Università degli Studi di Perugia
Facoltà di Ingegneria
Corsi di laurea specialistica in
Ingegneria Meccanica
Corso di Impatto ambientale
Modulo Pianificazione Energetica
prof. ing. Francesco Asdrubali
a.a. 2012/13
Energia
dalle
Biomasse
Biomasse
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.
Fotosintesi clorofilliana
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
Tipologie di Biomasse
Biomasse
Residui organici
forestali
• vegetali
Colture energetiche
Trasformazione tecnologica
di prodotti e consumi
agricoli
•Alimentari
•Non alimentari
•Animali
•Vegetali
terrestri
acquatiche
Principali colture utilizzabili per la
produzione di energia
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:
• boschi cedui tradizionali;
• siepi alberate.
Caratteristiche qualitative della biomassa:
• colture oleaginose (ad es. girasole, colza);
• alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola da zucchero, cereali);
• lignocellulosiche.
Principali colture utilizzabili per la
produzione di energia
Elenco colture per etanolo
COLTURE
AREA
PROBLEMATICHE
Sorgo granella
Collina
Grano
Pianura/collina
asciutta
Sorgo zuccherino
Pianura irrigua
Breve periodo di raccolta
Bietola
Pianura irrigua
Breve periodo di raccolta
Costi
Topinambur
Collina asciutta
Rotazione difficile
Principali colture utilizzabili per la
produzione di energia
Elenco colture per oli esterificati
COLTURE
AREA
PROBLEMATICHE
Girasole
Pianura/collina
Scelte varietali
Colza
Varie
Adattamento
Scelte varietali
Brassica Carinata
Varie
Scarsa sperimentazione
Cartamo
Asciutto
Tecniche agronomiche non
consolidate
Ricino
Varie
Tecniche agronomiche non
consolidate
Cynara Card.
Asciutto
Rese variabili
Crambe ab.
Tecniche agronomiche non
consolidate
Principali colture utilizzabili per la
produzione di energia
Elenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimici
COLTURE
PROBLEMATICHE
ANNUALI
Sorgo fibra
Sfruttamento terreno
POLIENNALI
Arundo donax
Sperimentazioni limitate
Miscanthus
Sperimentazioni limitate
Ginestra
Raccolta
Cynara Card.
Rese variabili
S.R.F.
Tecniche da mettere a punto, Costo trapianto
materiaconsiderare
organica
LeImpieghi
biomassedella
si possono
trasformata
risorsefotosintetica
primarie rinnovabili
e, quindi,
• Conversione
in energia termica e/o
elettrica
e produzione
di biocombustibili solidi
inesauribili
nel
tempo,
purché
(ad es. pellets) o liquidi (es. biodiesel, bioetanolo, ecc.);
• Biomateriali
per l’industriaimpiegate
edilizia ed abitativa e ad
per la un
produzione
di compositi;
vengano
ritmo
• Fibre tessili;
• complessivamente
Cellulosa, carta ed assimilati;
non
superiore
alle
• Fertilizzanti o ammendanti per i terreni agrari;
• Prodotti
per l’industria
(lubrificanti,
solventi, plastiche biodegradabili,
additivi vari,
capacità
di
rinnovamento
biologico.
ecc.).
•
•
•
Le biomasse utilizzabili ai fini di conversione energetica possono essere
considerate, allo stato attuale, le seguenti:
Sottoprodotti (agricoli, forestali e zootecnici) e scarti (urbani e industriali),
attraverso combustione, conversione chimica o biologica in biogas, alcool o altre
sostanze;
Produzioni vegetali su territori non adatti a colture alimentari. (zone marginali,
aride e semiaride);
Specie vegetali “energetiche” da coltivare in condizioni di eccedenze delle
produzioni alimentari rispetto alla domanda, su terreni sinora a destinazione
agricola classica.
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
parte della terra, dove siano presenti
alghe, alberi, letame;
 Fonte di energia rinnovabile: grazie
alla possibilità del rimboschimento;
 Immagazzinabile-Stoccabile
 Convertibile in combustibili solidiliquidi-gassosi con buoni poteri
calorifici;
 Sfruttamento di zone inutilizzate
dall’agricoltura
e
conseguente
occupazione nelle zone rurali;
 Ciclo di emissioni di CO2: le piante la
riassorbono durante la loro crescita
(fotosintesi)
 Necessarie grandi aree a causa della bassa
densità energetica: superficie minima 12.000
ha, produzione superiore a 17-25 t per ha
 La produzione può richiedere elevati volumi
di fertilizzanti ed irrigazione;
 Sistema di risorse (logistica) complesso per
assicurare la costante fornitura della risorsa;
 Problemi di trasporto, stoccaggio e
movimentazione a causa della bassa
densità(bulk density): la convenienza
economica c’è se la distanza tra
approvvigionamento ed impianto non supera
i 160 Km;
 Produzione soggetta a variazioni legate alle
condizioni ambientali-meteo
 Produzione non costante durante l’anno
 Contenuto di umidità variabile
Tecnologie per l’impiego energetico
delle Biomasse



Combustione;
Gassificazione;
Pirolisi
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 <5-6 MWt);
 Impianti per la produzione di energia elettrica eventualmente in cogenerazione,
a partire da combustibile solido o liquido (generalmente <2-15 MWe).
Presentano, da un punto di vista tecnico ed economico, le migliori prestazioni
generali, anche in termini di potenziale risparmio energetico
Combustione
Schemi impiantistici, per impianti inferiori a 0,5 MW, :
o
o
Combustione a fiamma inversa con alimentazione manuale del
combustibile;
Combustione di tipo convenzionale (o ancora a fiamma inversa) con
tramoggia di alimentazione e relativo bruciatore automatico.
Schemi impiantistici per impianti superiori a 0,5 MW:
o
o
o
o
o
Accumulo di materiale ligno-cellulosico sminuzzato a tenori di umidità
molto variabili (anche fino al 50%);
Prelevamento automatico del combustibile dall’accumulo o carico di
tramogge con mezzi gommati;
Introduzione del combustibile in caldaia in quantità dipendente dalla
temperatura dei fumi e dell’acqua circolante nella caldaia stessa;
Introduzione di aria comburente per mantenere un prefissato tenore di
ossigeno nei fumi;
Sistema di abbattimento del particolato con cicloni.
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.
Possibilità di conversione per la
generazione di energia elettrica
Biomassa
ligno-cellulosa
Piccole potenze
5 – 1000 kW
Caldaie associate
a motori Stirling
Caldaie associate
a cicli ORC
Gassificatori associati
a motori endotermici
Medie potenze
1 – 5 MW
Elevate potenze
5 – 50 MW
Caldaie o gassificatori
associati a cicli ORC o
a vapore
Caldaie o gassificatori
associati a cicli vapore
Gassificarori associati
a cicli Brayton
Gassificatori associati
a cicli Brayton
o combinati
Teleriscaldamento e biomasse
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.
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.
Bio-etanolo
•
•
•
•
•
•
•
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
alcool, operata da microrganismi (lieviti);
La produzione di etanolo adatto all’uso combustibile (puro almeno al 95%), richiede
un ulteriore processo di distillazione;
Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i
lieviti ed i batteri.
Caratteristiche chimico-fisiche
dell’etanolo e della benzina
Caratteristiche
Unità di
misura
Formula
Etanolo
Benzina
CH3-CH2-CH
Miscela
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
106
98 – 102 (super)
Numero di ottano
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.
Risvolti energetici, ambientali ed
economici
Consumi
o
o
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
o
o
o
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.
Vantaggi dell’impiego di ETBE come additivo antidetonante
o
o
Elevato rapporto quantitativo tra carbonio e idrogeno;
Contenuto di ossigeno legato pari al 15%.
Produzione di Bio-etanolo
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
o
o
Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m3;
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);
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;
o uso di bioetanolo per macchine agricole.
Bio-diesel
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 bilancio di massa semplificato
dell’intero
processo
Il glicerolo
o più comunemente
glicerina
che si ottiene come prodotto
è il seguente:
1000 kg di olio
secondario può essere usata per la
produzione di creme ad uso cosmetico.
raffinato + 100
kg ediglimetanolo
I prodotti
oli utilizzati per la
produzione del biodiesel devono subire
vari processi prima di essere convertiti:
=
Estrazione
1000 kg di biodiesel + 100 kg di glicerolo
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).
Impiego del bio-diesel nei motori
o
o
o
o
o
o
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;
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);
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);
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);
Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante;
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).
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.
Risvolti energetici, ambientali ed
economici
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.
Produzione di Bio-diesel
La produzione di biodiesel fino al 1990 essa era solo allo stato sperimentale.
Nel mondo al 1998 erano censiti 85 impianti:
•
Europa occidentale: 44
•
Europa orientale:
29
•
Nord America:
8
•
altre aree:
4
Le materie prime utilizzate per la produzione sono:
•
olio di colza (85% del totale);
•
olio di girasole (13%);
•
olio di soia, di palma e oli fritti usati per le restanti percentuali.
La capacità produttiva globale nel mondo è cresciuta negli anni ’90 dalle 75.000 t del
1991 alle 1.366.000 del 1998;
La produzione effettiva corrispondente è passata dalle 10.000 t del 1991 alle 741.000
t del 1998.
In Italia la produzione di biodiesel è stata avviata nel 1992; nel 1997 erano censiti 11
impianti (attualmente gli impianti operativi sono 7).
La capacità produttiva nel 1998 era di 211.000 t/a a fronte di una produzione di
107.000 t (rapporto tra produzione effettiva e capacità produttiva pari a circa il 51%)
Produzione di Bio-diesel
in Italia
Produzione
Espansione
Produzione
energia:
Produzione olio: Capacità attuale
Produzione
semi:
Produttore Stabilimenti effettiva attuale
(t/a) colza: 0,36-1,8
pianificata
(t/a)
tep/ha;
colza: 0,4-2 t/ha;
colza: 1-4 t/ha;
(t/a)
girasole 0,36-1,8 tep/ha;
girasole 0,4-2 t/ha;
girasole 1-4 t/ha;
Novaol
90.000 soia 1,27-1,6
+ 20.000
tep/ha;
soia80.000
0,3-1,8 t/ha;
soia
2-6 t/ha; Livorno
palma-cocco: 0,9-1,35 tep/ha.
palma-cocco:
Bakelite 4-6 t/ha.
Milano palma-cocco:
36.0001,0-1,5 t/ha. 50.000
Fox
•
•
Pescara
80.000
90.000
Defilu
Milano
12.000
15.000
+ 23.000
In
Italia è privilegiato
poiché più adatto 15.000
al nostro clima, mentre la
Comlube
Bresciail girasole,12.000
resa della colza è da noi inferiore rispetto all’Europa del centro-nord;
Estereco
Perugia
14.000
30.000
Poiché la produzione di biodiesel privilegia la colza, molti produttori italiani o si
Ital-Bi-Oil
32.000
100.000
approvvigionanoBari
di olio dall’estero
o utilizzano una
miscela di olio di girasole e
colza
NOVAnella
Fr proporzione 20-80%.9.000
OK Muhle
9.000
Totale
284.000
390.000
43.000
Quadro internazionale:
evoluzione storica
Evoluzione del contributo percentuale delle biomasse sul totale della
produzione di energia in alcuni paesi dell’America Latina.
Le biomasse,
PAESE a livello mondiale,
1970 costituiscono una
1990 delle
principaliArgentina
fonti energetiche e la maggiore
in assoluto
fra quelle
3.3
1.5
rinnovabili.
Brasile
47.5
20.4
Costarica
43.1
39.2
Si valuta
che le biomasse rappresentino
il 15 %
circa
Cile
18.7totale mondiale. 18.7
dell’offerta energetica
Ecuador
39.4
10.3
Per quasi
tutti i Paesi in Via di 64.5
Sviluppo (PVS) le 71.9
biomasse
Guatemala
costituiscono
una risorsa energetica
Messico
12.1 fondamentale e
5.5spesso la
principale
fino al 75 % circa del49.7
consumo globale di
energia).
Nicaragua
47.0
Paraguay
80.1
33.5
Uruguay
15.5
19.1
Quadro internazionale:
evoluzione storica
Consumo specifico di legna da ardere per alcune industrie rurali
(America Latina 1991)
Industrie
Legname consumato
Panifici
0.13 – 0.22 m3/sacco (50kg.) di farina
Caseifici
0.025 – 0.112 m3 / 1000 l di latte
Mattoni
0.4 - 0.8 m3/1000 mattoni
Calce
1.1 – 4.0 m3/ t di calce
Essiccazione tabacco
1.5 – 2.0 m3 /100 kg di tabacco
essiccato
Quadro internazionale:
evoluzione storica
Impianti dimostrativi per la produzione di elettricità da colture energetiche
negli USA
Localizzazione
Potenzialità (MWe)
Superficie
coltivata (ha)
Biomassa utilizzata
Arkansas/Mississipi
25
10.000
Legno da short rotation
California
25
10.000
Georgia/Alabama
25
10.000
Legno da short rotation
Hawaii
25
10.000
Colture erbacee
Iowa
25
10.000
Tennessee
25
10.000
Texas
25
10.000
Washington
25
10.000
Legno da short rotation
Wisconsin/Minnesota
100
40.000
Legno “whole tree”
Colture erbacee
Quadro internazionale:
recenti tendenze
Dislocazione mondiale di impianti
con una potenza maggiore di 5 GW
Situazione italiana
Biomasse residuali per la produzione di energia termica
ed elettrica in Italia (Mtep/anno)
BIOMASSA
UTENZE
DISPONIBILITA’
USO ATTUALE
USO
FUTURO
Legno e
residui agricoli
forestali
Domestiche e
rurali
12
2-3
3-5
Rifiuti agroindustriali
Aziende agroindustriali
municipalizzate
6-8
0.4-0.6
3-4
TOTALE
18-23
2.4-3.6
6-9
Situazione italiana
Energia elettrica da biomasse residuali in Italia (settore
agro-industriale e delle aziende municipalizzate)
MWe
TWh/anno
POTENZIALE
(50%dei rifiuti)
POTENZA
INSTALLATA
(1993)
NUOVE
INSTALLAZIONI
(1998)
ATTESE
(2005)
2.000-3.000
10-15
105
0.4
200
0.7
400-500
1.5-2.5
Ordine di grandezza dei costi per la produzione di energia
da biomasse residuali
ENERGIA TERMICA
Costi investimento (€/kWt)
Costo dell’energia (€/Mcal)
35-55
0.025-0.05
ENERGIA ELETTRICA
Costi investimento (€/kWe)
Costo dell’energia (€/kWh)
1.100-2.500
0.05-0.1
Situazione italiana
Situazione della produzione di energia elettrica da
fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al
2008-2012
(fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica
delle fonti rinnovabili, 1999)
Tecnologia
1997
2002
2006
2008-2012
MWe
Mtep
MWe
Mtep
MWe
Mtep
MWe
Mtep
Idro>10MW
13942
7,365
14300
7,550
14500
7,656
15000
7,920
Idro<10MW
2187
1,787
2400
1,954
2600
2,116
3000
2,442
Geotermia
559
0,859
650
1,051
700
1,132
800
1,294
Eolico
119
0,026
700
0,308
1400
0,616
2500
1,100
Fotovoltaico
16
0,003
25
0,006
100
0,024
300
0,073
Biomasse
192
0,125
380
0,502
800
1,056
2300
3,036
Rifiuti
89
0,055
350
0,385
500
0,550
800
0,880
Totale
17104
10,221
18805
11,756
20600
13,151
24700
16,744
Situazione italiana
Situazione della produzione di energia termica da fonti
rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al 20082012 (fonte: libro bianco per la valorizzazione
energetica delle fonti rinnovabili, 1999.
Tecnologia
1997
2002
2006
2008-2012
Mtep
Mtep
DMtep
Mtep
DMtep
Mtep
DMtep
Biocombustibili
0,060
0,280
0,220
0,544
0,484
0,940
0,880
Solare termico
0,008
0,056
0,048
0,111
0,103
0,222
0,214
Geotermia
0,213
0,250
0,037
0,300
0,087
0,400
0,187
Biomasse
1,070
1,400
0,330
1,600
0,530
1,750
0,680
Rifiuti
0,096
0,120
0,024
0,160
0,064
0,200
0,104
Totale
1,447
2,106
0,659
2,715
1,268
3,512
2,065
Situazione italiana 2011
Produzione da bioenergie per Regione nel 2010 (GWh)
Produzione
da
BIOMASSE
Produzione
da
BIOLIQUIDI
Produzione
da RU
BIODEGRADABILI
Prospettive per l’energia dalle
Biomasse in Italia




Sembra ragionevole ritenere che l’entità del contributo massimo a regime nei
confronti del fabbisogno energetico italiano da parte delle biomasse, a medio
termine, possa arrivare a superare i 5 Mtep/anno;
In Italia esite 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
in conto capitale previsti dalla legge 10/91.
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
BENEFICI ATTRIBUIBILI ALLA
DIFFUSIONE DELLE BIOENERGIE
BENEFICI ECONOMICI
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
BENEFICI SOCIALI
apertura del mercato dell'energia
agli operatori agricoli
diversificazione e integrazione delle
fonti di reddito del settore agricolo
occupazione in zone marginali
riduzione dell'esodo dalle campagne
BENEFICI AMBIENTALI
riduzione delle emissioni di
anidride carbonica nell'atmosfera
riduzione delle emissioni nell'aria
dei principali inquinanti di origine fossile
possiblità di smaltire notevoli quantità
di rifiuti e residui organici in maniera
ambientalmente corretta recuperando
parte dell'energia in essi contenuta
controllo dell'erosione e del dissesto
idrogeologico di zone collinari e montane
Confronto delle emissioni di CO2 tra
gasolio e biodiesel
PRODOTTO
g DI CO2 PER MJ DI LAVORO
PRODOTTO DAL MOTORE
RIDUZIONE DI CO2
RISPETTO AL GASOLIO (%)
senza allocazione con allocazione
Biodiesel da colza
Biodiesel da girasole
Gasolio
141,38
137,44
72,36
71,60
228,45
38,1-68,3
39,8-68,7
-
La stima della quantità di CO2 assorbita da una foresta o da altre
tipologie di vegetazione
o
o
o
o
International Panel on Climate Change (IPCC), 2000: per una foresta in clima temperato assorbimento massimo pari a 0,5 t/ha.anno di carbonio (1,8 t/ha.anno di CO2);
International Panel on Climate Change (IPCC), 2001: la forestazione di territori equatoriali
non forestali può portare - accumulo complessivo massimo di 215 t/ha di carbonio (4,3
t/ha.anno di CO2);
International Energy Agency (IEA): 40.000 km2 di foresta per accumulare, in circa 75 anni,
1 miliardo di tonnellate di carbonio, corrispondenti a 3,6 miliardi di tonnellate di anidride
carbonica. (12 t/ha.anno);
Wackernagel M. et al., 1997: 1 ha di foresta è in grado di assorbire la CO2 derivante dalla
produzione di 100 GJ di energia.
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.

Biocarburanti di seconda
generazione
Filiere di produzione dei
biocarburanti
ENEA 2011
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 sperimanetale
Gassificazione della biomassa
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
convertono carboidrati e
proteine
trasformazione con pirolisi,
gassificazione
Coltura
Resa stimata
(litri/ha*anno)
Soia
400
Girasole
800
Jatropa
2.000
Olio di palma
6.000
Microalghe
60.000
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 di syngas (H2 e CO) e successiva fermentazione del
syngas.
Resa per 1 ettaro (ha) di
terreno coltivato a mais e
frumento
Bioetanolo
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.
Stato di avanzamento delle tecnologie per la
produzione di biocarburanti al 2011