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Energia dalle BiomasseIng. Andrea Nicolini

Sono una risorsa rinnovabile seutilizzate con un tasso di utilizzo nonsuperiore alla capacità dirinnovamento biologico

S'intende per biomassa ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.

Definizione di biomassa

DEFINIZIONE DI BIOMASSA SECONDO IL DECRETO LEGISLATIVO 29 DICEMBRE 2003, N. 387

Biomassa: “la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenientidall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali ed animali), dalla silvicoltura edalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali eurbani”

Con il termine “biomasse” si intendono sostanze di origine biologica in forma non fossile:

– materiali e residui di origine agricola e forestale;– prodotti secondari e scarti dell’industria agroalimentare;– reflui di origine zootecnica;– rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 %

in peso).

– Tra le biomasse vengono inoltre considerate:• alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente coltivate per

essere destinate alla conversione energetica;• altre specie vegetali utilizzate per la depurazione di liquami organici. Sono da escludere:• le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del

carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici.

Definizione di biomassa

Definizione di biomassaLe biomasse sono una fonte rinnovabile perché l’anidride carbonica emessanel processo energetico è la stessa che la pianta ha fissato tramite lafotosintesi clorofilliana

2222 OOHCsolareenergiaOHCO mn

Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa21011 tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energeticoequivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte l’attualefabbisogno energetico mondiale

Definizione di biomassaTramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l’apportoenergetico dell’irraggiamento solare per convertire l’anidride carbonicaatmosferica e l’acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o checompaiono nei loro processi vitali:carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato diprodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione

Solo la parte visibile dello spettro solare (circa il 45% del totale) interviene nella fotosintesi;

un ulteriore 20% dell’energia si perde per fenomeni di riflessione o cattivo assorbimento dovuto alla densità del fogliame.

StagionalitàLa raccolta si concentra normalmente in periodi temporali di poche settimane (lapaglia dei cereali tipo frumento in luglio; gli stocchi di mais in ottobre-novembre; iresidui di potatura nei mesi invernali).La domanda dei prodotti di trasformazione si prolunga lungo l’intero arco dell’anno.

I calcoli economici debbono tener conto degli investimenti aggiuntivi relativi allostoccaggio delle scorte, nonché di quelli della loro eventuale essiccazione

Raccolta e trasportoGli impianti di trasformazione delle materie prime agricole sono soggetti ad effettoscala.Ad ogni impianto deve errere asservita una superficie agricola in grado diapprovvigionare la materia prima sufficiente per il funzionamento.L’economicità di un impianto dipende dalla minore distanza esistente tra l’impiantoed il baricentro massico delle biomasse.

Vincoli all’uso energetico delle Biomasse

Aspetti positivi e negativi dell’impiego delle biomasse

VANTAGGI SVANTAGGI

Abbondante: si trova in quasi ogniparte della terra, dove sianopresenti alghe, alberi, letame;

Fonte di energia rinnovabile: graziealla possibilità del rimboschimento;

Immagazzinabile-Stoccabile Convertibile in combustibili solidi-

liquidi-gassosi con buoni potericalorifici;

Sfruttamento di zone inutilizzatedall’agricoltura e conseguenteoccupazione nelle zone rurali;

Ciclo di emissioni di CO2: le piantela riassorbono durante la lorocrescita (fotosintesi)

Necessarie grandi aree a causa dellabassa densità energetica: superficieminima 12.000 ha, produzione superiore a17-25 t per ha

La produzione può richiedere elevati volumidi fertilizzanti ed irrigazione;

Sistema di risorse (logistica) complessoper assicurare la costante fornitura dellarisorsa;

Problemi di trasporto, stoccaggio emovimentazione a causa della bassadensità(bulk density): la convenienzaeconomica c’è se la distanza traapprovvigionamento ed impianto nonsupera i 160 Km;

Produzione soggetta a variazioni legatealle condizioni ambientali-meteo

Produzione non costante durante l’anno Contenuto di umidità variabile

Biomasse

Residui organici Colture energetiche

forestali Trasformazione tecnologica di prodotti e consumi

agricoli acquaticheterrestri

• vegetali •Alimentari•Non alimentari

•Animali•Vegetali

Classificazione delle biomasse

Origine

Comparto forestale

Comparto industriale Comparto agricolo

Colture energetiche

Comparto zootecnico


1

2

3


Le colture energetiche sono coltivazioni specializzate per la produzione dibiomassa e possono riguardare sia specie legnose sia erbacee.

Coltivazioni energetiche erbacee:• annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf);• perenni (la canna comune ed il miscanto).

Coltivazioni energetiche legnose sono costituite da specie selezionate perl’elevata resa in biomassa e per la capacità di ricrescita dopo il taglio (ShortRotation Forestry):• boschi cedui tradizionali;• siepi alberate.

In base alle caratteristiche qualitative della biomassa, si possono distinguere:− colture oleaginose (ad es. girasole, colza);− alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola da zucchero, cereali);− lignocellulosiche.

1. Colture Energetiche

Colture erbacee (Miscanto, Canna Comune, Cardo)

miscantocanna


Tipologia di biomassa

Produttività(t/ha∙anno)

SostanzaSecca

P.C.I.

(kJ/kg s.s.)

Resa energetica

lorda(kW

h/ha∙anno)

Energia per evaporazione (kW

h/ha∙anno)

Resa energetica

netta (kW

h/ha∙anno)

Arundo donax (CANNA COMUNE) 22 60% 17.581 64.464,4 6.111,1 58.353,3

Miscanthus (MISCANTO) 18 70% 17.581 61.534,2 3.750,0 57.784,2


Tipologia di biomassa

Produttività (t/ha∙anno)

Sostanzasecca

P.C.I.

(kJ/kg s.s.)

Resa energetica

lorda(kW

h/ha∙anno)

Energia per evaporazione (kW

h/ha∙anno)

Resa energetica

netta (kW

h/ha∙anno)

PIOPPO 30 50% 17.581 73.255,0 10.416,7 62.838,3

SALICE 18 50% 17.581 43.953,0 6.250,0 37.703,0

ROBINIA 15 50% 18.000 37.499,6 5.208,3 32.291,3

GINESTRA 6 50% 18.000 14.999,8 2.083,3 12.916,5

Biomasse legnose: Short Rotation Forestry (Robinia, Pioppo, Eucalipto, Salice, Ginestra)

pioppo

eucalipto

robinia

1. Colture Energetiche Colture oleaginose (Girasole, Colza, Soia, jatropha)

Bioetanolo(da barbabietola da zuccheroo sorgo zuccherino)

colza

soia

girasole

jatropha

barbabietola sorgo

Colture alcoligene, amidacee e zuccherine (Mais, Sorgo, Kenaf, Barbabietola)


BIOMASSAContenuto

Olio(%)

Produzione seme(t/ha)

Resa in Olio(q/ha)

Girasole(Heliantus annuus)

30-50 3 10

Colza(Brassica Napus)

33-45 3 11

Jatropha 35-50 6-9 20-30

Principali colture utilizzabili per la produzione di energia

COLTURE AREA PROBLEMATICHE

Sorgo granella Collina

Grano Pianura/collina asciutta

Sorgo zuccherino Pianura irrigua Breve periodo di raccolta

Bietola Pianura irrigua Breve periodo di raccoltaCosti

Topinambur Collina asciutta Rotazione difficile

Colture per etanolo

Colture per oli esterificati


COLTURE AREA PROBLEMATICHE

Girasole Pianura/collina Scelte varietali

Colza Varie AdattamentoScelte varietali

Brassica Carinata Varie Scarsa sperimentazione

Cartamo Asciutto Tecniche agronomiche non consolidate

Ricino Varie Tecniche agronomiche non consolidate

Cynara Card. Asciutto Rese variabili

Crambe ab. Tecniche agronomiche non consolidate

Colture ligno-cellulosiche per processi termochimici


COLTURE PROBLEMATICHE

ANNUALI Sorgo da fibra Sfruttamento terreno

POLIENNALI Arundo donax Sperimentazioni limitate

Miscanthus Sperimentazioni limitate

Ginestra Raccolta

Cynara Card. Rese variabili

S.R.F. Tecniche da mettere a punto, Costo trapianto

2. Biomasse residuali

Sono sottoprodotti di processi di natura agroforestale o industriale(si escludono i comparti agro-alimentare e zootecnico, trattati a parte)

consentono il recupero di energia altrimenti dispersa (risparmio energeticoe rispetto dell’ambiente, per la minore produzione di rifiuti);

il recupero richiede una spesa energetica, economica ed ambientale chedeve essere valutata, per definire la convenienza del processo;

il processo deve essere attentamente progettato a causa della non ottimalecomposizione della biomassa residuale, che potrebbe inficiarne leprestazioni e produrre emissioni globali potenzialmente più pericolose delconferimento diretto in discarica.


Possono essere così classificate:

A. Residui Agricoli: Scarti di potatura Paglie Stocchi di mais, girasole, tabacco, ecc.B. Residui forestali: Cimali e ramaglie Sfridi legnosi e segatura

C. Residui del verde urbano Potature Abbattimenti di alberature stradali

D. Residui industriali Pallet ed imballaggi Residui cantieri edili Carta e cartone Oli esausti di frittura

olii esausti segatura

paglia

potatura

BIOTRITURAZIONE: rischio di intasamento degli alvei fluviali


3. Residui Agroalimentari e Zootecnici

Sono sottoprodotti dei processi delle industrieagroalimentari e zootecniche

sono trattati in maniera separata, per la notevole importanza che tali

industrie rivestono nell’economia nazionale;

risulta molto interessante valutare le opportunità di re-impiego in

chiave energetica dei residui all’interno del ciclo stesso (industrie

fortemente energivore, sia in termini di calore che di energia

elettrica: le opportunità di cogenerazione offerte dalle proprie fonti

residuali possono consentire una drastica diminuzione dei costi).

3. Residui Agroalimentari e Zootecnici

A) Residui agroalimentari Sanse esauste Vinacce Gusci di noci, nocciole, mandorle, pinoli, ecc. Noccioli di pesche e susine Bucce di pomodori, agrumi, ecc. Trebbie (birrerie) Lolla di riso Siero di latte

B) Residui zootecnici Sego e grassi residuali Deiezioni suine e bovine Pollina

Conversione energetica delle biomasse

I dispositivi per la combustione hanno le stesse caratteristichecostruttive di quelli impiegati per la gassificazione a letto fisso o aletto fluido e si differenziano soltanto per pochi particolari costruttivie di processo.

Gli impianti che sfruttano la combustione di biomassa a scopi energetici possono essere suddivisi in due categorie:

Impianti per la produzione di energia termica eventualmente incogenerazione, a partire da combustibile solido (generalmente <5-6 MWt);

Impianti per la produzione di energia elettrica eventualmente incogenerazione, a partire da combustibile solido o liquido (generalmente <2-15MWe).

Presentano, da un punto di vista tecnico ed economico, le migliori prestazioni generali, anche in termini di potenziale risparmio energetico

Conversione termochimicaCombustione

Principali problematiche all’utilizzo degli impianti di combustione di biomasse:

L’approvvigionamento della biomassa a costi contenuti: questoè un fattore chiave anche in presenza di una buonavalorizzazione dell’energia elettrica prodotta e spinge aconsiderare quelle situazioni dove la concentrazione dellabiomassa è già elevata per motivazioni diverse da quelleenergetiche (es. industria con grandi quantità di residuidisponibili);

La possibilità di un impiego produttivo del calore disponibileai prezzi di mercato del riscaldamento civile: questo fattore èstrategico per conseguire buone prestazioni economiche anchein presenza di investimenti elevati.


Biomassa ligno-cellulosa

Piccole potenze5 – 1000 kW

Medie potenze1 – 5 MW

Elevate potenze5 – 50 MW

Caldaie associate a motori Stirling

Caldaie associate a cicli ORC

Gassificatori associati a motori endotermici

Caldaie o gassificatoriassociati a cicli ORC o

a vapore

Gassificarori associatia cicli Brayton

Caldaie o gassificatoriassociati a cicli vapore

Gassificatori associatia cicli Brayton o combinati

Produzione di energia elettrica

1-Rotoimballatura 2-Trasporto e stoccaggio

3-Cippatura e stoccaggio 4-Conversione energetica

FILIERA ENERGETICA DI RECUPERO DEGLI SCARTI DI POTATURA


TELERISCALDAMENTO = Affinché si possa ipotizzare di costruire un impianto di teleriscaldamento a biomassa, occorre che siano soddisfatti i

punti seguenti. Aggregato di case e/o attività che richiedano energia termica; Disponibilità di una o preferibilmente più fonti di approvvigionamento o creazione di una

filiera di biomassa, come conseguenza della domanda da parte dell'impianto diteleriscaldamento;

La distanza dalla fonte di approvvigionamento non deve essere eccessiva; Presenza di un'area adeguata dove poter costruire l'impianto ed i magazzini di stoccaggio.

Punti critici del teleriscaldamento a biomasse

Accettabilità sociale; Vicinanza alle vie di trasporto e cura per non appesantire l'abitato con un eccessivo

traffico di mezzi pesanti; Stoccaggio: i volumi necessari non permettono uno stoccaggio stagionale - notevoli superfici

per creare magazzini che consentano una certa autonomia; Condizioni di lavoro (sicurezza) degli addetti alla raccolta-selezione-trasporto; Sostenibilità economica; Rapporto tra prime e seconde case per il corretto dimensionamento dell'impianto -

spesso la località servita è turistica.


Viene sostituita una porzione (circa il 15 – 20%) del carbone con biomassa, possono essere miscelate assieme e fatte bruciare nella stessa caldaia o utilizzando alimentazioni separate, permette la riduzione della CO2 ed SO2 (anidride solforica).

Consiste nell’utilizzare la biomassa come combustibile complementare al carbone o al gas naturale.

COFIRING


È un processo di decomposizione termochimica ottenuto mediante l’applicazione di calore a temperature comprese fra i 400 – 800°C, in

completa o parziale assenza di ossigeno.

Utilizzando ad esempio la legna è possibile ottenere un combustibile dal potere calorifico di 4 – 7 MJ/Nm3.

I prodotti ottenibili sono solidi, liquidi e gassosi con proporzioni differenti in funzione del tipo di processo utilizzato ( pirolisi lenta, veloce o convenzionale)

Conversione termochimicaPirolisi

La pirolisi del Legno viene fatta in tre stadi:

1. disidratazione: legna + calore legna secca + vapor acqueo

2. pirolisi: legna secca + calore carbone vegetale + pece + gas (CO, CO2, H2O, CH4)

3. combustione: carbone + ossigeno + H2O CO + H2 + CO2 + calore

La prima fase permette di aumentare il rendimento del processo, il tassodi umidità non deve superare il 20%.

L’essiccazione può essere condotta per via naturale, lasciando labiomassa per un periodo opportuno a temperatura ambiente, oppuremediante l'impiego di forni, con apporto di calore ad una temperaturaintorno ai 100°C, per evitare possibili accensioni del vegetale.


La seconda reazione si compone di varie fasi dalle quali si ottengono prodotti diversi, a seconda delle temperature raggiunte.

Produzione di gas a temperatura di 600°C e sino a 900-1000°C composto da H2, CO, CO2 (quest’ultime in percentuali sempre più basse), con potere calorifico di circa 3000 kcal/Nm3

Carbonizzazione per valori sino a 400-500°C, che origina carbone di legna corrisponde al 30-35% del materiale secco di partenza (il carbone di legna ha un contenuto di carbonio compreso nel campo 75÷85%, ed un potere calorifico di circa 6000/7000 kcal/kg)


È un processo endotermico a due stadi per mezzo dei quali ilcombustibile (biomassa o carbone) è convertito in gas a basso o mediopotere calorifico 4000 – 14000 KJ/Nm3.

Primo stadio: la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati atemperatura inferiori a i 600°C da un insieme di reazioni complesse.Questi componenti sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO2,nerofumo e vapor acqueo.

Secondo stadio: le sostanze non vaporizzabili come le ceneri vengonovaporizzate in una reazione con ossigeno, vapore ed idrogeno. La parteincombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire ilcalore necessario per le reazioni endotermiche di gassificazione.

Conversione termochimicaGassificazione

• Impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile;• utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati.• L’uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del ‘900

(Henry Ford); nel 1938 gli impiani del Kansas producevano già 54.000 t/anno dibioetanolo. l’interesse americano per i biocombustibili decadde dopo la SecondaGuerra Mondiale in conseguenza dell’enorme disponibilità di olio e gas;

• negli anni ’70, a seguito della prima crisi petrolifera, apparvero in commerciobenzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidiofiscale concesso per l’utilizzo dell’etanolo).

• Clean Air ACT (1990): restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell’arianelle aree metropolitane più inquinate. Ma all’etanolo fu preferita l’adozionedell’MTBE (metil-ter-butil-etanolo) come sostitutivo del piombo tetrametiletile(per migliorare le proprietà antidetonanti delle benzine). Solo dopo il progressivoinquinamento delle falde acquifere il governo americano sta cercando di metterefuori legge gli MTBE promuovendo una politica di incentivo per i biocombustibili.

Biocombustibili = Prodotti derivati dalla biomassa, miscelati con carburantiottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri, usati per autotrazione eriscaldamento.

Conversione biologica

• In Italia (Decreto 10/10/2014), in linea con le direttive europee (quali2009/30/CE), è stato introdotto l’obbligo per i fornitori di benzina e gasolio diimmettere in consumo una quota minima di biocarburanti, al fine disvilupparne la filiera, aumentarne l’utilizzo e limitare l’immissione di CO2 inatmosfera. Il quantitativo minimo annuo di biocarburanti che devonoimmettere in consumo è calcolato sulla base dei carburanti fossili immessi inconsumo nello stesso anno solare (5% delle immissioni in consumo dibenzina e diesel nel 2015, al 5,5% nel 2016, al 6,5% nel 2017, al 7,5% nel2018).

Biocombustibili = Prodotti derivati dalla biomassa, miscelati con carburanti ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri, usati per autotrazione e riscaldamento.


• E’ un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante fermentazione di diversiprodotti ricchi di carboidrati e zuccheri;

• Il bio-etanolo è tra i combustibili quello che mostra il miglior compromesso traprezzo, disponibilità e prestazioni;

• L’etanolo può essere prodotto seguendo due vie: quella chimica e quellabiologica;

• Il bioetanolo ha origine dalla seconda via;

MAIS

BIOMASSE

Glucosio

Zuccheri Batteri

Lieviti


• Il processo si basa sulla trasformazionebiochimica dei carboidrati (zuccheri) inalcool, operata da microrganismi(lieviti);

• La produzione di etanolo adatto all’usocombustibile (puro almeno al 95%),richiede un ulteriore processo didistillazione;

• Nel processo di fermentazionevengono utilizzati dei catalizzatorinaturali come i lieviti ed i batteri.

Fermentazione

• gli alcoli presentano una minore temperatura e luminosità di fiamma cosicché minor calore è perso per conduzione e per irraggiamento dalla camera di combustione al sistema di raffreddamento del motore;

• gli alcoli, bruciando più rapidamente, permettono una coppia più elevata al motore.

Nonostante la differenza di potere calorifico tra l’alcool etilico e la benzina, le potenze esprimibili nei motori sono all’incirca equivalenti, per le diverse caratteristiche di combustione degli alcoli

rispetto alla benzina:

Caratteristiche Unità di misura Etanolo Benzina

Formula CH3-CH2-CH Miscelaidrocarburi - additivi

Densità g/cm3 0,789 (a 20°C) 0,740 (a 15°C)

Potere Calorifico Inferiore Kcal/kg 6.400 10.000

Temperatura di ebollizione °C 78,3 30 ÷ 200

Temperatura di congelamento °C -11,4 Sotto i -50

Calore di evaporazione Kcal/kg 200,6 85

Punto di infiammabilità °C 21 Da -40 a 40

Numero di ottano 106 98 – 102 (super)

Conversione biologicaBioetanolo

Fermentazione

Consumi

• Il potere calorifico dell’etanolo è inferiore a quello della benzina, la miscelazione di questidetermina a parità di altre condizioni un peggioramento del consumo calcolato (Km/Litro).

• L’addizione dell’ossigeno, assente del tutto nella benzina, reca un miglioramento allacombustione in termini di consumo termico (Km/caloria): smagrimento della miscelaaria/benzina e miglioramento della combustione.

Emissioni

• Il bioetanolo, essendo un prodotto derivato da biomassa, non comporta alcuna emissione di anidride carbonica netta in ambiente: le biomasse, catturano, durante il processo di fotosintesi”, il carbonio in atmosfera (sotto forma di CO2); la CO2 verrà assorbita dalle nuove biomasse coltivate per produrre altro biocombustibile

• Eliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene; Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti;

• Aumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide.

Conversione biologicaFermentazione

Bioetanolo

Principale materia prima per la produzione di bioetanolo:o Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate

all’anno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati);o Barbabietola da zucchero - 0,26 miliardi di tonnellate all’anno.

Quando sarà disponibile la produzione commerciale di bioetanolo da biomassalignocellulosica (cioè da processi enzimatici), la potenziale produzione di questo prodottoaumenterà notevolmente: la produzione mondiale di biomassa lignocellulosica è dieci voltesuperiore a quella di altri tipi di biomassa.o Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m3;o Il potenziale produttivo mondiale di bioetanolo, è stimato intorno ai due miliardi di

tonnellate all’anno (0,5 miliardi di tonnellate all’anno dallo zucchero e 1,5 miliardi ditonnellate all’anno da biomassa lignocellulosica);

o L’uso del bioetanolo nel settore dei trasporti (20% del consumo attuale) raggiungerà550 milioni di tonnellate all’anno.

Altri possibili impieghi che comporteranno una maggiore penetrazione di bioetanolo:o miscele gasolio-etanolo puro;o gasolio riformulato con ETBE (derivato del bioetanolo);o uso di bioetanolo per macchine agricole.

Conversione biologicaFermentazione

Bioetanolo

La digestione anaerobica è un insieme di processi biologici mediante i

quali le sostanze organiche possono essere "digerite" in un ambiente

privo di ossigeno, arrivando alla produzione di:

Gas combustibile “biogas” costituito per il 50 – 70% da metano e per la restante parte da CO2 il potere calorifico medio è dell’ordine di 23.000 KJ/m3.

Fanghi humificati e mineralizzati, il materiale organico, originariamenteputrescibile, e stato trasformato in un prodotto metastabile ed innocuo,soggetto a decomposizione molto lenta contenente elementi nutritivi principali

quali: azoto, fosforo e potassio → Utilizzati come fertilizzanti

Conversione biologicaDigestione anaerobica

In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono suddivisi in:

• Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C

• Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C

• Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C.

Tali batteri sono sempre presenti nella massa organica originale, sisviluppano in ambiente chiuso, e trasformano i composti organici in CH4e CO2, utilizzando gli enzimi come catalizzatori biologici.

Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati condeiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, e la frazione organica deiresidui solidi urbani.


Azienda agricola dispone di 200 CAPI BOVINI di peso vivo pari a 1800 q

TECNOLOGIA DI IMPIANTO DI DIGESTIONE ANAEROBICA:

• Impianto di co-digestione

• Digestore di tipo Plug-flow

• Condizioni di termofilia (45 °C)

• Tempo di ritenzione di 15 giorni

• Schema semplificato

• Configurazione costruttiva compatta mobile e modulare

6 tonnellate giorno di deiezioniAzienda agricola dispone di STOCCHI DI MAIS: 100 kg/giorno

Biogas da reflui zootecnici



Digestori a flusso continuoDigestione anaerobica

Sezione gestione liquami canale di raccolta delle deiezioni,

situato a bordo delle corsie dialimentazione dei bovini,alimentato per via meccanicamediante delle ruspette atte alraschiamento della corsia

prevasca di raccolta liquami, inarrivo per gravità dal canale diraccolta, dimensionata per lostoccaggio quotidiano delledeiezioni, di volume pari a circa 50m3;

stazione di pompaggio costituita daun’elettropompa con motoreelettrico esterno al pelo libero delliquame;

Figura 1 - Ruspetta per rimozione deiezioni

Figura 2 - Stazione di pompaggio liquame



Sezione gestione liquami: stazione di separazione solido-liquido,

necessaria per l’eliminazione, neitempi tecnici di digestione previsti,delle particelle solide grossolane nonbiodegradabili, quali ad esempio iresidui vegetali ed il pelo, che tendonoa formare una crosta sulla superficiedel liquame; in tal modo si ottengonodue fasi, una sostanzialmente solida,palabile ed ammucchiabile in platea,ed una completamente liquida vasca di accumulo del liquido

proveniente dal separatore, di volumepari a circa 50 m3 platea raccolta dei solidi, provenienti

per caduta, dalla stazione diseparazione

Figura 3 - Stazione di separazione solido-liquido.

Digestione anaerobica

Sez. B‐B

Sez. A‐A

DIGESTORI A BIOCELLE:

Substrato Volume(m3)

Peso(t)

biogas (m3)

Liquame bovino 1 1 15,0

Letame bovino 1 0,3 10,1

Liquame suino 1 1 15,6

Letame suino 1 0,3 23,5

Liquame avicolo 1 1 44,5

Letame avicolo 1 0,3 29,3

Letame ovino 1 0,3 21,1

Letame equino 1 0,3 18,9

Insilato di mais 1 0,625 67,6

Insilato d’erba 1 0,5 89

Fieno 1 0,35 137,8

Trifoglio 1 0,3 64

Paglia 1 0,04 12

Stocchi di mais 1 0,4 123,8

Scarti distillaz. mele 1 0,3 2,6

Melasse 1 0,3 68,4

Siero 1 1 15,3

Scarti vegetali 1 0,4 14,5

Rendimento in biogas



Potere calorifico è minore di quello del metano e varia tra 18.81 MJ/m3 (4.500kcal/m3) a 27.17 MJ/m3 (6.500 kcal/m3 ).

Gas privo di odore e colore, difficile da rilevare

Molto esplosivo se una percentuale di metano compresa tra il 6-15% riesce avenire in contatto con aria atmosferica

Il metano rappresenta una fonte di energia, mentre gli altri componenti del biogastendono ad inibirne la produzione e possono essere pericolosi per l’uomo el’ambiente

Composizione del biogasComponente Vol. (%)

Metano (CH4) 50-70%Anidride carbonica (CO2) 30-50%Azoto (N2) <1%Idrogeno (H2) <1%Ammoniaca (NH3) <1%Solfuro di idrogeno (H2S) <1%

Digestione anaerobica

Consiste nella metabolizzazione delle sostanza ad opera dibatteri, che convertono sostanze complesse in altre più semplici,liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento delsubstrato.

Il calore prodotto può essere trasferito all’esterno per mezzo diuno scambiatore a fluido. Tale processo viene utilizzato adesempio per il trattamento delle acque di scarico.

Conversione biologicaDigestione aerobica

Impianto sperimentale ad OLIO VEGETALE

IMPIANTO DI SPREMITURA FILTRO OLIO

Conversione meccanicaSpremitura

Cogeneratore ad OLIO VEGETALE

Pe = 100 kWePt = 150 kWeT = 8.000 h/anno


Esempio di impianto di produzione di olio vegetale da semi digirasole abbinato ad un motore a combustione interna, alimentatodallo stesso olio prodotto, con sezione di cogenerazione per laproduzione di energia elettrica ed energia termica


VANTAGGI AMBIENTALI


Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati, dalla spremitura di semi oleaginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione.

Il glicerolo o più comunemente glicerina che si ottiene come prodotto secondario può essere usata per la produzione di

creme ad uso cosmetico. I prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del biodiesel

devono subire vari processi prima di essere convertiti:

EstrazioneMeccanica (normalmente a pressione);Chimica (solvente, normalmente esano in rapporto 1:18);Combinata (Girasole-colza: circa 1 ha produce 1 t di olio);

Raffinazione:Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione);Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione, demargarinazione).

Filiera di produzione del biodiesel

Biodiesel

Il bilancio di massa semplificato dell’intero processo è il seguente:

1000 kg di olio raffinato + 100 kg di metanolo

=

1000 kg di biodiesel + 100 kg di glicerolo

Biodiesel


o Il biodiesel è stato testato in varie percentuali di miscelazione con gasolio, a partiredal 5% passando per il 20 ed il 30% fino ad arrivare al biodiesel puro;

o Le miscele con gasolio, sino al 30% in volume, possono essere utilizzate senzasignificative modifiche al motore (verificare la compatibilità dei materiali costitutividell’impianto di iniezione, con particolare riferimento alle gomme butiliche);

o L’olio lubrificante è diluito dal biodiesel, per cui si deve avere l’accortezza disostituire l’olio con maggiore frequenza (in particolare con sistemi di iniezione conpompe in linea);

o Problemi nel funzionamento del motore alle basse temperature (punto diotturamento a freddo del biodiesel è di –9°C, contro i – 22°C del gasolio);

o Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante;o Il potere calorifico inferiore del biodiesel è inferiore di circa il 13% rispetto a quello

del gasolio (32,8 MJ/dm3 contro 35,6 MJ/dm3), ma ciò è parzialmente compensatodalla maggiore densità (0,88-0,89 kg/m3 contro 0,83-0,85 kg/m3 a 15°C).

o Il potere calorifico inferiore del biodiesel comporta un lieve aumento dei consumi,(circa il 2-3%), difficilmente percepibile a causa dell'elevata oscillazione dei consumiriscontrabili in campo, relativi al tipo di guida e percorso.


Biodiesel

Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile.

Emissioni (biodiesel quale combustibile puro):o SO2 : è presente il contributo di SO2 da parte dell’ olio lubrificante che viene bruciato;o CO: apprezzabile riduzione delle emissioni di CO (5-8%);o HC: le emissioni sono equivalenti, è drasticamente minore (da uno a due ordini di

grandezza) il contenuto dei composti policiclici aromatici PAH, corresponsabili dimolte forme di cancro;

o NOx : incremento delle emissioni di NOx (15% circa);o Opacità (FSN): drasticamente inferiore a quella prodotta dal gasolio (30% al 70%);o Particolato: emissioni in massa di particolato risultano molto prossime (talvolta

appena superiori) a quelle generate dalla combustione di gasolio; la granulometriamedia del particolato prodotto dal biodiesel è superiore di un ordine di grandezza(circa 0,1 mm per il fossile, 1,5 mm per il biodiesel). minore la pericolosità delparticolato generato dal biodiesel;

o CO2: non comporta alcuna emissione netta in atmosfera;o Biodegradabilità : elevata (99,6% in 21 gg.), in caso di dispersione accidentale, il

biodiesel non inquina né il suolo né le acque.

Biodiesel


Biocarburanti di seconda generazione

Prima generazione da materie prime alimentari(es.biodiesel da semi oleaginosi, bioetanolo damais o da canna da zucchero)

Seconda generazione da materie organichenon alimentari (non hanno impatto sulla filieraagroalimentare)

Biocarburanti di seconda generazione

Biomassa lignocellulosica

È abbondante

Non è competitiva con le colture alimentari

Contiene emicellulosa e cellulosa (polimeri di zuccheri) da cui produrre biogas o bioetanolo.

Biodiesel di II generazione

Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o animali (anche concaratteristiche chimico-fisiche che danno scarsa resa nella conversionein biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni impianti industriali digrandi dimensioni (es. ENI)

Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e successivo reformingdell’olio ottenuto (bio-olio). È ancora in fase sperimentale

Gassificazione della biomassa e reazione Fischer-Tropsch

Biodiesel di II generazioneBiodiesel da microalgheLe alghe sono formate da lipidi, proteine e carboidrati (come le piante)

Coltura Resa stimata (litri/ha*anno)

Soia 400Girasole 800Jatropha 2.000Olio di palma 6.000Microalghe 60.000

Scelta della specie idonea, crescita eraccolta

Estrazione frazionata: viene prima lacomponente lipidica con solventi (es.esano, cloroformio, metanolo) poi siconvertono carboidrati e proteine

trasformazione con pirolisi,gassificazione

Lignina

Cardo in terreni marginali

Bioetanolo di II Generazione

Bioetanolo di II generazione

Processo biologico: idrolisi enzimatica di materiali lignocellulosici esuccessiva (o contemporanea) fermentazione degli zuccheriprovenienti da cellulosa ed emicellulose. Questa tecnologia èattualmente al centro di un rinnovato interesse da parte della comunitàscientifica internazionale .

Processo termochimico: gassificazione della biomassa per produrre syngas (H2 e CO) e successiva fermentazione del syngas.

Resa per 1 ettaro (ha) di terreno coltivato a mais e frumento

Bioetanolo

Prima Generazione 3 t/haSeconda generazione 10 t/ha

BTL Fuels

Dimetil-etere (DME)Bio-metanolo Miscele di alcoli ed altri composti organici ossigenati

Sono ottenuti via gassificazione e sintesi cataliticagenericamente indicati come BTL (Biomass to liquids)Fuels.Sono processi attualmente oggetto di sperimentazione a livello di laboratorio o impianti di piccola scala.

Filiere di produzione dei biocarburanti

Produzione mondiale Energia elettrica da Biomasse

Fonte: World Bioenergy Association 2014

Produzione mondiale Biocombustibili



Uso mondiale biomassa per calore

Fonte: GSE, 2013

Situazione italiana 2013

Fonte: GSE, 2013

Produzione da bioenergie per Regione nel 2013 (GWh)

Fonte: GSE, 2013

Produzione da biomasse solide

Fonte: GSE, 2013

Produzione da biogas

Fonte: GSE, 2013

Produzione da bioliquidi

Fonte: GSE, 2013

Produzione da RU biodegradabili

In Italia esiste un potenziale (prevalentemente da residui agro-industriali eurbani) tali da consentire l’installazione di circa 3000 MW di potenza elettrica

Assenza di adeguate iniziative imprenditoriali, malgrado gli interessantiincentivi degli ultimi anni.

Occorrono nuove figure professionali, imprenditori ed operatori, come, adesempio, quella dell’ “agricoltore-esercente di impianto termico” (consorzi dioperatori agricoli) con la partecipazione di operatori qualificati con esperienzaspecifica nel settore della produzione dell’energia.

Biomasse più interessanti:o residui agro-industriali;o rifiuti solidi urbani;o coltivazioni energetiche di accertata economicità.

Prospettive per l’energia dalle Biomasse in Italia

Benefici attribuibili all’impiego diffuso delle biomasse

energia dalle biomasse ing. andrea nicolini - ciriaf · 2015-12-22 · energia per evaporazione...

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