Bioenergie: Produzione e trasformazione
Dott. Pietro Goglio (PhD, MD, BAgrSc)
1
Sistema energetico italiano
Rinnovabili
28%
Petrolio
20%
Carbone
37%
Gas
naturale
15%
Altro
0%
Lignite
0%
2
(Ministero dello sviluppo economico 2011)
Sistema energetico italiano
Biodiesel
11%
Biomasse
per
elettricità
19%
Energia
Idraulica
8%
Rinnovabili
28%
Energia
Geotermica
10%
Petrolio
20%
Legna
3%
Carbone
37%
Gas
naturale
15%
Altro
0%
Lignite
0%
Eolico+
fotovoltaico
37%
Rifiuti
12%
3
(Ministero dello sviluppo economico 2011)
Biomassa:
Alghe
Colture
dedicate
Residui e
rifiuti
Residui agricoli
Potature centri
urbani
Residui
agroalimentari
Residui
forestali
RSU
4
Le colture dedicate:
1. Biomasse lignocellulosiche:
•
Short rotation forestry: Pioppo (Populus ssp), Eucalipto (Eucalyptus ssp), Salice (Salix sp)
•
Colture erbacee poliennali:
Cardo (Cynara cardunculus L.), Arundo donax L., Miscanthus x giganteus (L.) Greef et
Deuter
•
Colture erbacee annuali: Sorgo da fibra (Sorghum bicolor (L.) Moench), Panicum ssp
5
Le colture dedicate:
1. Colture oleaginose:
•
Girasole (Helainthus annus L.), Colza (Brassica napus L.), Soia (Glycine max (L.) Merr.)
• Palma da olio (Eleaeis guineensis Jacq.), Jatropha (Jatropha curcas L.)
6
Le colture dedicate:
3. Colture da carboidrati:
Canna da Zucchero Saccharum
officinarum L.,
Sorgo zuccherino (Sorghum bicolor (L.)
Moench),
Topinambur (Helianthus tuberosus L.),
Barbabietola da Zucchero (Beta vulgaris
L.)
Mais (Zea mays L.)
7
Caratteristiche produttive delle
colture dedicate
•
•
•
•
Elevata produttività
Resistenza agli stress idrici
Buona rusticità
Limitate esigenze in termini colturali (fertilizzanti,
lavorazioni)
• Adattamento a terreni marginali
8
Input colturali:
Ei
Eout
S: Girasole
M: Mais
WwS: Frumento in rotazione con
Girasole
WwM: Frumento in rotazione con
Mais
Eout> Ei
9
(Goglio et al. 2012)
Aspetti ambientali: Ciclo del
Carbonio
10
Aspetti ambientali: Ciclo del
Carbonio
S: Girasole
M: Mais
WwS: Frumento in rotazione con
Girasole
WwM: Frumento in rotazione con
Mais
11
(Goglio et al. 2012)
3 generazioni di biocarburanti
12
(Singh et al. 2011)
Fertilizzanti
Combustione
CO2, H2O
Produzioni agricole, foreste,
culture energetiche
UTILIZZATORI
Bio-combustibili
Rifiuti e residui
Digestione
fermentazione
Settore commerciale
Settore residenziale
Industrie
Trasporti
13
(Tognotti 2008)
BIOLOGICI
Gasificazione
TERMOCHIMICI
Ciclo di Produzione e utilizzazione
delle biomasse
Utilizzazione delle biomasse
14
(Tognotti 2008)
Utilizzazione delle biomasse: problematiche
combustione
Proprietà
0.72
0.1
785
olio
vegetale
916
48
120
27
34.6
12
21195
metano idrogeno
Densità (kg/m3)
PCI (MJ/kg)
Densità energetica (MJ/m3)
Proprietà
3
Densità (kg/m )
PCI (MJ/kg)
Densità energetica (MJ/m 3)
etanolo
856
olio di
pirolisi
1200
35
35
20
42
32060
29960
24000
30954
Balle di
paglia
150
Pellets di
paglia
625
cippato pellets di
Paglia
segatura
di legno
legno
triturata
120
200
600
75
biodiesel
18
18
18
17
17
17
3600
10800
2160
1275
2550
10625
benzina
737
15
(Tognotti 2008)
Aspetti logistici
(Goglio and Owende162009;
Casarosa 2008)
Utilizzazione delle biomasse:
problematiche processi termici e
termochimici
17
(Tognotti 2008; Casarosa 2008)
Processi termici: CHP
18
(Casarosa 2008)
Processi termici: IGCC
19
(Casarosa 2008)
Processi termici: Il motore di Stirling
Alpha
Beta
20
Gassificazione
CLEANING
SYNGAS
CO, CO2, H2, N2
TAR, DUST
SHIFT REACTIONS
• Conversione termica di un
combustibile solido in un
combustibile gassoso
• Alimentazione limitata di
ossigeno, aria e acqua come
agente ossidante
H2
UPGRADING
• Prodotti del processo di
gasificazione: CO, CO2, H2,
CH4, H2O, N2, ash, tars
• Miscela combustibile ideale per
la cogeneraione di energia
termica ed elettrica
FISHER TROPSCH
LIQUID FUEL
21
(Tognotti 2008)
Pirolisi
• Produzione di bio-oli da pirolisi di biomasse: riscaldamento in assenza
di aria o con ridotte quantità di ossigeno (processo autotermico) e
produzione di una miscela ricca di idrocarburi pesanti dalla
consistenza oleosa e di un residuo carbonioso
• Bio olio ideale per il trasporto e successiva raffinazione (processi di
raffinazione olio grezzo): impiego per produzione di potenza e/o
teleriscaldamento in motori diesel IC
22
(Tognotti 2008)
Problematiche processi termici e
termochimici
23
(Tognotti 2008; Casarosa 2008)
Utilizzazione delle biomasse
24
(Tognotti 2008)
Utilizzazione delle biomasse: biogas
S o s t a n z a o r g a n ic a
C a rb o id ra t i
P ro t e in e
L ip id i
100%
B A T T E R I ID R O L IT IC I E F E R M E N T A T IV I
75%
A c id i g ra s s i
A lc o li e t c .
20%
5%
B a t t e ri a c e t o g e n ic i
A C E TA TO
52%
23%
H2 + CO
2
B a t t e ri o m o a c e t o g e n ic i
B a t t e ri m e t a n ig e n i
a c e t o c la s t ic i
72%
CH
4
+ CO
2
B a t t e ri m e t a n ig e n i
i d r o g e n o t r o fi
28%
C H 4 + H 2O
25
(Piccinini 2008)
Utilizzazione delle biomasse: biogas
26
(Piccinini 2008)
Utilizzazione delle biomasse:
bioetanolo I generazione
lievito
granella
Macinazione
liquefazione
Fermentazione
acqua
Separazione
L/S
Distillazione
etanolo
residuo
27
(Nicolella 2008)
Utilizzazione delle biomasse:
bioetanolo di II generazione
Biomasse
lignocellulosiche
acido
Macinazione
Idrolisi
emicellulosa
enzima
Idrolisi
cellulosa
microrganismi
selezionati
Fermentazione
acqua
Separazione
L/S
Distillazione
etanolo
lignina
28
(Nicolella 2008)
Utilizzazione delle biomasse
29
(Tognotti 2008)
Utilizzazione delle biomasse: olio
vegetale e biodiesel
(catalizzatore)
trigliceride
metanolo
metilesteri
metanolo
(21.6)
olio
raffinato
(100)
glicerolo
NaOH
(1)
Transesterificazione
metilestere (95.4)
olio (5)
metanolo (11.3)
glicerolo (9.8)
NaOH (1)
T = 60 – 65 °C
τ
= 1 – 3 h
η=
95 %
30
(Nicolella 2008)
Utilizzazione delle biomasse: bioraffineria
oleaginose
Piattaforma
termochimica olii
biomassa
lignocellulosica
Estrazione
residui
olii
(m)etanolo
Trans
esterificazione
biodiesel
Separazione
Pretrattamento
residui
(glicerina)
Separazione
Pretrattamento
residui
cellulosa
acqua
vapore, O2
Idrolisi
(acida
enzimatica)
Gasificazione
ceneri
residui
(lignin)
Conversione
TAR
Fermentazione
etanolo
acqua
Distillazione
acque
reflue
Piattaforma
termochimica lignina
Piattaforma
biochimica cellulosa
Pretrattamento
syngas
Pulizia syngas
31
(Nicolella 2008)
Modello energetico
Vecchio
32
Modello energetico
Nuovo
33
Modello energetico
Nuovo
Produzione netta
-
Domanda
34
(Terna 2008b)
Conclusioni:
•Sviluppo di un territorio
•Paesi industrializzati e non industializzati
•Sicurezza energetica
•Sostenibilità
35
Grazie per l’attenzione
36
Bibliografia:
Casarosa, C. 2008. Conversione di Energia da Biomassa. Seminario presso Scuola
Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy.
Goglio, P., Bonari, E., Mazzoncini, M., 2012. LCA of cropping systems with different
external input levels for energetic purposes. Biomass Bioenergy 42, 33–42.
Goglio, P., Owende, P.M.O., 2009. A screening LCA of short rotation coppice willow
(Salix sp.) feedstock production system for small-scale electricity generation. Biosyst.
Eng. 103, 389–394.
Ministero dello Sviluppo Economico, 2011. Bilancio energetico nazionale.
Dipartimento per l’Energia, Direzione generale per la sicurezza dell’approvigiamento e
le infrastrutture energetiche, DIV VII Statistiche ed Analisi Energetiche e Minerarie,
Ministero dello Sviluppo Economico, Rome, Italy.
Nicolella, C. 2008. Filiere tecnologiche per la produzione di biocarburanti. Seminario
presso Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy
Piccinini, S. 2008. Biogas: situazione e prospettive. Seminario presso la Scuola
Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy.
Singh, A., Olsen, S.I., Nigam, P.S., 2011. A viable technology to generate thirdgeneration biofuel. J. Chem. Technol. Biotechnol. 86, 1349–1353.
Terna, 2012a. Dati Statistici, Dati generali. Terna, Rome, Italy, 13pp.
Terna, 2012b. Dati Statistici, Carichi. Terna, Rome, Italy, 13 pp.
Tognotti, L. 2008. Filiere tecnologiche per la produzione di energia da biomasse:
37
“Filiere Calde”. Seminario presso la Scuola Superiore Sant’Anna, Pisa, Italy.