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Energia da biomasse:Aspetti fondamentali e prospettiveAspetti fondamentali e prospettive
Fabrizio Bezzo
fabrizio.bezzo@unipd.it
049 8275468 049 8275468
www.capelab.dipic.unipd.it
SommarioL’umanità ha la capacità di rendere sostenibile lo sviluppo, cioè di garantire chequesto sviluppo soddisfi i bisogni della nostra generazione senza compromettere la possibilità delle generazioni future di fare altrettanto
Int od ione
(The Bruntland Report, 1987)
IntroduzioneProduzione di energia elettricagProduzione di biocarburanti C l i iConclusioni
Bezzo 2010
Introduzione
Redditi e popolazioneMia nonna diceva: ci sono solo due famiglie al mondo, gli Hannotanto e gli Hannopoco
(Miguel de Cervantes, Don Chisciotte)
Regione2000
Pop,M PILpc,k$2025
Pop,M PILpc,k$2050
Pop,M PILpc,k$
Nord America 306 30.6 370 40 440 50
Amer. Latina 517 6.7 700 20 820 35
Europa 727 14.7 710 30 660 40
Africa 799 2.0 1260 12 1800 25
Asia 3716 3.6 4760 20 5310 35
Bezzo 2010
Mondo 6065 6.3 7800 20 9030 33
Costo del progressoIntroduzione
Costo del progressoAlcuni dati di fatto
benessere ed inquinamentoil pianeta si sta riscaldandoil pianeta si sta riscaldandoper promuovere la prosperità economica deve crescere il PILper far crescere il PIL si deve aumentare il consumo di energiaiù i i iù CO2 i dpiù energia si consuma, più CO2 si produce
più CO2 viene immessa nell’atmosfera…. la CO2 “buona” e quella “cattiva” la CO2 buona e quella cattiva quanto pesa la CO2 sul global warming?
Bezzo 2010
Introduzione
Consumo globale di energia
Bezzo 2010 BOE=Barile di petrolio equivalente (159 L, ovvero 6.1 GJ)
Consumo di energiaIntroduzione
Consumo di energiaQuale energia?
6%7%
23%
6%
38%38%
26%26%
Bezzo 2010I combustibili fossili forniscono più dell’85% dell’energia consumata
Introduzione
Prospettive e ipotesi (a 50 anni)La lotta per l’esistenza è la lotta per l’energia disponibile
(Ludwig Boltzmann)
Crescita lenta nei paesi industrializzatiCrescita rapida nei paesi in via di sviluppoPopolazione mondiale a 9-10 miliardipaumento di 6-7 volte del PIL mondialeaumento di 5-6 volte della produzione per la maggior parte dei beni di base (ferro, gg p ( ,prodotti chimici, legname, etc.) aumento di 3.5 volte della domanda energetica aumento di 7 volte della domanda di
elettricità richieste energetiche ancora più elevate per
affrontare questioni ambientali!
Bezzo 2010
affrontare questioni ambientali!
EnergiaIntroduzione
EnergiaRiserve e consumo
Bezzo 2010
Energia nel mondoIntroduzione
Energia nel mondoFonti primarie (dati IEA)
C di l di iConsumo mondiale di energia (2006)
12.7%0.3%rinnovabili altro
34.3%6.2%petrolionucleare
Rinnovabili
26.0%
Rinnovabili
17.5%
3.1%
0.5%geotermia
solare/mareeidroelettrico
20.5%gas
carbone
0.7%vento
8.9%
0.4%6.7%
44.0%
Bezzo 2010
78.2%biomassa
40.0% Italia
Il consumo di petrolioIntroduzione
Il consumo di petrolioQualche disequilibrio
…seconno le statistiche d'adesso / risurta che te tocca un pollo all'anno: / e, se nun entra nelle spese tue, / t'entra ne la statistica lo stesso / perch'è c'è un antro che ne magna due (Trilussa)
Ogni giorno sono estratti oltre 80 milioni di barili di petrolio (circa 2 litri al giorno per ogni abitante sulla terra). Ma: Africa India Cina Europa America
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Il consumo di petrolioIntroduzione
Il consumo di petrolioCosa ne facciamo?
58%
35%35%
7%7%
Bezzo 2010
Qualche confronto…Introduzione
Qualche confronto…Dati IEA
% rinnovabili su energia totale
Francia 6 5% (eolico 2% solare 0 5% biomassa 68%)Francia 6.5% (eolico 2%, solare 0.5%, biomassa 68%)
Germania 6.9%: (eolico 15%, solare 2.7%, biomassa 74%)
UK 2.1% (eolico 9%, solare 0.9%, biomassa 80%)
Italia 6.7% (eolico 2%, solare 0.3%, biomassa 32%)Italia 6.7% (eolico 2%, solare 0.3%, biomassa 32%)
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Qualche confronto…Introduzione
Qualche confronto…Energia per abitante
Intensità energetica (energia/abitante) rispetto a ItaliaFrancia +40% G i 33%Germania +33%UK +23%USA +150%Giappone +32%Giappone +32%
Intensità emissioni CO2 (CO2/abitante) rispetto a ItaliaIntensità emissioni CO2 (CO2/abitante) rispetto a ItaliaFrancia -22% Germania +29%UK +13%UK +13%USA +148%Giappone +20%
Bezzo 2010
Qualche confronto…Introduzione
Qualche confronto…Energia per ricchezza prodotta
Intensità energetica (energia/PIL) rispetto a ItaliaFrancia +12% G i 6%Germania +6%UK -12%USA +29%Giappone 35%Giappone -35%
Intensità emissioni CO2 (CO2/PIL) rispetto a ItaliaIntensità emissioni CO2 (CO2/PIL) rispetto a ItaliaFrancia -34% Germania +5%UK -17%UK 17%USA +31%Giappone -39%
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Come viene usata energia?Introduzione
Come viene usata energia?E come viene prodotta CO2?
30%
edifici40% industria
edificiservizi
agricolturaCO
trasporto22% i d i
12% edifici
CO2
30% 19% trasporto
22% industria
36% produzione energia elettrica
11% trasformazione fonti primarie
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36% produzione energia elettrica
Consumo di energiaConsumo di energiaL’uso dell’energia negli edifici
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Introduzione
Scelta di materia prime
DisponibilitàAccessibilitàAccessibilitàConcentrazioneCosto di estrazione (in termini di impatto e risorseCosto di estrazione (in termini di impatto e risorse necessarie)Concorrenza per materia primaConcorrenza per materia primaEsistenza di alternative“Vicinanza” nella struttura chimica o fisicaVicinanza nella struttura chimica o fisica “vicinanza” nello stato di ossidazione
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Riserve di carbonioIntroduzione
Riserve di carbonio(consumo petrolio: ~30 miliardi barili all’anno)
Riserve di gas recuperabili – 75-90 GTC (1 Tera-BOE)Riserve di petrolio recuperabili – 120-150 GTC (1.2 Tera-BOE)Riserve di carbone recuperabili – 900-1000 GTC (6.6 Tera BOE)p ( )Argillite petrolifera (Oil Shale) – 225 GTCSabbie bituminose – 250 GTCAltre riserve fossili (non estraibili con tecnologia attuale) – 2500Altre riserve fossili (non estraibili con tecnologia attuale) 2500 GTCTorba e carbonio del suolo – 2000 GTCIdruri del metano – 10000 (??) GTCIdruri del metano 10000 (??) GTCBiomassa – 500-800 GTC Produzione annuale terrestre – 50-60 GTC/y (400 Giga-BOE/y) Produzione annuale acquatica – 15-25 GTC/y (100 Giga-BOE/y) Produzione annuale acquatica 15 25 GTC/y (100 Giga BOE/y)
CO2 atmosferica (360ppm) – 750 GTCCarbonio oceanico (30ppm) – 40000 GTC
Uranio: 4 mil ton provate (~5 Tera-BOE con
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( pp )Calcare/dolomite/gesso – 100000000 GTC
( 5 Tera BOE con tecnologie attuali)22 mil probabili
Stima del consumo di energiaIntroduzione
Stima del consumo di energiaUna previsione semplice
Al giorno d’oggi:6.7 miliardi x 12 BOE/persona = 80 miliardi di BOE
Fra 40 anni:10 miliardi x 15 BOE/persona = 150 miliardi di BOE
Secondo alcuni calcoli, questo comporterebbe un esaurimento di TUTTE le fonti fossili in meno di 100 anni.
In assenza di soluzioni emissioni di CO2 passeranno nel 2050 dalle attuali circa 7 GTC/anno ad almeno 26 GTC/anno.
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/ /
Introduzione
Bezzo 2010
Introduzione
Bezzo 2010
Introduzione
Sviluppo sostenibile
Controllo della qualità dell’ariaGestione delle risorse idricheGestione delle risorse idricheConservazione qualità del terrenoConservazione natura e paesaggioo a o a u a pa agg oSicurezza ed efficienza energeticaGestione demograficagGestione rifiutiPianificazione della mobilitàSviluppo tecnologico e pianificazione della produzione
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La Produzione di Energia Elettricada Biomassa
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Produzione mondiale di elettricitàEnergia elettrica
Produzione mondiale di elettricitàFonti primarie (dati IEA)
Produzione elettricità (2006)88% idroelettrico
20.1%18.1%0.2% gasrinnovabilialtro6% biomassa
5.8%t linucleare
14.8%petrolionucleare
41.0%b
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carbone
Produzione di elettricitàEnergia elettrica
Produzione di elettricitàFonti rinnovabili (dati IEA)
Bezzo 2010
Energia elettricaEnergia elettrica
Energia elettricaFonti rinnovabili
Le tre principali fonti rinnovabili oggi disponibili per la produzione di energiadisponibili per la produzione di energia elettrica utilizzano:
l f t lt i l t di i sole: fotovoltaico e solare termodinamico (concentrato)
vento: energia eolica (mulini)
biomassa: combustione e gassificazione
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Costi dell’energia elettricaEnergia elettrica
Costi dell energia elettricaDati e previsioni IEA 2008
Sequestro CO2 in impianti a carbone o metano comporta costa aggiuntivo di circa 20-40 $ per MWh prodotto.
costo carbone
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costo metano
Energia elettricaEnergia elettrica
èEnergia elettricaIl fotovoltaico
Dal 2004 prezzo non è sceso a causa dell’aumento del costo del silicio (da 25 $/kg a 400 $/kg!)
Conversione diretta dell’energia solare (fotoni) in energia elettrica (elettroni)g ( )Il modulo fotovoltaico è solitamente a base di silicioRendimenti commerciali si attestano oggi attorno al 15% (silicio monocristallino)Radiazione solare massima 1 kW/m2
sole: 1 GW 1 km2 sole: 1 GW 1 km2
considerata efficienza, variabilità insolazione, etc. per ottenere 1 GW servono circa 40 km2
Italia necessita di circa 41 GWPossibile generazione distribuita (anche piccola scala)E oga ione discontin a
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Erogazione discontinua
Energia elettricaEnergia elettrica
Energia elettricaIl solare termodinamico (o concentrato)
Raggi solari sono concentrati su ricevitore che scalda oli minerali (< 400 °C) o sali fusi (> 600 °C) che ( ) ( )vengono utilizzati per produrre vapore che aziona turbina e produce energia elettricaV t i ’è di ti ità hé è ibilVantaggio: non c’è discontinuità perché è possibile accumulare oli o sali fusi in serbatoi di raccoltaEfficienza 15-50% serve minor superficieEfficienza 15 50% serve minor superficie
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Energia elettricaEnergia elettrica
Energia elettricaL’eolicoVento muove pale e l’energia meccanica è trasformata inVento muove pale e l energia meccanica è trasformata in energia elettrica.Una installazione terrestre oggi può arrivare a 3 MW di gg ppotenzaUna installazione offshore oggi può produrre circa 6 MW (in
tt li i d 10 MW) ti 40% i iprogetto mulini da 10 MW), ma costi sono 40% superioriEfficienza è attorno al 20%, ma molto variabile come fotovoltaico è un’energia discontinuafotovoltaico è un energia discontinua
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Energia elettricaEnergia elettrica
Energia elettricaLa biomassa
Oggi principali tecnologie che partono da biomassa prevedono (quasi) sempre la produzione di vapore h i t bi l d iche serve per azionare una turbina per la produzione
di energia elettricaVi sono principalmente tre stradeo o p pa ad combustione diretta della biomassa (legno, residui agricoli,
pellets, oli vegetali) gassificazione della biomassa: biomassa viene trasformatagassificazione della biomassa: biomassa viene trasformata
ad elevata temperatura in un gas che contiene idrogeno, monossido di carbonio e metano e questo viene bruciato
fermentazione della biomassa (rifiuti di tipo organico) per d bi ( id id b i ) h iprodurre biogas (metano e anidride carbonica) che viene
bruciato
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Energia elettrica
Il consumo di biomasse
Attualmente circa il 10% del consumo primario di energia deriva da biomasse paesi industrializzati solo 3.5% (anche se Finlandia 18%,
Svezia 17%, Austria 13%) paesi in via di sviluppo 38% sono intese come biomasse coltivazioni e residui legnosi
come pure i residui zootecniciSi noti che l’energia primaria è l’energia solare che si g p gtrasforma in biomassa attraverso la fotosintesi efficienza media 0.1% (punte al 2%)
CO + 0 72 H O CH O + 0 66 O
reazione per produzione lignocellulosa
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CO2 + 0.72 H2O CH1.44O0.66 + 0.66 O2
à
Energia elettrica
Produttività biomasse
Biomassa Produttività (t/ha/anno)
Colture oleaginose (colza, girasole, …)
1 (olio)
Cereali (frumento, mais) 5-15
Colture energetiche 3-25Colture energetiche (pioppo, switchgrass, …)
3-25
Scarti erbacei 2-5
Scarti legnosi 1-4
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Biomassa terrestreEnergia elettrica
Biomassa terrestreSfruttamento umano delle risorse (Haberl et al., 2007)
Superficie terrestre è già molto sfruttata. Uso biomassa per energia determinaSuperficie terrestre è già molto sfruttata. Uso biomassa per energia determina numerosi problemi:
• tecnologici, economici, etici/sociali, ambientali
à f l l h b d ll
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Intervento su zone già sfruttate impone o rivoluzioni tecnologiche o cambio della destinazione finale della biomassa coltivata
à
Energia elettrica
Elettricità e calore
Le biomasse possono essere trasformate attraverso processi chimici (combustione, gassificazione, pirolisi) p ( , g , p )o biologici (fermentazione) allo scopo di produrre energia elettrica e caloreIl t l ifi d ll bi è bb t iIl potere calorifico delle biomasse è abbastanza vario: legno (essiccazione naturale): 11 MJ/kg legno (essiccazione termica): 14.5 MJ/kglegno (essiccazione termica): 14.5 MJ/kg pellets: 17 MJ/kg trucioli: 15.9 MJ/kg
li 14 5 MJ/k paglia: 14.5 MJ/kg granella di mais: 16.7 MJ/kg
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Elettricità e caloreEnergia elettrica
Elettricità e caloreI processi termochimici: combustione
Le risorse sono molto varie: residui forestali e agricoli solitamente il combustibile è solido, ma vi sono numerose ,
eccezioni (biogas) talvolta biomassa è “tagliata” con combustibili fossili per
aumentare potere calorifico (tipico per residui zootecnici)aumentare potere calorifico (tipico per residui zootecnici)Si tratta di una complessa reazione di ossidoriduzione, esotermica nella quale il carbonio e l’id d l b tibil i l’ il’idrogeno del combustibile reagiscono con l’ossigeno per formare CO2 e H2O. Sono riconoscibili 3 fasi: riscaldamento ed essiccamento riscaldamento ed essiccamento gassificazione (distillazione) reazioni in fase gassosa
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Energia elettrica
Combustione direttaImpianti di piccole dimensioni: stufe, caminetti (a legna, tronchetti o pellets) a rendimento molto variabile:
caminetti aperti: 10% (ma con inserti: 50 60%) caminetti aperti: 10% (ma con inserti: 50-60%) stufe a pellets: 60-75%
Impianti di grandi dimensioni: tecnologie a letto fisso e a letto fluido (>30 MW)fluido (>30 MW) rendimento: 75-90%
Negli impianti di grandi dimensioni la combustione è solitamente utilizzata per la produzione di vapore per la produzione diutilizzata per la produzione di vapore per la produzione di energia elettrica solo energia elettrica: e = 40% max (<30% se rifiuti organici
solidi)à cogenerazione di elettricità e calore: e = 30%
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Energia elettrica
Tipi di combustoriCombustori a letto fisso: adatta anche per pezzaturaCombustori a letto fisso: adatta anche per pezzatura disomogenea, umidità variabile.Solitamente avviene in due stadi: aria primaria poco turbolenta (per non smuovere braci); aria secondaria (p );per combustione ottimale degli effluenti gassosi.
C b t i l tt fl id i f it d lCombustori a letto fluido: aria fornita dal basso e mantiene materiale in stato fluido. Richiede omogeneità pezzatura.Si una minor eccesso d’aria (meno NOx),
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( x),è possibile operare a bassa temperatura (800-900 ºC).
Elettricità e caloreEnergia elettrica
Elettricità e caloreI processi termochimici: gassificazione
La gassificazione è la conversione termochimica di un combustibile solido o liquido in un gas che avviene q gattraverso un agente gassificante.Divisa in varie fasi: combustione, pirolisi,
ifi igassificazione.Sono utilizzati come agenti gassificanti: aria aria ossigeno vapore
Differenza sostanziale con combustione è minor rapporto ossigeno/combustibile
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Energia elettrica
Principali reazioniReazioni principali: Combustione: C + O2 CO2
Ossidazione parziale: C + 0 5O CO Ossidazione parziale: C + 0.5O2 CO Reforming: C + H2O CO + H2 Reazione di Boudouard: C + CO2 2CO Metanazione: C + 2H CH Metanazione: C + 2H2 CH4 Water/Gas Shift: CO + H2O CO2 + H2
La composizione del gas è molto variabile e dipende dal tipo di biomassa dall’umidità della stessa dall’agente gasogeno dallebiomassa, dall umidità della stessa, dall agente gasogeno, dalle condizioni operative (temperatura), dall’apparecchiatura: CO: 10-15 (aria); 30-38% (ossigeno); 32-41% (vapore) CO2: 14-20 (aria); 25-30% (ossigeno); 15-20% (vapore)2 ( ); ( g ); ( p ) H2: 9-10 (aria); 30-35% (ossigeno); 24-30% (vapore) CH4: 2-5 (aria); 4-6% (ossigeno); 12-14% (vapore) N2: 55-70 (aria); 2-5% (ossigeno); 2-5% (vapore)
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2 ( ) ( g ) ( p )
Energia elettrica
Gassificazione: uso del syngasIl potere calorifico del gas di sintesi: 3.8 – 5 MJ/KgSe si utilizza per produrre energia elettrica rendimento è del 20-30%30% consumo di biomassa 1.3-2 kg/kWh cicli gassificazione + turbina a vapore: e = 20-30% cicli gassificazione + ciclo combinato a gas: = 30 40% cicli gassificazione + ciclo combinato a gas: e = 30-40%
Problemi: tecnologia in molti gasi è ancora antieconomica (conviene in casi
particolari: gassificazione del black liquor delle cartiere)particolari: gassificazione del black liquor delle cartiere) qualità del syngas difficile da garantire
Il syngas contiene contaminanti (acidi e vari composti solforati e clorurati). Il livello di depurazione dipende da uso finale) p p bassa depurazione se usato come riducente in processi chimici media depurazione per produzione energia elettrica massima depurazione per produzione metanolo, carburanti sintetici, H2
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p p p , , 2
GassificazioneEnergia elettrica
GassificazioneSchema di processo vapore hp
Boiler Purificazionesyngasacqua
syngas
O
N2
elettGassificatoreSeparazione
aria
O2
i
Turbina a gaselettr.
biomassasolida
Macina
aria
Boiler
T bi l tt
vapore surr.
l
Gassificazione è molto modulare e anche per questo permette grande flessibilità nella
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Turbina a vapore
elettr.vapore lppotenza degli impianti. Inoltre, ha minor impatto ambientale rispetto a combustione.
Energia elettrica
Tipi di gassificatoriLetto fisso: sono più flessibili nella granulometria del materiale; usati per media tagliataglia tiraggio updraft, downdraft, crossdraft
Letto fluido: se agiscono sotto pressione consente una certa flessibilità nellaconsente una certa flessibilità nella granulometria (oltre a inerte, possono essere aggiunti catalizzatori) letto fluido sospeso o circolante
Letto trascinato: combustibile viene miscelato con ossigeno e vapore (o miscele acqua/carbone) e operato in equicorrente a temperature molto elevate (>1200 ºC); servetemperature molto elevate (>1200 C); serve granulometria molto fine
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Elettricità e caloreEnergia elettrica
Elettricità e caloreI processi termochimici: pirolisi
La pirolisi è una decomposizione termochimica dei materiali organici, ottenuta fornendo calore a g ,temperature comprese tra i 400 e gli 800 ºC in assenza (o difetto) di ossigenoI d tti i li idi lidi d d llI prodotti sono gassosi, liquidi e solidi a seconda della biomassa e delle condizioni di reazione pirolisi lenta: 35% solido (50% contenuto energetico), 25% p o s e a 35% so do (50% co e u o e e ge co), 5%
liquido, acqua 20%, gas 20% pirolisi rapida (flash; permanenza < 1 s) a bassa
temperatura (500-650 ºC): 80% liquido piroliotemperatura (500 650 C): 80% liquido pirolio pirolisi rapida ad alta temperatura (>650 ºC): 80% gas
Processo è costoso e di difficile manutenzione
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PirolisiEnergia elettrica
PirolisiUso prodotti
Gas: utilizzato subito per combustione (riscaldamento o generazione vapore)( g p )Solido: è carbone (utilizzato per forni e barbecue)Liquido: il pirolio (o bio-olio) è il prodotto potenzialmente più interessante, perché molto simile a petrolio Ma:molto simile a petrolio. Ma: poco stabile (molti gruppi ossigenati) composizione chimica molto complessa (composti composizione chimica molto complessa (composti
di potenziale valore, ma di difficile separazione) poco economico
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Elettricità e caloreEnergia elettrica
Elettricità e caloreI processi biochimici: la digestione anaerobica
Si tratta di un processo biologico che trasforma biomassa liquida (deiezioni animali, spremitura di rifiuti organici, etc.) a biogas (60-65% metano; 30-35% CO2)(60 65% metano; 30 35% CO2)Tre stadi di digestione: enzimi extracellulari degradano molecole complesse (proteine,
cellulosa, grassi, carboidrati) in acidi grassi solubili, alcoli, NH3, CO2cellulosa, grassi, carboidrati) in acidi grassi solubili, alcoli, NH3, CO2 batteri acetogenici (e formatori di acidi) trasformano prodoti
precedenti in acido acetico, acido propionico, H2, CO2, etc. due gruppi di batteri metanogeni anaerobici trasformano
i tti t CO H t t i trispettivamente CO2 e H2 oppure acetato in metanoIn genere lo stadio limitante è il terzo (crescita lenta, alta sensibilità a fattori ambientali).Il biogas prodotto viene utilizzato per:Il biogas prodotto viene utilizzato per: produzione calore cogenerazione elettricità + calore
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Digestione anaerobicaEnergia elettrica
Digestione anaerobicaCondizioni operative
Temperatura: solitamente 35 ºC (condizioni mesofile)pH: 6-8 (carbonato è sistema acido-base che più controlla pH in questi processi)questi processi)Tempo di permanenza dipende da concentrazione, temperatura, tipo di batteriDevono essere garantire buone condizioni di mescolamento eDevono essere garantire buone condizioni di mescolamento e apporto di adeguato nutrimento (spesso materiale in ingresso è sufficiente)Processo può essere:Processo può essere: continuo (serve sia digestore che serbatoio di post-digestione) discontinuo semicontinuo semicontinuo
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Digestione anaerobicaEnergia elettrica
Digestione anaerobicaSchema di processo
vapore
Boilerfumiacqua
turbinaelettr.
biogas
f
vapore lp
Digestoreanaerobico
fango
pretrattamentofango
fangodigerito
centrifugaconcime
centrifuga
acqua
Bezzo 2010
La Produzione di Carburantida Biomassa
Bezzo 2010
La situazione europeaI biocarburanti
La situazione europeaProssimi 25 anni
Per EU 25 crescita annua media dello 0.6% per energia primaria (2.4% incremento annuo del PIL)incremento annuo del PIL)Dipendenza da importazioni: 47.1% 67.5%La UE ha stabilito una serie di obiettivi: incrementare la quota delle energie i bili d 5 4% l 1997 l 12% lrinnovabili da 5.4% nel 1997 al 12% nel
2010 e sino al 20% nel 2020 direttiva 2003/30/CE: sostituzione di diesel e / /
benzina del 5.75% entro il 2010 Presidenza UE 2007: sostituzione di diesel e
benzina del 10% entro 2020
Bezzo 2010
benzina del 10% entro 2020
Settore carburantiI biocarburanti
Settore carburantiprevisioni 2000-2030 (FONTE: DG-TREN, 2003)
30% del consumo totale di energia nell’Unione Europea deriva dal settore trasportip pTrasporto merci: +2.1% anno per EU 15 trasporto su gomma: 69% 77.4%
Trasporto personale: +1.5% anno per EU 25 raddoppio trasporto aereo sino a quota del 10.8% sul totale
(consumo energia 16%)(consumo energia 16%) auto e moto circa stabili: 77.7% 75.8%
I carburanti liquidi continueranno a dominare il mercato richiesta di diesel aumenterà più di quella della benzina
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Produzione di biocarburantiI biocarburanti
Produzione di biocarburantiMondo
Nel mondo nel 2006 sono stati prodotti circa 46 milioni di ton di biocarburanti (40 etanolo e 6 biodiesel) e 1.4 miliardi di ton di benzina e diesel USA dal 2005 primo produttore mondiale di etanolo: da 4
milioni di ton nel 1996 a quasi 15 milioni di ton nel 2006 (+ unmilioni di ton nel 1996 a quasi 15 milioni di ton nel 2006 ( un milione di ton di biodiesel)
Brasile per 25 anni il leader mondiale di etanolo: nel 2006 produce circa 14 milioni di tonproduce circa 14 milioni di ton
Cina: nel 2006 3 milioni di ton di etanolo Europa: nel 2006 circa 2.5 milioni di ton di etanolo e 4 milioni
di ton di biodieseldi ton di biodiesel
Bezzo 2010
Il contesto politico italianoI biocarburanti
Il contesto politico italianoIncentivi
Energia elettrica da fonti rinnovabili certificati verdi incentivi
Biocarburanti (Legge n. 81/2006) Dal 1º luglio 2006 i produttori di carburanti (diesel/benzina)
devono immettere al consumo biocarburanti di origine agricola oggetto di un’intesa di filiera, o di un contratto
d di t tt di ti iquadro, o di un contratto di programma agroenergetico in misura pari all’1 per cento dei carburanti diesel e della benzina immessi al consumo nell’anno precedente. Tale pe cent ale esp essa in pote e calo ifico infe io e èpercentuale, espressa in potere calorifico inferiore, è incrementata di un punto per ogni anno, fino al 2010.
i i i d d di bi b i i li
Bezzo 2010
Previsioni per domanda di biocarburanti in Italia: 500mila t nel 2007 - 2.1 milioni di t nel 2010
I biocarburanti
Emissioni CO2Emissioni previste di CO2 (UE 25 2005-2020)
Bezzo 2010
Fonte: Commissione Europea, gennaio 2007
Emissioni CO2
I biocarburanti
Emissioni CO2Come produciamo CO2?
Quando viene bruciato:1 kg di petrolio produce 2,6 kg di anidride carbonica
in termini energetici: 61 g/MJ in termini energetici: 61 g/MJ1 kg di gas naturale produce 2,7 kg di anidride carbonica in termini energetici: 57 g/MJ
1 kg di carbone produce 2 6 kg di anidride carbonica1 kg di carbone produce 2,6 kg di anidride carbonica in termini energetici: 91 g/MJ (valore medio)
1 kg di legname produce 1,6 kg di anidride carbonicain termini energetici: 85 g/MJ (valore medio) in termini energetici: 85 g/MJ (valore medio)
ma questa non incrementa il contenuto nell’atmosfera
NOTA BENENOTA BENE:un ettaro di bosco cattura 1 kg di anidride carbonica ogni oraun’automobile media produce 1 kg di anidride carbonica ogni tre chilometri
Bezzo 2010
chilometri
I biocarburanti
Auto per abitante
Bezzo 2010
BiocarburantiI biocarburanti
BiocarburantiIl bioetanolo
Vi sono due grandi categorie tecnologicheBi t l di i iBioetanolo di prima generazione produzione da zuccheri semplici produzione da amido
Bioetanolo di seconda generazione produzione di materiali lignocellulosici
via biologica via termochimica
Bezzo 2010
I biocarburantiI biocarburanti
I biocarburantiDiverso valore energetico
In termini di potere calorifico: 1 L EtOH = 0.65 L benzina1 kg EtOH = 0.6 kg benzina
diesel olio di colza coke etanolo pellet
Bezzo 2010
La situazione americanaI biocarburanti
La situazione americanaIl piano energetico per l’etanolo
obiettivo 2012 (superato già nel 2008!)
7
8
i( p g )
>25% del mais americano finisce in etanolo
consumo benzina 2005: 350 Mt6.5 bgal nel 2007>19 Mt
5
6
di g
allo
n
4.9 bgal nel 2006>14.7 Mt
3
4
Mili
ardi
d
3.9 bgal nel 2005
1
2
3M
0
1
80 82 84 86 88 90 92 94 96 98 '00 '02 '04 '06 '08 '10 '12A t l
Bezzo 2010
YearActual
New RFS
Source: Renewable Fuel Association
La situazione europeaI biocarburanti
La situazione europea2006
Circa 2.5 Mt/anno di bioetanolo Francia: 750 kt Germania: 600 kt Spagna: 350 kt
Polonia 200 kt Polonia: 200 kt Italia: 120 kt, ma collegato a industria vinicola (nessun
impianto rilevante da mais o frumento)Circa 4 Mt/anno biodiesel Germania: 3000 kt
Francia: 700 kt Francia: 700 kt Italia: 400 kt (2005) Repubblica Ceca: 130 kt (2005)
Bezzo 2010
Produzione di biocarburantiI biocarburanti
Produzione di biocarburantiUlteriori dati sul biodiesel
Bezzo 2010 Bezzo 2009
Il bioetanoloI biocarburanti
Il bioetanoloProprietà chimiche e motoristiche Numero di ottano: indice della
proprietà detonante di un carburante in un motore Otto
Potere calorifico inferiore: 26.7 MJ/kg Benzina: 45 MJ/kg
T t di b lli i (1 t ) 78 4°C
carburante in un motore Otto (la detonazione è la conseguenza della autocombustione del carburante battito in testa)
Temperatura di ebollizione (1 atm): 78.4°CVantaggi: Numero di ottano elevato (>100); benzina ha in genere un numero
di ottano 95di ottano 95 No emissione benzene e SO2, minori emissioni di CO
tuttavia maggiori emissioni aldeidi Elevato calore di vaporizzazione: permette raffreddamento della Elevato calore di vaporizzazione: permette raffreddamento della
miscela e maggiore compressioneSvantaggi: Igroscopicog p
smiscelazione Chimicamente più aggressivo (corrosione) Tensione di vapore bassa: problemi di accensione a freddo
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneIl processo attuale possibile in Italia
mais frumento orzo barbabietola
Processo Et l
mais, frumento, orzo, barbabietola…
Processo biologico
Piante zuccherine Etanolo
100 kg mais
31 kg (40 L) etanolo (+ 31 kg mangimi animali)
Bezzo 2010
g ( ) ( g g )
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneSchema di processo (dry milling)
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneMacina
Dimensioni granuli 2 4 mm
Bezzo 2010
Dimensioni granuli 2-4 mm
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneProduzione polpa, cottura e liquefazione
PRODUZIONE POLPA(mashing)
maisacquaazoto
il i
JET COOKING
vapore
-amilasi
50-60 °C110-140 °C
LIQUEFAZIONE
-amilasi
RAFFREDDAMENTO
30 35 °C
Bezzo 2010 80-90 °Cacqua di
raffeddamento
30-35 °C
f1
Diapositiva 66
f1 acqua aggiunta nel mashing è 1.5-2 volte peso del maisfbezzo; 12/03/2009
CotturaI biocarburanti
CotturaGelatinizzazione
La struttura cristallina dell’amido deve essere rotta per consentire pl’accesso agli enzimi.
La gelatinizzazione causaLa gelatinizzazione causa un aumento di viscosità (ridotta dall’ -amilasi introdotta all’inizio)introdotta all inizio)
67°C
75°C
Bezzo 2010
75°C
85°C
L’amidolisiI biocarburanti
L amidolisiEffetto degli enzimi
amilosio (25%)
amilopectina (75%)amilopectina (75%)
-amilasi amilasi(legami -1,4)
glucoamilasid i d t i
Bezzo 2010
glucoamilasi(legami -1,4 e -1,6)
produzione destrine
Degradazione dell’amidoI biocarburanti
Degradazione dell amidoSchema riassuntivo
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneSaccarificazione e fermentazione
SSFSSF(fermentazione e
saccarificazione simultanee)Serbatoio della
birra
glucoamilasilieviti
CO2 acqua diraffeddamento
30-35 °C
La SSF avviene in condizioni anaerobiche.La concentrazione è di circa il 9-12% in peso (12-15% v/v). Il tempo di permanenza è di circa 40-60 h.
Bezzo 2010
po d p a a d a 0 60Il rapporto tra CO2 ed etanolo prodotti è circa 1.
FermentazioneI biocarburanti
FermentazioneI lieviti
C6H12O6 2C2H5OH + 2CO2 + 2H2O6 12 6 2 5 2 2
saccharomyces cerevisiae
Cinetica:n
GG SSμμ
0 1
GGG Sμμ
max,
0,
*
1n
Srr
10% v/v
Bezzo 2010
max,0, 1
FFF Srr
15% v/v
Produzione di etanoloI biocarburanti
Produzione di etanoloEsempio di calcolo per resa teorica
(C6H12O5)n + n H2O n C6H12O6Idrolisi dell’amido:
Da 1 kg di amido si producono circa 1.111 kg di glucosio. g p g gDa 1 kg di glucosio si ottengono 0.511 kg di etanolo.
Il mais contiene circa il 15% di umidità; il suo contenuto in amidoIl mais contiene circa il 15% di umidità; il suo contenuto in amido è circa del 70%. Qual è la resa teorica di 100 kg di mais?
0.85 0.70
1 111 0 511
100 kg mais 85 kg biomassa secca 59.5 kg amido1.111 0.511 66.1 kg glucosio 33.8 kg etanolo teorici.
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneDistillazione e recupero dell’etanolo
STRIPPER RETTIFICA DISIDRATAZIONESTRIPPER RETTIFICA
etanolo 50% etanolo 92.8%
DISIDRATAZIONE
etanolo 99.9%
birra
etanolo 50% etanolo 92.8%
acqua
etanolo 99.9%
solidi, acqua(whole stillage)
acqua Setacci molecolari:li i i 3 Å h
(whole stillage)
SERBATOIOWHOLE STILLAGE
zeoliti con pori a 3 Å, che lasciano passare le molecole d’acqua (2.8 Å),
Bezzo 2010
WHOLE STILLAGE ma non quelle di etanolo (4.4 Å).
Distillazione acqua-etanoloI biocarburanti
Distillazione acqua etanoloIl punto azeotropico
95.6% massa89.5% molare(T = 78.17 °C)
Bezzo 2010
DistillazioneI biocarburanti
Particolari tecnici
Pi tti ti i i lidiPiatti spesso usati per separazioni con solidi
Bezzo 2010
La distillazioneI biocarburanti
La distillazioneNecessità di un’integrazione energetica
Circa 55-60% dell’energia termica è richiesta dalla sezione di recupero dell’etanolo.
recuperi termici da correnti più calde a correnti più fredde
colonne a pressione maggiore per avere flussi a temperatura
Bezzo 2010
per avere flussi a temperatura elevata per fornire calore per bollitori nelle altre colonne.
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneConcentrazione dei residui solidi
EVAPORATORI (multiplo effetto)(35-40% energia termica)
whole stillage(12% solidi)
CENTRIFUGA thin stillage(8% solidi)
vapore
( ) ( )
torta (cake)(35% solidi)
sciroppo(30% solidi)Una parte (15-30%) dello thin
stillage è riciclata in testa al processo nel reattore di mash
Bezzo 2010
processo nel reattore di mash
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneEssiccazione del DDGS
torta +sciroppo ESSICCATOREpp
DDGS
PELLETTIZZATOREfumi da caldaia o
impianto di cogenerazione
C i i DDGSper l’essiccazione si usano anche sistemi ring-dryer: più complessi ma più efficienti
Composizione DDGS:30% proteine11% grassi10-15% acqua
Bezzo 2010
complessi, ma più efficienti. 10 15% acquafibre, minerali…
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneServizi
Torri di raffreddamento per ricircolo dell’acqua impianto dolcificazione acque
Vapore (2.7-3.5 kg/kgEtOH) ed elettricità (1.2-1.8MJ/kgEtOH) cogenerazione a metano (turbina a gas) o biomassa cogenerazione a metano (turbina a gas) o biomassa
Trattamento acque acque di spurgo e prima pioggia
T tt t i i iTrattamento emissioni gassose lavaggio CO2 da fermentatori trattamento fumi essiccazione DDGS trattamento fumi caldaia/centrale cogenerazione …
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
gSchema di processo
Bezzo 2010
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di I generazioneLayout
distillazionedistillazione, disidratazione stoccaggio DDGS
fermentatori
serbatoi birra e stillage
fermentatori
mash, liquefazione, propagazione, chemicalsq p p g
stoccaggio maisevaporatori
essiccatori
trattamento acque
centrifughe torri di raffreddamento
centrale olio e
mulini
Bezzo 2010
stoccaggio etanolostoccaggio olio
Il bioetanolo di I generazioneI biocarburanti
gUn impianto reale
Bezzo 2010
I biocarburantiI biocarburanti
I biocarburantiFood for fuel?
Etanolo e (in parte) biodiesel sfruttano risorse alimentari per produrre p pcarburanti in ogni caso sfruttano terre coltivabili
Bezzo 2010
Produzione di cerealiI biocarburanti
Produzione di cerealiDati FAO
In Italia da 1950 resa per ettaro nel mais è
anno popolazione produzione disponibilità
quintuplicata.
anno popolazione(miliardi)
produzione(milioni ton)
disponibilità(kg/persona)
1950 2.5 630 248
1960 3 0 820 2721960 3.0 820 272
1970 3.8 1080 286
1980 4.5 1430 321Si stima che circa 4.5% dellaproduzione sia utilizzato per
1990 5.3 1770 334
2000 6.1 1840 301
2007 6 6 2070 314
biocarburanti. Questo abbassa la disponibilità per persona a 309 kg.
Bezzo 2010
2007 6.6 2070 314
2008* 6.8 2200 324*previsioni 02/09
Il prezzo nei cerealiI biocarburanti
Il prezzo nei cerealiUn problema più complesso
250
300prezzo mais in Italia
100
150
200
€/to
n
0
50
100
02 03 03 04 04 05 05 06 06 07 07 08 08 09
set-0
2mar-
03se
t-03
mar-04
set-0
4mar-
05se
t-05
mar-06
set-0
6mar-
07se
t-07
mar-08
set-0
8mar-
09
Bezzo 2010
L’etanolo degli USAI biocarburanti
L etanolo degli USALa produzione non è diminuita
180 raffinerie di etanolo 21 in costruzione21 in costruzione
Produzione:
Bezzo 2010
nel 2007 19 Mtonnel 2008 27 Mton (circa 5% della quota energetica)
I biocarburantiI biocarburanti
I biocarburantiFood for fuel?
Etanolo e (in parte) biodiesel sfruttano risorse alimentari per produrre p pcarburanti in ogni caso sfruttano terre coltivabili
Sono (in parte) causa dell’aumento dei So o ( pa te) causa de au e to deprezzi alimentari. Anche se: consumo carne in aumento
7 kg cereali per 1 kg di carne bovina 7 kg cereali per 1 kg di carne bovina 3 kg cereali per 1 kg carne suina
problemi siccità
Bezzo 2010
I biocarburantiI biocarburanti
I biocarburantiNon solo concorrenza alimentare
Scarsa produttività biodiesel (colza): 0 9-1 5 ton/ha (19000-30000 km/ha) biodiesel (colza): 0.9 1.5 ton/ha (19000 30000 km/ha) bioetanolo (mais): 3.5-4 ton/ha (35000-40000 km/ha)
Costo elevato: biodiesel: 0.8-0.9 €/L (equivalenza con diesel se
greggio 120-130 $/bbl)greggio 120 130 $/bbl) bioetanolo: 0.45 €/L (mais: 160 €/ton; equivalenza
benzina se greggio 80 $/bbl)
Dubbi su rilevanza dei vantaggi ambientali
Bezzo 2010
Il bioetanoloI biocarburanti
Il bioetanoloLa seconda generazione
La cellulosa è uno zucchero complesso potenzialmente fermentabilepotenzialmente fermentabile
È il polimero naturale più abbondante sulla Terra possibilità di sostituire una quota considerevole (forse la
t t lità) d l di b itotalità) del consumo di benzinaLa produzione di etanolo via lignocellulosa può avvenire in due modiavvenire in due modi processo enzimatico-biologico: cellulosa è ridotta
enzimaticamente a zuccheri semplici e quindi fermentataprocesso termochimico biologico: cellulosa è distrutta processo termochimico-biologico: cellulosa è distrutta (gassificata) termicamente e gas viene fermentato
Bezzo 2010
Il bioetanolo da lignocellulosaI biocarburanti
Il bioetanolo da lignocellulosaPerché è un processo complicato?
OH3CO
HO
H3CO
OCH3
OHO
HO
OH
OCH3
OCH3
O
O
O
OH
OCH3
OO
HO
OCH3
OCH3
OH
OO
O
OH
HO
OH
OHO
OO
OHOH
HOHO
OHO
OHO
O
OO
OHOH
HOHO
OHO
HO
OHO
H3COOCH3
OHO
HO
OH
OCH3
OCH3O
O
OH
OCH3
OCH3
O
OH
OO
O
OH
HO
OH
OHO
OO
OHOH
HOHO
OHO
O
OH
OH
HO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO OH
OO
HOHO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOH3COOH
OCH3
O
OH
HO
OO
OHO
OH
OH
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO OH
OO
HOHO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HO
OHO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO
OO
OH
HOHO
OHO
O
OOH
OH
OHO
OO
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
OHO
OO
OH
HOHO
OHO
O
OOH
OH
OH
fenoli
O
OO
OH
OH
OH
HOHO
O
OO
OHOH
HOHO
OHO
O
OH
OHO
OH
OH
LIGNINAEMICELLULOSACELLULOSA
Bezzo 2010
OHCELLULOSAglucosio e fruttosio (C6)
xilosio (C5)
I materiali lignocellulosiciI biocarburanti
I materiali lignocellulosiciStruttura della parete cellulare
La parete cellulare contiene cellulosa, emicellulosa, pectina, lignina e proteine solubili
L li ifi i i iLa lignificazione avviene nei tre strati (S1, S2, S3) della parete cellulare.
Bezzo 2010
Il bioetanolo di II generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di II generazioneIl processo enzimatico-biologico
i t di• esistono diverse opzioni tecniche per ogni step
raccolta e trasporto
distillazione edisidratazione
gli step
• esistono molte possibili interazioni tra gli step Il processo è energeticamente
t ffi i t
pre-processing idrolisiproduzione di
i
g pg pautosufficiente.0.25 MJ di energia elettrica in eccesso sono prodotti per kg di etanolo pre processing idrolisi
enzimaticaenergia
di etanolo
Vengono prodotti 0.25 kg (0.32 L) per kg di legno secco.
pre-trattamento condizionamento
fermentazionezuccheri (C5, C6)
Bezzo 2010
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoIl pretrattamento
Pretrattamento chimico acido concentrato (H2SO4)( 2 4) acido diluito ammoniaca
P t tt t fi iPretrattamento fisico steam explosion steam explosion (190°C, 10 bar, 10 min) + SO2 steam explosion (190 C, 10 bar, 10 min) + SO2
Pretrattamento biologico funghi
La scelta del pretrattamento dipende dalla biomassa da fermentare
Bezzo 2010
L’idrolisi della cellulosaI biocarburanti
L idrolisi della cellulosaIl meccanismo
Soluble phase
Endoglucanase Cellobiohydrolase Β-glucosidase
Bezzo 2010
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoIdrolisi e fermentazione (I)
O
MEN
TO
TAN
OLO
saccarificazionecellulosa
TRAT
TAM
PERO
ET
fermentazione C6
PRE-
T
REC
UP
fermentazione C5
SHF
Bezzo 2010
SHF(Sequential Hydrolysis & Fermentation)
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoIdrolisi e fermentazione (II)
O
saccarificazione cellulosaMEN
TO
TAN
OLO
saccarificazione cellulosa & fermentazione C6
TRAT
TAM
PERO
ET
PRE-
T
REC
UP
fermentazione C5
SSF
Bezzo 2010
SSF(Simultaneous Saccharification & Fermentation)
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoIdrolisi e fermentazione (III)
O
MEN
TO
TAN
OLO
TRAT
TAM
PERO
ET
saccarificazione cellulosa& fermentazione C5 e C6PR
E-T
REC
UP
SSCF
Bezzo 2010
SSCF(Simultaneous Saccharification & Co-Fermentation)
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoLa produzione di vapore ed energia elettrica
La corrente di fondo dello stripper (che contiene i residui solidi) viene concentrata (filtri/centrifughe ed evaporazione) e inviata a una caldaia insieme al biogas che deriva dal trattamento delle altre correnti organiche (correnti di fondo delle altre colonne etc ) Il vapore prodotto CALDAIA
fumi
vapore
TURBINAMULTISTADIO
altre colonne, etc.). Il vapore prodotto viene utilizzato per la produzione di energia elettrica.
CALDAIA
biomassaresidua acqua
DIGESTORE
Bezzo 2010
correnticon organici
ANAEROBICO
Il processo enzimatico-biologicoI biocarburanti
Il processo enzimatico biologicoCriticità tecnico-economiche
Questioni tecniche da risolvere: necessità di colture ad alta resa (>40 t/ha all’anno
10t/h EtOH) b d’ f tili ti>10t/ha EtOH) e a basso consumo d’acqua e fertilizzanti idrolisi e fermentazione più rapide (oggi per un impianto da
100mila t/a di EtOH servirebbe volume di fermentazione da 30 40mila m3 rispetto agli 8 12mila m3 della prima30-40mila m3 rispetto agli 8-12mila m3 della prima generazione)
possibilità di realizzare idrolisi e fermentazione in modo meno diluito (in modo da rendere meno costoso il recuperomeno diluito (in modo da rendere meno costoso il recupero dell’etanolo)
Costo dell’etanolo da materiali lignocellulosici è oggi concorrenziale a benzina per prezzo del greggioconcorrenziale a benzina per prezzo del greggio superiore a 110 $/bbl deve essere concorrenziale per greggio a 40-50 $/bbl
Bezzo 2010
Coltivazione biomassaI biocarburanti
Coltivazione biomassaRicerca in corso
Irrigazione a gocciag
Produttività raggiuntesorgo: 30-35 t/ha
Bezzo 2010 Bezzo 2009
sorgo: 30-35 t/ha (Piemonte)
Il bioetanolo di II generazioneI biocarburanti
Il bioetanolo di II generazioneIl processo termochimico-biologico
raccolta e trasporto
• processo meno maturo• diversi step non ancora ben definiti
Vengono prodotti 0.17 kg (0.21 L) per kg di legno secco.
distillazione eproduzione di
ben definiti
pre-processingdistillazione edisidratazione
produzione di energia
gassificazioneraffreddamentoe purificazione
d l
fermentazionesyngas
del syngasy g
d di i
Il processo è energeticamente autosufficiente.0.8 MJ di energia elettrica in
d tti k
Bezzo 2010
prod. di energia da syngas non
fermentato
eccesso sono prodotti per kg di etanolo
La fase termochimicaI biocarburanti
La fase termochimicaLa gassificazione
La gassificazione è la conversione termochimica di un combustibile solido o liquido in un gas che avviene tt t ifi tattraverso un agente gassificante.
Divisa in varie fasi: combustione, pirolisi, gassificazione.ga a oSono utilizzati come agenti gassificanti: aria
ossigeno ossigeno vapore
Differenza sostanziale con combustione è minor i / b ibilrapporto ossigeno/combustibile
la gassificazione è un processo endotermico
Bezzo 2010
La fermentazione del syngasI biocarburanti
La fermentazione del syngasReazioni principali
Set di reazioni:
La produzione di acido acetico può essere inibita
4CO + 2H2O CH3COOH + 2CO2
4H2 + 2CO2 CH3COOH + 2H2O
6CO + 3H2O C2H5OH + 4CO2
6H2 + 2CO2 C2H5OH + 3H2O2 2 2 5 2
Conversione H2: 20-70%Conversione CO: 50-90%
Concentrazione di etanolo nel brodo di fermentazione: 2-3%syngas
Bezzo 2010
Serve molta energia per recuperare l’etanolo
Il processo termochimico-biologicoI biocarburanti
Il processo termochimico biologicoCriticità tecnico-economiche
Questioni tecniche da risolvere: gassificazione è processo complesso e costoso, specie se si g p p , p
vuole garantire composizione costante nel gas di sintesi possibilità di realizzare conversioni elevate in un reattore
industriale non è dimostrataindustriale non è dimostrata servono concentrazioni più elevate nel fermentatore per
ridurre le spese energetiche nel recupero dell’etanolol’effetto della produzione di inibitori nel processo di l effetto della produzione di inibitori nel processo di fermentazione non è chiaro
Costo dell’etanolo da materiali lignocellulosici è oggi concorrenziale a benzina per prezzo del greggio superiore a 130 $/bbl
Bezzo 2010
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselIl processo attuale
Semi oleosi Biodiesel
colza, soia, girasole, palma, mais…
Processo chimico
Semi oleosi
Metanolo
Biodiesel
Glicerina
40 kg olio (trigliceridi) + 5.5 kg metanolo 40 kg olio (trigliceridi) + 5.5 kg metanolo 40 kg olio (trigliceridi) + 5.5 kg metanolo 40 kg olio (trigliceridi) + 5.5 kg metanolo 100 kg colza 100 kg colza 40 kg olio (trigligeridi)40 kg olio (trigligeridi)100 kg colza 100 kg colza 40 kg olio (trigligeridi)40 kg olio (trigligeridi)
Bezzo 201039 kg biodiesel (estere metilico) + 4 kg glicerina39 kg biodiesel (estere metilico) + 4 kg glicerina39 kg biodiesel (estere metilico) + 4 kg glicerina39 kg biodiesel (estere metilico) + 4 kg glicerina
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselBilancio di materia
metanolometanolo
12%1%
metanolobaseolio
metanolobaseolio
87% INPUT
1% 4% 9%
metanologlicerolobiodiesel
metanologlicerolobiodiesel
9%
86%OUTPUT
altroaltro
Bezzo 2010
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselProprietà chimiche e motoristiche
Potere calorifico inferiore: 37-39 MJ/kg diesel: 42-43 MJ/kg Numero di cetano: indice della
attitudine all’autoaccensione con diesel: 42 43 MJ/kgVantaggi: elevato numero di cetano (48-60), paragonabile o
attitudine all autoaccensione con combustione regolare di un carburante in un motore diesel)
( ), p gsuperiore a diesel fossile (40-55)
minori emissioni di SO2 e di polveri sottili ma aumentano NO ma aumentano NOx
elevato potere lubrificanteSvantaggigg minore stabilità rispetto a diesel qualità variabile
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselSchema di processo
Processo può essere b t h
riciclo metanolo
batch oppure continuo
Reattore60-70 °C LavaggioSeparatore
metanolo
i
olio glicerina grezza
Pressa Separatore Evaporatoresemi
bi di lacidi grassi
Evaporatoremangimi
biodieselacidi grassi
Bezzo 2010 glicerina
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselLa transesterificazione dei trigliceridi
Estere metilico o BiodieselEstere metilico o Biodiesel(FAME: fatty acid methyl ester) Si usano metanolo o
etanolo (più costoso) in eccesso per spostare equilibrio verso prodottiequilibrio verso prodotti.
Serve un catalizzatore per liberare la catena dell’acido l b (
RCCOH
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grasso. Di solito si usa una base (NaOH o KOH o metilato sodico), ma va bene anche un acido (H2SO4).
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselLa chimica del processo
Se come catalizzatore si usa una base: eccesso d’alcol: da 6:1 a 20:1 temperatura: reazione avviene a temperatura ambiente, ma
si opera a >50 °C per diminuire viscositàSe come catalizzatore si usa un acido: eccesso d’alcol: 50:1 temperatura: da temperatura di ebollizione dell’alcol a 120
°C (si opera sotto pressione)( p p ) la reazione è sensibilmente più lenta la catalisi acida è vantaggiosa in oli ricchi di acidi grassi liberi
(come negli oli di cottura) perché oltre alla reazione di ( g ) ptransesterificazione avviene anche l’esterificazione diretta degli acidi grassi
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselLe reazioni secondarie
Reazioni indesiderate che che possono avvenire in ambiente basico:
1 saponificazione:1. saponificazione:
RCOOH + NaOH RCOONa+ + H2Osapone
2. idrolisi:
RCOOCH + H O RCOOH + CH OHbase
L’ idità d ll’ li d i f i ll1% i di
RCOOCH3 + H2O RCOOH + CH3OH
L’acidità dell’olio deve essere inferiore all1%, per impediresaponificazione e conseguente formazione d’acqua che determinaun’ulteriore formazione di acidi grassi.
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Analogamente, è importante che olio sia anidro.
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselFattori di innovazione
Catalizzatori eterogenei acidi vantaggi dei catalizzatori acidi (possibilità di trattare oli ricchi
di idi i)di acidi grassi) facilità di recupero e rigenerazione del catalizzatore (solido) svantaggi attuali: costo, stabilità dei catalizzatori
Catalisi enzimatica condizioni blande, alta efficienza costo elevato costo elevato
Transesterificazione ed esterificazione supercritica reazioni senza catalizzatori
T 300 350 °C P 10 20 b T = 300-350 °C; P = 10-20 bar svantaggi: processo più complesso e costoso
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselEstrazione dell’olio
Decortificazione del seme si toglie involucro lignocellulosico (se
t )presente)Macinazione del semeRiscaldamento e condizionamentoRiscaldamento e condizionamento facilità velocità di estrazione il condizionamento determina la
formazione di un film d’acqua sullaformazione di un film d acqua sulla superficie del seme che incrementa diffusione
Estrazione dell’olio dal semeEstrazione dell olio dal seme meccanica (se contenuto olio > 20%) chimica (se contenuto olio < 20%)
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselTrattamento dell’olio
Sedimentazione e filtrazioneDegommazioneg rimozione gomme di fosfatidi che possono assorbire acqua e
formare incrostazioni viene aggiunto 1% d’acqua che rende insolubili gomme poi gg q g p
separate via centrifugaNeutralizzazione gli acidi grassi sono saponificati (aggiunta di soluzione di gli acidi grassi sono saponificati (aggiunta di soluzione di
soda) e allontanati con fase acquosaLavaggio ed essiccazione i saponi residui sono lavati e separati via centrifuga i saponi residui sono lavati e separati via centrifuga l’olio viene essiccato sotto vuoto per eliminare umidità
residua
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselIl reattore
Reazione avviene solitamente a pressione atmosferica e temperatura tra i 60 e i 70°C. I reattori sono dei reattori a mescolamento (essenziale per garantire un buon contatto tra lamescolamento (essenziale per garantire un buon contatto tra la fase oleosa e quella alcolica).Nei processi continui si utilizzano due o tre reattori in serie (con
l i i t l 99 9%) regione direse complessive intorno al 99.9%)Possibile schema di reattoreregione di
mescolamento
serpentino perserpentino per riscaldamento biodiesel, metanolo,
glicerina
regione di decantazione
olio, metanolo, base
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decantazione
glicerina
biodiesel 880 kg/m3
glicerina 1050 kg/m3
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselPurificazione biodiesel (I)
NEUTRALIZZAZIONE
DECANTAZIONEacido fosforico
NEUTRALIZZAZIONE
DECANTAZIONE
biodieselmetanolo
biodieselmetanolo
biodieselmetanolo
glicerina glicerina glicerina glicerina glicerina
metanoloDECANTAZIONE
biodieselmetanologlicerina
biodieselmetanologlicerina glicerina
biodieselmetanolo
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glicerina
FLASH (sottovuoto)
glicerina glicerina
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselPurificazione biodiesel (II)
metanolo
FLASH LAVAGGIO
acqua ESSICCAMENTO
biodieselCENTRIFUGA
vapori
biodieselmetanolo biodiesel
biodiesel biodieselbiodieselacqua
biodieselacquaresidui
bi di lbiodiesel
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Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselPurificazione glicerina
NEUTRALIZZAZIONEmetanolo
DECANTAZIONE acidi grassiacido cloridrico
NEUTRALIZZAZIONE
glicerinametanolo
glicerinametanolo
acqua dalavaggio biod.
FLASH (sottovuoto)
glicerinametanolo
acqua glicerinametanoloacqua
acqua(sottovuoto) acquametanolo
metanolo
glicerinametanolo
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acqua
FLASHglicerina
acqua
RETTIFICA
Il biodieselI biocarburanti
Il biodieselNote finali
Integrazione termica per recupero calore è essenziale per economicità del processop pServono inoltre impianti di lavaggio per le emissioni gassose e trattamento acqueConsumi vapore: 3 t/tbiodiesel
Uso della glicerina:t i d t i li t t i ti parte per industria alimentare, zootecnica, cosmetica e
farmaceutica additivo per digestori anaerobici combustibile … sempre più è materiale da smaltire (costo)
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Il biodiesel di III generazioneI biocarburanti
Il biodiesel di III generazioneLa produzione da alghe
Uno dei problemi del biodiesel è la scarsa produttività per ettaro: palma: 5.5 t/ha olivo: 1.1 t/ha colza: 1.1 t/ha/ girasole: 0.9 t/ha soia: 0.4 t/ha mais: 0.15 t/ha mais: 0.15 t/ha
Le microalghe presentano una potenzialità ben diversa:
> 50 t/ha > 50 t/ha
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Il biodiesel da algheI biocarburanti
Il biodiesel da algheAlcuni dati generali
Produzione di olio è generalmente pari a 20-50% della biomassa secca delle microalghe (ma si può arrivare a 80%)Crescita e accumulo di oli dipende da rapporto C:NCrescita e accumulo di oli dipende da rapporto C:N nella fase di crescita serve abbondanza di nutrienti (sia carboniosi
che azotati) per accumulare olio si deve innalzare rapporto C:N (scarsità di per accumulare olio si deve innalzare rapporto C:N (scarsità di
azoto)L’effetto della luce è sia importante per la crescita algale che per la produzione di oli la maggior parte delle microalghe raggiungono livelli di saturazione
per intensità luminose intorno ai 200 Em-2s-1 (all’equatore intensità è circa 2000 Em-2s-1); la sovrassaturazione danneggia il meccanismo fotosintetico inibendo la crescitameccanismo fotosintetico inibendo la crescita
Crescita è autotrofa (luce e CO2), ma per molte specie può essere anche eterotrofa (senza luce, ma presenza di nutrienti) crescita eterotrofa è più rapida
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p p
Il biodiesel da algheI biocarburanti
Il biodiesel da algheBacini aperti e fotobioreattori
Bacini ape ti (open ponds)Bacini aperti (open ponds)produttività: 0.12-0.35 kg/m3/d
Fotobioreattoriproduttività: 0.6-1.5
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pkg/m3/d
Il biodiesel da algheI biocarburanti
Il biodiesel da algheBacini aperti e fotobioreattori
RECUPEROfumi
RECUPEROCO2
SEPARATORE
Recupero è complesso e costoso
biomassa
SEPARATOREbiomassaspenta
compostgassificazione
POND/FOTOBIOREATTORE
olioetc.
Concentrazione 1 g/L
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IMPIANTO BIODIESEL
Il processo BTLI biocarburanti
Il processo BTLLa produzione di carburanti sintetici
Franz Fischer e Hans Tropsch
Nel 1925 viene brevettato il processo Fischer-Tropsch perNel 1925 viene brevettato il processo Fischer-Tropsch per produrre combustibili liquidi sintetici a partire a CO e H2 (syngas) attraverso un meccanismo a catena di allungamento di catene carboniose l’idea iniziale è utilizzare il carbone per produrre il syngas (processo
Coal to Liquid – CTL) tuttavia, anche il gas naturale può essere utilizzato (processo Gas to
Liquid GTL)Liquid – GTL)Anche la biomassa può essere gassificata processo Biomass to Liquid (BTL)
I prodotti sono diesel (ottima qualità) benzine (qualità
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I prodotti sono diesel (ottima qualità), benzine (qualità mediocre), nafta.
Il processo BTLI biocarburanti
Il processo BTLGli stadi fondamentali
GASSIFICAZIONEE REAZIONE DI SHIFT
SINTESI DI FISCHER-TROPSCH
HYDROCRACKING DELLE CERE dipende da:
t li t
SEPARAZIONE
• catalizzatore• temperatura• rapporto idrogeno/CO
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SEPARAZIONE DEI PRODOTTI • pressione
Il processo BTLI biocarburanti
Il processo BTLLo schema del processo 15 bar, 240˚C
CO + 2H2 -(CH2) + H2O
WATER-GAS SHIFT FISCHER-TROPSCH
HC gasProdotti circa 0.18 kg di carburanti liquidi per kg di legno secco.Prodotti circa 5 kg CO2 per kg di carburanti liquidi.
VaporeWATER GAS SHIFT FISCHER TROPSCH
HC
SEPAR.
SyngasHC liquidi
30 bar, 500˚C2 H2/CO (con bypass)
a valle viene rimossa la CO2
Biomassa
q
H2
Benzine
O2HYDROCRACKING
SEPAR
Diesel
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GASSIFICAZIONESEPAR.30 bar, 1000˚C
0.8 H2/CO 50 bar, 350˚CCracking delle cere
L’idrogenoI biocarburanti
L idrogenoAlcuni chiarimenti
Io credo che l’acqua sarà un giorno utilizzata come combustibile, che l’idrogeno e l’ossigeno che la compongono … forniranno un’inesauribile fonte di luce e calore…
(Jules Verne, L’isola misteriosa)
L’idrogeno non è una fonte primaria di energia sulla terra non esiste libero e deve essere generato consumando
energiaenergiaL’idrogeno è un vettore energetico rispetto all’energia elettrica ha il vantaggio che può essere
immagazzinatoimmagazzinato rispetto a carburanti tradizionali permette motori ad elevata
efficienza e non inquina al momento dell’usoLa questione fondamentale è: come produrre idrogeno?q p g fonti fossili energia solare (diretta o indiretta) biomassa
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nucleare
IdrogenoI biocarburanti
IdrogenoProcessi di produzione
Le principali tecnologie di produzione dell’idrogeno sono: steam reforming del gas naturale (38% produzione
mondiale) ossidazione parziale di idrocarburi pesanti (25%) ossidazione parziale di idrocarburi pesanti (25%) processi dell’industria petrolifera (18%) gassificazione del carbone (10%) processo dell’industria petrolchimica e chimica (7%) elettrolisi dell’acqua (2%)
I processi quindi:I processi quindi: utilizzano fonti fossili come materia prima e/o richiedono una grande dispendio energetico (elettrolisi)
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IdrogenoI biocarburanti
IdrogenoSteam reforming
Il processo è solitamente effettuato a partire da gas naturale, ma viene talvolta realizzato anche con idrocarburi pesanti (desolfonati).
VaporeWATER-GAS SHIFTREFORMER
Metano
eccesso di vapore, 880˚CCH4 + H2O CO + H2
i t li t (Ni)
2 reattori, 400˚C e 200˚CCO + H2 CO2 + H2
Vapore
RIMOZIONE OSSIDILAVAGGIO CO2
MEA
reazione con catalizzatore (Ni) 2 2 2catalizzatori (Fe-Cr e Zn-Cu)
MEA H2 (98%), CH4
trasformazione in metano
Bezzo 2010
trasformazione in metano degli ossidi di carbonio residui
reazione con catalizzatore (Ni)
IdrogenoI biocarburanti
IdrogenoSteam reforming dell’etanolo
Un processo promettente per la produzione rinnovabile di idrogeno riguarda lo steam reforming g g gdell’etanolo:C2H5OH + 3H2O 6H2 + 2CO2
Reazione è favorita da eccesso di vapore e quindi richiede purificazione meno spinta nella produzione di etanoloetanoloReazione è endotermica ricerche in atto per realizzare processo autotermico
Sono necessari catalizzatori (Ni o Co) Temperatura: 300-500 °C
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I biocarburanti
La bioraffineriaLa bioraffineria rappresenta il concetto più avanzato di sfruttamento di biomasse attraverso l’integrazione di i bi l i i t hi i idi processi biologici e termochimici produzione carburanti produzione energiap odu o g a produzione chemicals possibile integrazione con raffinazione e trasformazione di
combustibili fossilicombustibili fossili
Bezzo 2010
Il futuroI biocarburanti
Il futuroLa bioraffineria
carburanti
raffineriasecondaria
i
carburantiliquidi
processitermochimici gas &
idrogeno
biomassa agricolarifiuti organiciscarti industriali organicibiomassa marina
raffineriaprimaria
estrazione &purificazione
produzioneenergia &
caloremateriali
biomassa marina p
raffineria prodottiraffineriasecondaria
processibiologici
prodottibiochimici
Bezzo 2010
calore &elettricità
Il futuroI biocarburanti
Il futuroLa bioraffineria
BIOMASSAZuccheri semplici
BIOMASSA
Polisaccaridi•Amido
Alcoli•Etanolo•Butanolo
ViaBiochimica
SEPARAZIONEE PRETRATTAMENTO
•Cellulosa•Emicellulosa
Lignina Idrocarburi ciclici
RACCOLTA
g
Lipidi FAME
PROCESSITERMICI
Alcani lineari ViaTermochimica
Oli di Pirolisi Idrocarburi
Bezzo 2010Syngas Alcoli, carburanti FT
La bioraffineriaI biocarburanti
La bioraffineriaUna visione ambiziosa
i l
energia
energia solare
b tcarburant
fotobioreattori
bi
Bezzo 2010
chimicabiomassa
RiassuntoConclusioni
RiassuntoDati di fatto e opportunità
Esiste oggi un mercato di grandi dimensioni per le bioenergie e i biocarburantigEsistono delle tecnologie matura per la produzione di energia elettrica, calore e biocarburantiOpportunità per consentire la riconversione e profittabilità di industrie e produzioni (agricoltura) in crisicrisiOpportunità per recuperare e sviluppare competenze tecnologiche distintive
Bezzo 2010
SfideConclusioni
Sfideper il presente e il futuro
Sia le tecnologie attuali che, soprattutto, quelle future richiedono: know-how tecnologico know how tecnologico integrazione di competenze e ruoli
servono ponti tecnologici tra produzione primaria e industria di trasformazioneli i i i i di i i d i l i i analisi su costi e integrazione di territorio, produzione, logistica
definizione di rete logistica grande scala e cooperazione
È improbabile poter realizzare tecnologie di secondaÈ improbabile poter realizzare tecnologie di seconda generazione senza know-how su prima generazione irrinunciabili impianti “standard” a biomassa e biocarburanti I
generazionegenerazioneOpportunità non soluzione unica né in termini di fonte primaria né di tecnologia
Bezzo 2010
Conclusioni
…e, infine, un po’ di realismoSiamo ottimisti: nel 2030 il 27-48% del fabbisogno di carburanti sarà costituito da
biocombustibilibiocombustibili quota per energia elettrica (comprese altri fonti alternative quali
eolico e solare) potrebbe essere similiE ciò che manca?E ciò che manca?Il 2030 coincide con alcune delle stime oggi più ottimistiche per il picco della produzione petroliferaSembra molto improbabile che si possa raggiungere per alloraSembra molto improbabile che si possa raggiungere per allora una tecnologia adeguata per sfruttamento energia solareQuali le alternative nel medio periodo?
Bezzo 2010
Alcune vie da percorrereConclusioni
Alcune vie da percorrereEnergia
Risparmio energetico uso ed efficienza
in un’automobile circa 1% dell’energia originale (presente nel in un’automobile circa 1% dell’energia originale (presente nel greggio) è stata alla fine trasformata in energia per il trasporto del passeggero
Edilizia di nuova generazioneEdilizia di nuova generazione isolanti, coperture, serramenti diverso approccio a riscaldamento e condizionamento sistemi elettrici e di illuminazione
Produzione energia elettrica sostituzione (parziale) di carburanti ad alto impatto ambientale nuovi cicli di produzionep fonti alternative nucleare (?)
Efficienza nei sistemi produttivi
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p
Alcune vie da percorrereConclusioni
Alcune vie da percorrereBiocarburanti
Migliorare l’efficienza di autoveicoli e macchinari a combustibile liquidoq motori, ma no solo (condizionamento, pneumatici, …)
Incremento del recupero di petrolio dai pozziUtilizzo commerciale di oli pesanti e sabbie bituminoseCoal to LiquidCoal to LiquidGas to Liquid – GTL (con o senza liquefazione del gas naturale)naturale)Sequestro CO2
Bezzo 2010
Alcune vie da percorrereConclusioni
Alcune vie da percorrereQuestioni politiche
Accettazione da parte della pubblica opinione delle nuove tecnologie informazione ed educazione
Problemi di standard comuni, normativa, pianificazioneQuestioni legislative iter autorizzativiiter autorizzativi scelte strategiche e di investimento
Questioni economiche e di finanziamento incentivice t disincentivi (carbon tax) strutture finanziarie per tecnologie ad alto rischio non si può dimenticare banale regola di domanda e offerta: ciò che
ép g
oggi costa poco perché non interessa a nessuno potrebbe domani costare moltissimo perché diventa un bene di interesse
Bezzo 2010
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