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David ChiaramontiBIOSEA – Bologna, 2015

Agrobioenergie:

processi e tecnologie

David Chiaramonti

RE-CORD / CREAR, Università di Firenze


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)


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


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”


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


Jet fuel

Solo il settore dei

carburanti per aviazione è

cresciuto tra 1990 e 2008

(EUROSTAT, 2013)


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


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


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


Processi termochimici:PIROLISI

Source: A.V. Bridgwater / Biomass and Bioenergy 38 (2011) 68–94


Pirolisi per prodotti chimici


Pirolisi intermedia semi-continua catalitica

presso RE-CORD


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.


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.


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


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


SNG from Biomass

Power-to-Gas

Source: Prof.J.Karl, 2014


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)


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



(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



(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$


Diesel rinnovabile da Crude Tall Oil (CTO)


Source: Elaborated from D.Bakovski, 2014

HVO/HEFA

Capacità produttiva cumulata

“advanced“ (?) biofuels


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


Uso di VO-UCO per Biokerosene

Thermochemical conversion to HC

Caratteristiche estremamente variabili

Secondo la stagione

Su base regionale

EU: solo piccoli batches (camion)


Pyrolysis and gasification of lignin

(from PROESATMLignocell EtOH)


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


BIOREFLY


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.


…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.


Grazie dell’attenzione

David Chiaramonti

RE-CORD - CREARUniversity of Florence

[email protected] [email protected]

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