C.3
Biocombustibili
L’Unione Europea e i biocombustibili
L’Unione Europea a marzo 2007 ha proposto i nuovi target europei da raggiungere al
2020 per promuovere una nuova politica energetica:
 30% riduzione di gas serra
 20% incremento efficienza energetica
 20% di energia prodotta da fonti rinnovabili
 10% di incremento dell’uso dei biocombustibili
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Prof. Claudia Bettiol
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Biocombustibili
I biocombustibili sono prodotti derivati dalla biomassa usati per autotrazione e
riscaldamento, miscelati con carburanti ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri.
I più comuni biocombustibili:
Bio-Etanolo
Bio-Diesel
Metanolo
ottenuto da amidi e zuccheri
ottenuto da grassi e oli
ottenuto dal legno
I benefici legati ai biocombustibili derivano dal fatto di avere un impatto ambientale
più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile e di utilizzare materiali di
scarto che solitamente non vengono utilizzati.
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Biocombustibili
L'uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del '900 quando
Henry Ford ne promosse l'utilizzo, tanto che nel 1938 gli impianti del Kansas
producevano già 18 milioni di galloni/anno di etanolo (circa 54.000 t/anno).
L'interesse americano per i biocombustibili scemò dopo la seconda guerra mondiale in
conseguenza dell'enorme disponibilità di olio e gas, ma negli anni '70, a seguito del
primo shock petrolifero, apparvero in commercio benzine contenenti il 10% di etanolo,
il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio fiscale concesso per l‘utilizzo dell’etanolo).
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Biocombustibili
Con i più recenti emendamenti Clean Air Act (1990) che imponevano restrizioni
sulle benzine, per migliorare la qualità dell’aria nelle aree metropolitane più
inquinate, si prospettò un maggiore ritorno dei biocombustibili.
Ma all’etanolo fu preferita l’adozione dell’ MTBE (metil – ter – butil - etanolo) come
sostitutivo del piombo tetrametiletile ( per migliorare le proprietà antidetonanti delle
benzine).
Solo dopo il progressivo inquinamento delle falde acquifere il governo americano sta
cercando di mettere fuori legge gli MTBE promuovendo una politica che incentivi i
biocombustibili.
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Bio-Etanolo
È un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante la fermentazione di diversi
prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri.
Le materie prime per la produzione di etanolo possono essere racchiuse nelle seguenti
classi:
•Residui di coltivazioni agricole;
•Residui di coltivazioni forestali;
•Eccedenze agricole temporanee ed occasionali;
•Residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro - alimentari;
•Coltivazioni ad hoc (quelle più sperimentate e diffuse sono la canna da zucchero, il
grano, il mais)
•Rifiuti urbani.
Il bio-etanolo è tra i biocombustibili quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo,
disponibilità e prestazioni, in alcuni paesi del sudamerica viene utilizzato puro in normali
motori a combustione interna, opportunamente modificati.
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Biocombustibili
Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i lieviti
ed i batteri.
Stabilimento francese si producono 150 tonnellate
di zucchero e 200 ettolitri di bioetanolo all'anno,
oltre alla polpa di barbabietola disidratata e
pressata per l'industria dei
fertilizzanti.
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Biocombustibili
ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether)
- Etere prodotto tramite:
Isobutilene (54 %) + Etanolo (46 %)  ETBE + calore
- Si utilizza un catalizzatore a T < 100°C
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Biocombustibili
Oggi si possono acquistare vetture alimentate a bioetanolo. Alcuni esempi:
Chrysler Sebring
Ford Focus Flexi-Fuel 1.8
Mercedes C320 Sedans
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Dodge Stratus
Renault Megane 1.6 16v
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Fiat Siena TetraFuel (in Brasile)
Saab 9-5 BioPower da 210 cv
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Riportiamo i dati ottenuti da diversi autori nel corso degli ultimi 10 anni.
Il grafico mostra i valori di bilancio energetico per il bioetanolo da mais espresso come:
Energy Ratio (energia ottenuta dal biofuel/energia consumata per produrlo)
Il bilancio energetico è favorevole al
bioetanolo quando il valore di
Energy Ratio è superiore a 1.
Come appare evidente, i dati raccolti variano in un intervallo estremamente ampio che
può essere giustificato da un lato con la reale difficoltà di individuare e quantificare tutti
gli aspetti del problema, ma anche dalle scelte operate per "favorire" il raggiungimento
del risultato ritenuto più interessante.
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Biodiesel
Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati, dalla spremitura di semi
oleoginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione,
che semplificando può essere rappresentata:
Il glicerolo o più comunemente glicerina che si ottiene come prodotto secondario può
essere usata per la produzione di creme per uso cosmetico.
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I prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del biodiesel devono subire vari processi
prima di essere convertiti:
– ESTRAZIONE
• Meccanica (normalmente a pressione)
• Chimica (solvente, normalmente esano. Rapporto fino a 1:18)
• Combinati
Girasole, Colza: circa 1 ha  1 tolio (girasole: ~ 2.6 t/ha 15 %)
– RAFFINAZIONE: rimozione sostanze estranee (proteine, gomme, resine, fosfatidi,
chetoni, aldeidi)
• Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione)
• Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione,
demargarinazione)
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Il bilancio di massa semplificato dell'intero processo è il seguente:
1000 kg di olio raffinato + 100 kg metanolo = 1000kg biodiesel + 100 kg glicerolo
Il biodiesel produce più energia di quanta ne è necessaria per la sua produzione:
Caratteristica
Spese di Energia
• Coltivazione Colza
• Estrazione Olio
• Raffinazione Olio
• Trasformazione in Biodiesel
• Alcool Necessario
Totale
Ricavi di Energia
• Biodiesel
• Panello Proteico
• Altri Sottoprodotti
• Residui Colturali
• Glicerina
Totale
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Quanti
tà
(t/ha)
Consumo
Energetico
Specifico (MJ/t)
Consumo Energetico
Totale (MJ/ha)
*
*
*
3
3
1,2
1,08
0,13
*
*
1,04
1,6
0,06
4,8
0,09
7.615
1.245
1.660
388
20.000
*
*
36.500
15.000
38.181
12.500
17.500
22.844
3.735
1.992
419
2.662
31.612
*
37.930
24.000
2.291
60.000
1.540
125.761
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Biocombustibili
Utilizzazione del biodiesel nei motori
Il biodiesel può essere utilizzato in tutti i motori Diesel oggi sul mercato senza alcuna
modifica, se miscelati con il gasolio fino al 20-30%, o solamente con piccoli
accorgimenti nel caso si utilizzasse biodiesel puro.
La sperimentazione migliore nel settore dell'autotrazione con biodiesel si è osservata nel
pubblico trasporto (autobus urbani); le cosiddette "flotte" percorrono un elevato numero
di chilometri ogni anno e quindi consentono di ricavare dati statisticamente attendibili.
Produttori Italiani
Mercato in Europa
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•
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Sicurezza ed uso
– Flash Point (FP): T minima alla quale i vapori di un combustibile si accendono
se esposti a fiamma o scintilla
– FP basso  Pericolo di incendio
• FP di miscele di Biodiesel aumenta all’aumentare della % di Biodiesel nella
miscela
• Il Biodiesel è più sicuro da utilizzare, maneggiare e stoccare
– Il biodiesel puro è pressoché privo di zolfo:
– Nessuna emissione di SO2 ed aerosol di solfati sul particolato
– Aumento della vita del veicolo e del catalizzatore
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Metanolo
Noto anche come alcool metilico o alcool del legno, venne scoperto nel 1661 da Boyle
nei prodotti di distillazione del legno. Nel 1812 Taylor notò che le proprietà chimiche
dell'alcool metilico e quelle dell'alcool etilico erano molto simili. Da qui la frode
alimentare che portò all'uso del metanolo nella vinificazione, con esiti spesso mortali
essendo questo in forti dosi tossico per l’uomo. È prodotto di solito dal gas naturale, ma
può essere sintetizzato dalla biomassa. Il processo più diffuso è la gassificazione della
biomassa, che consiste nel vaporizzare la biomassa ad alta temperatura e rimuovere le
impurezze dal gas caldo e farlo passare su un catalizzatore che accelera la formazione
del metanolo.
– produrre 1 lt di metanolo richiede
• 2 - 2.2 kg di biomassa
• 4.35 kg di carbone
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Applicazioni
La smartfuelcell.de, ditta tedesca sta
per mettere in commercio
un "generatore" da 1 kW con relative
"cartucce" di metanolo da 250ml,
omologate per essere trasportate anche
in aereo, il costo sembra poter essere
competitivo, l'autonomia è fino a 5
volte maggiore delle più moderne
batterie ad accumulo (per ogni
ricarica)
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Trasformato in gas di metanolo può
essere usato per l’autotrazione
La stessa ditta , in
compartecipazione, vuole
commercializzare un sistema
integrato per alimentare i
portatili con una autonomia che
dipende dalle ricariche di scorta:
una cartuccia da 125ml (un
bicchiere) ha una autonomia per
7 ore di lavoro continuo
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La fase di combustine è una reazione di ossidazione in cui gli elementi C, H e S
reagendo con l’ossigeno (contenuto nell’ aria) si ossidano dando luogo ad anidride
carbonica, acqua e anidride solforica (come componenti principali).
La reazione è esotermica, il calore sviluppato è quello che poi viene utilizzato nelle
applicazioni.
Il potere calorifico proprio la quantità di calore che si sviluppa dalla combustione
completa di un unità di massa del combustibile.
In particolare si definisce potere calorifico superiore Hs , che tiene conto del calore
condensazione dell’acqua (vapore) che si forma a seguito della combustione.
Generalmente nelle applicazioni si fa riferimento al potere calorifico inferiore Hi che si
ottiene da quello superiore sottraendogli il calore di condensazione dell’acqua:
H i  H s  9  yH  yu   rH O
2
yH frazione massica (percentuale in peso) di idrogeno nel combustibile
yu quantità d’acqua che si forma a seguito della combustione
rH2O calore latente di condensazione dell’acqua (2500 kJ/kg)
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combustibile
Hi (kJ/kg)
Idrogeno
121500
Metano
50000
Diesel
47000
Etilene
46300
Gpl (Butano)
45800
Olio Combustile
(Riscaldamento)
42000
Estere Metilico
39000
Biodiesel
38000
Olio Vegetale
37000
Etanolo
26900
Carbone
25000
Metanolo
21300
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La crescita del Biodiesel e del Bioetanolo in Europa (1993-2004)
Fonte: Eurobserv’er 2005
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