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David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
Agrobioenergie:
processi e tecnologie
David Chiaramonti
RE-CORD / CREAR, Università di Firenze
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
Agrobioenergie:
Cogenerazione e Biocombustibili (avanzati)
Cogenerazione in sistemi stazionari: numerosi sistemi e
tecnologie (combustione, pirolisi, gassificazione, AD)
Tecnologie in buona parte mature
Diminuzione incentivi ed incertezza condizionano nuovi investimenti
Necessarie configurazioni che integrino prodotti ed energia (small scale
biorefining: possibile?)
Biocombustibili
Biocombustibili avanzati, drop-in fuels, combustibili ossigenati,
biocombustibili lignocellulosici, biorefining, synthetic fuels, biojet,
etc…numerosi termini per numerose filiere e prodotti
La complessità delle possibili rotte di processo
ormai estremamente elevata (e le possibili combinazioni di prodotti sono
divenute altrettanto ampie)
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
BIOMASS CONVERSION TECHNOLOGIES
BIOENERGY – A SUSTAINABLE AND RELIABLE ENERGY SOURCE - A review of status and prospects - IEA BIOENERGY: ExCo: 2009:05
1.Parts of each feedstock, e.g. crop residues, could
also be used in other routes
2.Each route also gives co-products
3.Biomass upgrading includes any one of the densitication
processes (pelletisation, pyrolysis, torrefaction, etc.)
4.AD = Anaerobic Digestion
Rotte di processo per Biocombustibili/Bioenergia
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BasicandappliedR&D Demonstration EarlyCommercial Commercial
Bioethanol
(gasoline-typebiofuel)
Lignocellulosic
Ethanol
Ethanolfromsugar
andstarchcrops
Diesel-typebiofuelSugar-based
hydrocarbons
BTL1-diesel(from
gasification+FT2)-
renewabledieselfrom
sewageoil
CTO3-Diesel
andHVO
Biodieselfromoilseed
cropsandwaste
Algae-derivedbiofuels
AlgaetoHydrocarbons
AlgaeoiltoBiodiesel
andHVO4
Otherfuelsandadditives
Novelfuels(e.g.furanics)
HTL5-fuels
Pyrolysisbasedand
lignin-basedfuel
Biobutanol;DME6
Methanol
AnaerobicDigestion
(UpgradedBiogasby
separation)
Biomethane
Gasification
(byThermochemical
Methanation)
CO2methanation
(thermochemicalor
biological)
Biomethane-richgasHydroThermal
GasificationofAlgae
Liquidbiofuel Gaseousbiofuel
Source:modifiedfromBauenetal,2009;IEATechnologyRoadmap-BiofuelsforTransports2011
1.Biomass-To-Liquid-2.Fischer-Tropsch-3.CrudeTallOil-4.HydrotreatedVegetableOil-5.HydroThermalLiquefaction-6.Dimethylether
Stato delle Tecnologie “Advanced Biofuels”
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Produzione Biofuels in EU
Source: ESBF (Eur.Sust.Biofuel Forum), 2014Oltre 14 Mton / quasi 12 MTOE nel 2013
Sbilanciamento strutturale tra benzina e gasolio
16 raffinerie EU chiuse dal 2008
La Francia ha perso il 25%, la Germania l’11%, UK l’11% e l’Italia l’8% tra 2008 e 2012
Il mercato della benzina è diminuito del 3%/anno, l’import di gasolio è aumentato da 49 Mt/y
(2008) a 53 MT/y (2012)Source: www.energyglobal.com/news/processing/articles/Facing_headwinds37.aspx
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Jet fuel
Solo il settore dei
carburanti per aviazione è
cresciuto tra 1990 e 2008
(EUROSTAT, 2013)
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80 EU-US projects 10 Adv-D (Diesel)
1 Adv-G (Gasoline)
3 LHCF - Liquid HydroCarbons Fuels -
FT included)
1 AvBio
49 BioAlcohols
1 DME
6 PO
9 Other (SNG-Biogas-enzymes..)
Not including HVO
projects
Planned, abandoned,
under construction, built
& in operation included
42 prj ≥ 1000 t/y or m3/y
or Nm3/y
32 ≥ 10.000
31 ≥ 20.000
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R&D phase in lab
R&D phase in pilot
R&D phase in demo
Competitive market price
First-of-a-kind-plant
2nd plant
3rd plant
4th plant
Technology Valley of death : Positioning of FP7 supported technologies
From Demo to 1st of a kindBio DMEPyrolysis oils
From R&D to DemoAlgae
From Lab to PilotMicrobial
Fischer-TropschFrom 1st to 2ndLignocellulosic Ethanol
Source: European Commission, DG Energy, K.Maniatis
HVO/HEFA
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Notevoli margini di miglioramento delle prestazioni
per filiere e tecnologie altamente innovative
Cost breakdowns of the industrial ethanol
production process excluding feedstock costs (Brasil)
Van den WallBake et al, 2009A.A.V.V.Bridgwater et al, 2004
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Processi termochimici:PIROLISI
Source: A.V. Bridgwater / Biomass and Bioenergy 38 (2011) 68–94
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Pirolisi per prodotti chimici
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Pirolisi intermedia semi-continua catalitica
presso RE-CORD
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Large scale PO project: EMPYRO (BTG)
Technical objectives:
•To construct and operate on a continuous basis a 25 MWth polygeneration pyrolysis unit.
•To determine the characteristics of the flash pyrolysis process.
•To provide warranty conditions for the process outcomes.
•To demonstrate the use of the pyrolysis oil in natural gas fuelled energy systems.
•To develop and demonstrate the pyrolysis oil stabilization process including the recovery
of acetic acid.
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Large scale PO project: METSO-Fortum-UPM (VTT)
•The foundation stone for the first industrial-scale bio-oil power plant was laid on Friday,
November 2 in Joensuu, eastern Finland. A unique aspect of the bio-oil plant is that it will
operate as part of the current CHP power plant.
•Once in operation Fortum’s power plant will not only generate electricity and district heat
but also 50,000 tons of bio-oil annually. Initially, bio-oil will replace the heavy fuel oil used,
for example, at Fortum’s heating plants.
•The Joensuu bio-oil plant’s annual bio-oil production of 50,000 tons corresponds to the
heating needs of more than 10,000 single-family homes.
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HydroThermal Liquefaction (HTL)
Processo termochimico, in pressione e temperatura (200 bar, 350
°C – near critical conditions)
Slurry di biomassa (tipicamente 5-12%) in acqua
Olio con ridotto contenuto di ossigeno rispetto alla pirolisi
Notevole complessità tecnologica
Possibile anche HTC (HydroThermal Carbonization)
Sistema molto interessante per biomasse fortemente umide
alimentate in continuo
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
BIOMETANO E METANAZIONE
Biometano per SEPARAZIONE
Si separa la quota parte di metano (50-70%) dal Biogas
Biometano per METANAZIONE (SNG)Si produce metano da CO2-CO ed H2
Power-to-Gas: elettrolisi (per H2) e poi metanazione
SNG da biomassa: reforming del gas da gassificazione
Vantaggio: il metano – a differenza dell’H2 - è un vettore
energetico di cui esistono infrastrutture di stoccaggio e
distribuzione, e sistemi di utilizzo per generazione di calore,
energia elettrica, cogenerazione, trasporti
Criticità: efficienza di conversione energetica
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SNG from Biomass
Power-to-Gas
Source: Prof.J.Karl, 2014
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Etanolo: previsioni di mercato ad inizio 2000…
Source: BAFF & Luiz Otavio Laydner, CFA Banco Pactual, Brazil
Paese Miliardi di litri
Brazil 21
USA 18-20
Europe (EU) 9-14
Japan 6
South Korea 1.9
China 4.8
Eastern Europe 1-2
Canada 1-2
Totale
60-75
Bioethanol market forecasts at 2010
(Source: Piacente and Wolter, 2005)
EU Consumption2010
…in realtà le
condizioni di
mercato sono
state
raggiunte solo
negli ultimi
anni (2012-
2014)
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Etanolo da lignocellulosico
Grand Opening: 3/9/2014
2025 Million Gallon EtOH/y
(94600 m3 – 74600 t/y)
285000 t/y biomass,770 t/d
275 MUS$ investment
Grand Opening: 17/10/2014
25 Million Gallon EtOH/y
(94600 m3 – 74600 t/y)
21 MW electricity
1000 t/d of biomass
132.4 M$ US Loan
Guarantee + 97 MUS$ Grant
17 MUS$/y to local economy
Grand Opening: 9/10/2013
20 Million Gallon EtOH/y
(75000 m3 – 40000 t/y)
150 M€ investment
Other projects:
BRASIL: in operation
SLOVAKIA: announced
Altri annunci recenti (Brasile)
BNDES (Brasil) 223.38
MUS$ loan
4 impianti EtOH
lignocell.
Abengoa il principale,
116.8 MUS$
Stato di Sao Paulo
64 Mill.liters/y (16.96
MGPY)
Raizen: JV $10B Cosan-Shell
Partnership con Iogen Corporation (Can).
Enzimi da NZ
Impianto (100 MUS$) in Piracicaba (SP).
Mat.prima: waste sugarcane bagasse.
40 Million liters/y (full load atteso per
05/2015)
Altri 7 impianti previsti in Brasile entro il
2024, investimento pari a 930 MUS$
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Diesel rinnovabile da Crude Tall Oil (CTO)
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Source: Elaborated from D.Bakovski, 2014
HVO/HEFA
Capacità produttiva cumulata
“advanced“ (?) biofuels
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Disponibile, idoneo per diesel e aviation,
tecnologia commerciale, non lignocell. NESTE: NEXBTL Renewable Diesel
Porvoo (2 unit, 190+190, 2007 and 2009): 380.000 t/y
Singapore: 800.000 t/y (2010)
Rotterdam: 800.000 t/y (2011)
Investimento totale 1.5 Bill.€
Capacità produttiva tot ≈2 Mill.t/y, target
approx. 2.3 Mill.t/y (+15%)
ENI (ENI-UOP Ecofining): Green diesel
560.000 t/y (Porto Marghera, 2014)
Possibili nuovi progetti (Gela?)
US
Diamond Green Diesel 412.000 t/y (start-up 2014)
REG Geismar: 225.00 t/y (2010)
Aspetto critico: sostenibilità del VO, food vs fuels.
UPM: 100.000 t/y da CTO (lignocellulosic-base)
HVO/HEFA
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Uso di VO-UCO per Biokerosene
Thermochemical conversion to HC
Caratteristiche estremamente variabili
Secondo la stagione
Su base regionale
EU: solo piccoli batches (camion)
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Pyrolysis and gasification of lignin
(from PROESATMLignocell EtOH)
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Jet fuels from Lignin
GREG Technology
Hydrogen
Polyols
MOGHI Technology
BTX
Fermentation
/Separation
MO’s
Isobutanol
N-butanol
Fatty Alcohols
1,4 BDO
…
PROESA Technology
BIOMASS
C5,6 Sugars
YEAST
Lignin
Fermentation Separation Ethanol
C5 Sugars
33
The Process : ready for INDUSTRIAL BIOREFINERIES
JET FUEL
PHENOLS
The advanced
Biorefinery with
PROESATM
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BIOREFLY
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Altri progetti Adv.Fuels Pilot/Demo in EU
EU FP7 BFSJ (Swedish Biofuels)
Produzione di jet fuels syntetico paraffinico da materie legnose e altre
biomasse. bio-kerosene via “ethanol route”.
Partners: Abengoa Bioenergy, Lufthansa, SkyEnergy and LanzaTech
British Airways & Lanzatech
Gasification + fermentation process
EU FP7 Solarjet
Studio a scala laboratorio. Solare a concentrazione, CO2 catturata
dall’atmosfera, e H2O per produrre kerosene attraverso un processo solare
teermochinico a due stadi.
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…Conclusioni…
(lignocellulosic feedstocks)
Thermochemical route
Vi erano grandi attese, ancora non pienamente sviluppata a scala industriale
PO per calore - demo scale (Fortum/Valmet/UPM/VTT, BTG, UOP-Envergent)
PO per trasporti non ancora dimostrata a scala industriale (KIOR?)
Ugualmente, Gasification+FT (e.g. Choren)
Non pronta per Biomass-to-AvBio
Biochemical route
Ad oggi la più sviluppata – per trasporti stradali.
Vari impianti demo costruiti/in realizzazione in EU&USA&Brasile (e altre aree)
Prodotto principale ETANOLO – Non pronto per AvBio
Co-produtto (lignina) potenzialmente processabile per Aviation Biofuel
Hybrid route
INEOS Bio, Lanzatech: Demo
Chemical route
Tecnologia UPM da CTO (pulp and paper). Non utilizzata per AvBio.
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015
Grazie dell’attenzione
David Chiaramonti
RE-CORD - CREARUniversity of Florence
david.chiaramonti@re-cord.org -david.chiaramonti@unifi.it