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.