
Combustione: Cx Hy Oz + (x + y/4 – z/2) O2 ⟶ xCO2 + (y/2) H2O
Altre emissioni dirette:
• Oxides of Azoto ((NOx – N dallʼaria)
• Sulfuri (SOx – S nel legno: 0.01÷0.03%)
• Acido cloridrico (HCl)
• Ossido di carbonio (CO), idrocarburi e VOC (da combustione incompleta)
• Formaldeide e Fenoli
• Metalli pesanti (cadmio, piombo e mercurio)
• Protossido di Azoto (N2O)
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Emissioni indirette:
• metano (CH4) dalla conservazione
Ceneri:
• dallʼ1% (legno dolce – conifere) al 6÷16% (legno duro)
• ceneri volatili (da sottrarre prima dellʼemissione al camino)
• ceneri solide (da sottrarre alla camera di combustione)
VIII - 3
Metodi di combustione (eff.=80/95%)
Alimentazione
• dal basso (ma necessita di avere poche ceneri)
• di lato (con nastri trasportatori o iniettori)
Griglia fissa
• pezzatura uniforme
• basso tasso di umidità
• poche ceneri
• fino a 25÷500 kW
Griglia mobile
• pezzatura qualsiasi
• sopporta tassi di umidità più alti
• anche molte ceneri
• da 500 kW a 10 MW
Letto fluido
• ugelli per mescolare il letto fatto da un mix di
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silice calda (90%) e biomassa (10%)
• temperatura: 800÷900°C
• elevati coefficienti di scambio termico
• possibilità di rimozione di molti inquinanti
acidi (SO2, HCl, HF) durante la combustione, griglia mobile
mediante lʼaggiunta al letto di assorbenti
selettivi
• termodistruzione di molte specie nocive (es.
diossine)
• unica soluzione sopra i 10 MW (e
termovalorizzatori) letto fluido
VIII - 4
Contenuto energetico
Low-high value Low-high value
Fuel type & source MJ/kg MJ/kg kcal/kg kcal/kg
Agricultural Residues
Corn stalks/stover (1,2,6) 16.8 18.5 4000 4400
Sugarcane bagasse (1,2,6) 17.7 19.4 4200 4600
Wheat straw (1,2,6) 15.1 18.9 3600 4500
Hulls, shells, prunings (2,3) 15.8 20.5 3800 4900
Fruit pits (2-3) 7.7 8.6 1800 2100
Herbaceous Crops
Miscanthus (6) 17.8 19.6 4300 4700
switchgrass (1,3,6) 16.8 19.1 4000 4600
Other grasses (6) 16.9 18.6 4000 4400
Bamboo (6) 19.0 19.8 4500 4700
Woody Crops
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Black locust (1,6) 18.5 19.9 4400 4800
Eucalyptus (1,2,6) 18.0 19.6 4300 4700
Hybrid poplar (1,3,6) 17.7 19.7 4200 4700
Willow (2,3,6) 16.7 19.7 4000 4700
1. http://www1.eere.energy.gov/biomass/feedstock_databases.html
2. Jenkins, B., Properties of Biomass, Appendix to Biomass Energy Fundamentals, EPRI Report TR-102107, January, 1993.
3. Jenkins, B., Baxter, L., Miles, T. Jr., and Miles, T., Combustion Properties of Biomass, Fuel Processing Technology 54, pg.
17-46, 98
4. Tillman, David, Wood as an Energy Resource, Academic Press, New York, 1978
5. Bushnell, D., Biomass Fuel Characterization: Testing and Evaluating the Combustion Characteristics of Selected Biomass
Fuels, BPA report, 1989
6. http://www.ecn.nl/phyllis
Fonte: Oak Ridge National Laboratory VIII - 5
Contenuto energetico
Low-high value Low-high value
Fuel type & source MJ/kg MJ/kg kcal/kg kcal/kg
Forest Residues
Hardwood wood (2,6) 18.6 20.7 4400 4900
Softwood wood (1,2,3,4,5,6) 17.5 21.1 4200 5000
Urban Residues
MSW (2,6) 12.0 19.9 2900 4800
RDF (2,6) 14.3 19.9 3400 4800
Newspaper (2,6) 18.4 22.2 4400 5300
Corrugated paper (2,6) 17.0 18.5 4100 4400
Waxed cartons (2) 25.3 27.3 6000 6500
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1. http://www1.eere.energy.gov/biomass/feedstock_databases.html
2. Jenkins, B., Properties of Biomass, Appendix to Biomass Energy Fundamentals, EPRI Report TR-102107, January, 1993.
3. Jenkins, B., Baxter, L., Miles, T. Jr., and Miles, T., Combustion Properties of Biomass, Fuel Processing Technology 54, pg.
17-46, 98
4. Tillman, David, Wood as an Energy Resource, Academic Press, New York, 1978
5. Bushnell, D., Biomass Fuel Characterization: Testing and Evaluating the Combustion Characteristics of Selected Biomass
Fuels, BPA report, 1989
6. http://www.ecn.nl/phyllis
Fonte: Oak Ridge National Laboratory VIII - 6
Stufe/camini da casa
pellet
Potenza: 5÷20 kW
postcombustione
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VIII - 7
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Biodiesel
Gli oli vegetali in presenza di catalizzatori alcalini (idrossido di sodio o potassio), reagiscono con monoalcoli (in
particolare metanolo), per formare i rispettivi esteri e, come prodotto secondario, glicerina grezza.
Condizioni: bassa temperatura (65 °C) e pressione (1,5 atm.).
Alta resa (98%), poche reazioni collaterali e basso tempo di reazione.
Norma Europea: EN 14214
Norma USA: http://www.astm.org/BOOKSTORE/PUBS/1369.htm
VIII - 8
Biodiesel: problemi e vantaggi
• Il biodiesel puro solubilizza la gomma naturale. • Il biodiesel non contiene né zolfo, né idrocarburi
• Il biodiesel resiste peggio alle basse temperature. e neppure tracce di metalli pesanti o
contaminanti.
• Il biodiesel è biodegradabile (rif. sversamenti).
• Il biodiesel ha una temperatura di ignizione più
alta.
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• Il biodiesel produce meno CO2.
VIII - 9Biodiesel: fonti
• Olio vergine – colza e soia (90% del totale), pennycress (erba storna),
jatropa, lino, girasole, mostarda, jojoba, olio di palma, olio di cocco,
canapa, ecc.
• Olio vegetale usato
• Grasso animale – sego, lardo, grasso di pollo, olio di pesce
• Alghe
• Alofite – ex.: Salicornia bigelovii (crescono in terreni salinizzati, non
adatti a coltivazione di cibo)
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VIII - 10Biodiesel: rese
l/ha GJ/ha
Palma 4800 203
Cocco 2200 93
Colza 1000 42
Noccioline 800 34
Girasole 800 34
Soia 500 21
Lester R. Brown, Plan B 2.0 Rescuing a Planet Under Stress and a Civilization in Trouble (NY: W.W.
Norton & Co., 2006). © 2006 Earth Policy Institute
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gasolio attualmente usato per i trasporti nel Mondo: 1.4×1012 l/anno
sostituzione completa: 1.7×1012 l/anno di biodiesel = 1.7 miliardi di ettari di colza
= 17 milioni di chilometri quadrati = 1.7×Europa
biodiesel 0.88 kg/l 37.3 MJ/kg
diesel 0.83 kg/l 42.7 MJ/kg VIII - 11Bioetanolo
Il glucosio è prodotto nella fotosintesi:
6 CO2 + 6 H2O + luce → C6H12O6 + 6 O2
Durante la fermentazione, il glucosio si
decompone in etanolo e anidride carbonica
C6H12O6 → 2 C2H5OH+ 2 CO2 + calore
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Fonte: www.sugarcaneethanol.org VIII - 12Bioetanolo: problemi e vantaggi
• Il bioetanolo ha il 57% del potere caliorifico della • Il bioetanolo può essere utilizzato ad un rapporto
benzina (il consumo in litri/100 km è del 50% più di compressione maggiore della benzina (e quindi
grande). con maggiore efficienza).
• Il bioetanolo contiene contaminanti (come Cl–) che • Il bioetanolo produce molto meno particolato
sono corrosivi. rispetto alla benzina.
• Il bioetanolo produce più ozono troposferico. • Il bioetanolo produce meno CO2 (calcoli da
• Il bioetanolo è igroscopico, quindi deve essere migliorare)
conservato in contenitori sigillati e non può essere
trasportato con oleodotti.
• Sotto i 10°C il bioetanolo dà problemi di partenza a
freddo.
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VIII - 13Bioetanolo: fonti
• Barbabietola
• Canna da Zucchero
• Cassava (Manioca)
• Sorgo
• Mais
• Grano
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VIII - 14Bioetanolo: rese
l/ha GJ/ha
Barbabietola (Francia) 6700 230
Canna da Zucchero (Brasile) 6200 213
Cassava (Manioca) (Nigeria) 3800 131
Sorgo dolce (India) 3500 120
Mais (U.S.) 3300 113
Grano (Francia) 2600 89
Lester R. Brown, Plan B 2.0 Rescuing a Planet Under Stress and a Civilization in Trouble (NY: W.W.
Norton & Co., 2006). © 2006 Earth Policy Institute
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benzina attualmente usata per i trasporti nel Mondo: 1.25×1012 l/anno
sostituzione completa: 2.2×1012 l/anno di bioetanolo = 670 milioni di ettari di
mais = 6.7 milioni di chilometri quadrati = 0.6×Europe
La produzione attuale è di 87×109 l/anno, cioè il 4% del consumo.
etanolo 0.789 kg/l 27.1 MJ/kg
benzina 0.720 kg/l 43.6 MJ/kg VIII - 15Biogas
Componenti del materiale cellulare
Componente C O N H P S K Na Ca Mg Fe Altro
% peso secco 50 20 14 8 3 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5
Materiale organico
complesso
Idrolisi
Mono e oligomeri
(aminoacidi, zucchero, peptidi,
ecc.) In principio,
differenti
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Fermentazione
collezioni di
Prodotti intermedi(alcool, batteri
acidi grassi, acidi lattici, ecc.)
Ossidazione anaerobica
H2+CO2 Acido acetico
CH4+CO2
Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management
U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207 VIII - 16Biodigestione
La reazione di biodigestione è iniziata da un inoculo derivato da reattori
naturali (mucche) o da digestato da un processo precedente, che poi si adatta
alla mistura di materiale specifica.
Reattore naturale
per la biodigestione
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Inoculo
Inoculo
Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management
U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207 VIII - 17Composizione del biogas e upgrading
Produzione (m3 di
Composizione
biogas /tonnellata di
CH4: CO2 (%)
frazione organica)
Carboidrati 0.38 50:50
Grassi 1 70:30
Proteine 0.53 60:40
Produzione (m3 di CH4 /
Substrato tonnellata di frazione
organica)
Residui cibo 400-600
Residui di frutta e
200-500
vegetali
Letame 100-300
Residui macellazione 700
Cereali 300-400
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Bietole 300-800
Insilato di grano 350-390
Erba 200-400
Paglia 100-320
Fanghi di depurazione 160-350
Residui di distillazione 300-400
In generale, la produzione da una
mistura di substrati è maggiore della
somma dei singoli substrati (presenza
di micronutrienti, rapporto C/N, ecc.)
Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological
Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management
U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207 VIII - 18Impianto di produzione di biogas
Pre-trattamento:
Rifiuti 15000 t/anno
Liquami 2000 t/anno •selezione
•triturazione
•deposito sabbie
•sanitazione
Post-trattamento:
•separazione solido-liquido
Digestore: 4000 m3
Input/Output:
•Input:
• 15000 t/anno di rifiuti
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• 2000 t/anno liquami
• 4000 t/anno insilato
•Output:
• 4000 t/anno di
digestato solido
Digestato solido
4000 t/anno (fertilizzante al fosforo)
Insilato 4000 t/anno • 16000 t/anno di
digestato liquido
(fertilizzante allʼazoto)
• 1850 t/anno (2.6×106
Digestato liquido
16000 t/anno m3/anno) di metano =
25000 MWh
Niklas Leksell, Impianto biogas di Västerås, Svezia VIII - 19Biogas: problemi e vantaggi
• Il digestato può contenere batteri patogeni e non • Il biogas riduce la quantità di GHG
patogeni termoresistenti (Clostridium, Bacillus) nell’atmosfera perchè sottrae una parte della
• Conversione di territorio agricolo a fine alimentare in biomassa dalla digestione naturale con
territorio agricolo a fine energetico produzione di metano e N2O
• Cattivi odori
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VIII - 20Biogas: criticità
Criticità Biomassa Settore
interessato
Sbilanciamento del Deiezioni avicole, sottoprodotti di Avicoltura, macellazione,
rapporto C/N origine animale, glicerina da processo di industria energetica
generazione del biodiesel
Sostanze inibenti, Acque di vegetazione delle olive, Agricoltura, oleario,
recalcitranti, tossiche biomasse con elevato contenuto avicoltura
lignocellulosico, residui pirolitici
Elevata diluizione del Reflui caseari, liquami zootecnici Caseario, zootecnico
contenuto organico, bassa
temperatura
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Scarti organici e/o loro Scarti di lavorazione provenienti Agricoltura,
miscele per le quali non dall’agroindustria, residui da pre e post- mangimistico, molitura,
sono a disposizione dati e/ trattamenti di matrici organiche, siero di caseario
o esperienze reali di latte
trattamento
Elevata salinità Sottoprodotti di origine animale, alghe e Industria ittica,
microalghe, mucillagini acquacoltura, rifiuti
VIII - 21Biogas da discarica
1.5 anni
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Stima delle emissioni di biogas dalle discariche di RSU.
ROCCO PANDOLFO* - SALVATORE MASI* - SILVIO ASCOLI**
La valutazione della produzione di biogas in discarica: il caso Montegrosso Pallareta VIII - 22Disponibilità Characteristic figures
1 kg biomethane: 50 MJ
1 Nm3 biomethane: density: 0,72
1 Nm3 biomethane: 35,5 MJ, rounded: 36 MJ = 10 kWh
1 Nm3 biogas contains appr.: 0,60 Nm3 biomethane.
Dry matter and organic dry matter
1 t maize contains: 95,0 % organic dry matter
1 t catch crops: 89,0 % organic dry matter
1 t green cutting: 88,0 % organic dry matter
Gas yields
1 t organic maize produces: 350 Nm3 biomethane
1 t organic green cutting: 300 Nm3 biomethane
1 t organic catch crops: 320 Nm3 biomethane
1 t organic straw: 210 Nm3 biomethane
1 t organic cattle manure: 160 Nm3 biomethane
1 t organic pig manure: 310 Nm3 biomethane
1 t organic chicken litter: 290 Nm3 biomethane
1 t organic sludge: 260 Nm3 biomethane
1 t organic bio waste: 130 Nm3 biomethane
Yield per ha:
Maize (silage): 16 t/ha:
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
16*0,95*350 = 5.320 Nm3 = 191,52 GJ = 4,6 toe
Winter catch crop: 7,5 t/ha:
7,5*0,89*320 = 2.136 Nm3 =76,90 GJ = 1,8 toe
Autumn catch crop: 3,3 t/ha:
3.3*0,89*320 = 939,8 Nm3 = 33,83 GJ = 0,8 toe
Catch crop average: 5 t/ha
5*0,89*320= 1424 Nm3 = 51,26 GJ = 1,2 toe
Green cuttings: 8 t /ha:
8*0,88*300 = 2112 Nm3 = 76,00 GJ = 1,8 toe
Calculation example
5% of the arable land used for biogas in Europe
(5,43 million ha) could provide 23,4 millions toe of primary
energy = available area * yield per ha (dry) * percentage of
organics matter * m3 biomethane yield
AEBIOM (European Biomass Association) - = 5,43 * 106 * 15 * 0,95 * 350 = 27,2 Gm3 biomethane
A Biogas Road Map for Europe = 23,4 Mtoe
VIII - 23Pirolisi
pirolisi prodotti di
materiale pirolisi volatili
organico
300-1000 °C residuo carbonioso
assenza di aria
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Olio
CIRSA
nalytical
Char
y ro ly s is
VIII - 24Bio-olio
Analogamente al petrolio, il bio-olio è una miscela complessa di
composti dalla quale si possono ottenere combustibili e sostanze
chimiche attraverso opportuni trattamenti.
S
FUELombustibili
Bio-c
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
pirolisi
CHEMICALS
bio-prodotti
VIII - 25Bioraffinerie
Impianti in grado di processare nel modo ottimale materiale organico al fine di produrre
energia e materiali ad alto valore aggiunto
(International Energy Agency - Bioenergy Task 42 www.biorefinery.nl/ieabioenergy-task42/)
Cereali
Erba “bagnata”
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Ligno- Zuccheri
cellulosa
VIII - 26Biogas e Syngas
Biogas: Syngas:
prodotto dalla fermentazione prodotto per riscaldamento (1800°C)
batterica anaerobica a tenore di ossigeno estremamente
basso
composto da metano (50-70%), composto da idrogeno (50%),
CO2 (25-45%) e altro (5%) monossido di carbonio (30%),
anidride carbonica e metano.
A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Bruciatori Fuel cells
a gas (o processo Fischer-Tropsch
per produrre idrocarburi)
VIII - 27Determinazione utilizzo effettivo di biomasse -
Italia
Stima non ufficiale 2009
80% acquisita
autonomamente
o in commercio
non formale
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solo 4,3 Mtep
contabilizzati
Federazione Italiana per lʼuso Razionale dellʼenergia (FIRE), Giuseppe Tomassetti, Dati ufficiali, ufficiosi,
prevedibili sulle biomasse ad uso energetico in Italia a fine 2010 e sulla copertura degli impegni al 2020 VIII - 28Puoi anche leggere
