Gramolazzo 7 maggio 2016

Il ruolo delle biomasse nella produzione di energie rinnovabili e di nuove

filiere produttive in Garfagnana e Lunigiana:

Alcuni spunti di riflessione su tecnologie e prodotti ed il

ruolo della ricerca

Leonardo Tognotti

Università di Pisa

Centro Ricerca Interuniversitario sulle BioEnergie

1 Il ruolo delle biomasse nella produzione di energie rinnovabili e di nuove

filiere produttive in Garfagnana e Lunigiana

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Obiettivi

• Integrazione e coordinamento in una unica struttura di ricerca autonoma di

competenze scientifiche e professionali interdisciplinari (ingegneristiche,

agronomiche, economiche) relative alla produzione di biomassa e alla

conversione in energia .

• Promozione ed esecuzione di ricerche su produzione, conversione ed

utilizzazione di biomasse a destinazione energetica ( e non solo)

• Dipartimento di Ingegneria Civile e Industriale

• Dipartimento di Energia, Sistemi Territorio

Costruzioni

• Dipartimento di Chimica e Chimica Industriale

• Dipartimento di Scienze agrarie, alimentari e agro-

ambientali

• Centro E. Avanzi

Istituto Scienze della Vita

Istituto di management

Strutture afferenti

CRIBE Centro Interuniversitario di Ricerca sulle Biomasse da Energia

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filiere produttive in Garfagnana e Lunigiana

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Centro di Ricerca Interuniversitario

Biomasse da Energia

Biodiesel

Combustione

Gassificazione

Fermentazione

Impianti dimostrativi di bioraffineria

Coltivazioni energetiche

(energy crops)

Cippato/pellet di legno

Residui forestali

Residui agricoli

Residui industriali

(legno, alimentare)

Frazioni organiche

Alghe

Biomasse

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La gassificazione

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Generic mass balance of a

small-scale gasification

process.

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Problematiche per i gassificatori di piccola taglia

Necessaria una buona qualità della biomassa per garantire prestazioni stabili:

• Le biomasse richiedono pretrattamenti (essiccamento, macinazione, etc.)

• Richiedono biomassa secca (< 20% umidità) per una buona efficienza

• I processi di pulizia del syngas non sono semplici nè consolidati (tar, particolato, etc.)

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ENERGIA DA BIOMASSE LEGNOSE

ASPETTI TECNICI, NORMATIVI E AMBIENTALI 14

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Impianto GASTONE S.Piero a Grado - Pisa

GASSIFICATORE A LETTO FISSO DI

TIPO DOWNDRAFT;

- 30-80 kg/h di biomassa;

- 150-350 kWtermici;

- 40-80 kWelettrici;

- gassificazione con aria;

- superficie impianto 60 m2.

PULIZIA/RAFFREDDAMENTO

DEL SYNGAS CON:

- scrubber/assorbimento;

- condensatore;

- filtri a riempimento;

- filtro a manica;

- torre di raffreddamento.

Biomass

Tank

Loading

System

Gasifier

LC max

LC min

Air

To water

collection

Particulate

Cyclone

Vegetable-oil towers

Condenser

Sawdust

Filters

Bag

Filter

Chiller

Flare

Blower

from cooling tower

to water

collection

TC0

FI

TC1

TC2

TC3

P

P

P P

P

Cooler

Venturi

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Impianto: possibilità di misure «on line» e

prelievo campioni

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Impianto GASTONE:

Specifiche e limitazioni sul combustibile

Parametro Unità Limiti Dimensioni

particelle

Limiti

Umidità %wt <20 %wt

Potere calorifico MJ/kg dry >17.5 >100 mm 0

Materia volatile %wt dry >78 63-100 mm <2

Ceneri a 900°C %wt dry <3 3.15-8 mm <10

Azoto %wt dry <1 <3.15 mm <2

area di buon

funzionamento

dell’impianto

materiale fuori

specifica: richiesti

pretrattamenti

poche polveri,

nessun pezzo

grossolano

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Prove di gassificazione su GASTONE

Pellet di

legno

Tutoli di

mais

Sarmento

di vite

Lolla di

riso

Produzione specifica

(Nm3 di syngas prodotto / kg di biomassa

secca)

2.20 2.04 2.31 2.26

Potere calorifico del syngas

(MJ/Nm3) 5.62 5.72 5.80 3.76

Efficienza di gas freddo

(efficienza di gassificazione) (%) 68.6 67.4 69.0 54.4

Efficienza dell’impianto

(rapporto tra potenza elettrica prodotta e

potenza termica associata alla biomassa

alimentata) (%)

22.0 21.6 22.1 17.4

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Filiere della gassificazione

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Environmental problem

Economical issue

by-products that can represent the starting material for other processes raw materials not in competition with food chain

proteins, fibres, polysaccharides, sugars, polyphenols, carotenoids

drugs nutraceuticals cosmetics biopolymers biofuels

Agro-industry residual biomass: a resource that can be valorised

…. but a significant fraction of biomolecules is lost after industrial processing, being discarded into the residual matter…..

November 20th, 2012 Città della Scienza, Naples, Italy

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Fuels

Solvent

Bulk chemicals

Plastics

Fibres

Fine chemicals

Oils

Bio-raffineria

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Elementi costitutivi della castagna

Pericarpo (buccia) : si presenta liscio, consistente,

di colore marrone con tonalità variabile, a volte con

striature esterne e una peluria interna.

Ilo o cicatrice ilare: parte basale del frutto, di

colore chiaro e di dimensione variabile; presenta

una raggiatura stellare con pelosità residua o meno

e granulazioni puntiformi, chiamate granuli migliari.

Torcia: apice della castagna costituito dai residui

del perianzio e degli stili disseccati.

Episperma: pellicola di colore camoscio in cui è

avvolto il seme e che può penetrare o meno nella

massa cotiledonare (polpa).

Seme: può essere formato da uno (come nei

Marroni) o due cotiledoni, ed è ricco di amido, sodo,

biancastro all'interno e giallastro all'esterno.

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Analisi letteratura scientifica

Utilizzo dei sottoprodotti della lavorazione della

castagna

• Più di un centinaio di lavori scientifici su riviste

internazionali, negli ultimi 10 anni

Applicazioni:

– Antibatterici

– Antiossidanti

– Biochar da shell

– Resine

– Sorbenti

– Tannini

– Adesivi per legno

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CHESTNUT

WOOD

PYROLYSIS

GASIFICATION

COMBUSTION

BIOCHAR

POWER

GENERATION

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CHESTNUT

SHELLS BIOSORBENT

Pesticides

Heavy Metals

(Cu2+, Cd2+, Pb2+, Zn2+)

pretreatment

removal from

aqueous solution

Dyes

Reactive Brilliant Red K-2G

Cr(VI)

As(III)

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CHESTNUT

PEELS

TANNINS

extraction

Valorization of solid wastes from chestnut industry

processing:

Extraction and optimization of polyphenols, tannins

and ellagitannins, and its potential for adhesives,

cosmetic and pharmaceutical industry

POLYPHENOLS

WOOD ADHESIVES

LEATHER TANNING

ANTIOXIDANTS

IN FOOD, COSMETIC AND

PHARMACEUTICAL INDUSTRY

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CHESTNUT TANNINS extraction

TANNED

LEATHER

Tanning

Chestnut as Source of

Tannin Extracts for

Application in the

Leather industry

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CHESTNUT

FLOWERS,

LEAVES,

SKINS,

FRUITS,

SHELLS,

BURS

POLYPHENOLS

extraction FLAVONOIDS

ANTIOXIDANTS

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CHESTNUT

SHELLS

COMPOSITE MATERIALS

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CHESTNUT

SHELLS pretreatment

ENZYMATIC

SACCHARIFICATION

FERMENTABLE

SUGARS

BIOFUELS

(BIOETHANOL)

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The biorefinery approach

Adapted from Kamm, B.; Kamm, M. (2004). Principles of Biorefineries. Appl. Microbiol.

Biotechnol. (AMB), 64: 137-145.

BIOMASS

Transformation

technologies

Energy and

chemicals

• Food industry wastes (vegetables

processing residues)

• Agriculture and crop residues

•Bioprocesses (bacteria, enzymes)

•Chemical Processes

•Physical Processes

•Biofuels

•Antioxidants

•Biopolymers

Agro-industry residual biomass: a resource that can be valorised

November 20th, 2012 Città della Scienza, Naples, Italy

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Materie prime materiale biologico grezzo

Processi di trasformazione

Prodotti Sostanze ed energia

•Granaglie •Biomassa ligno-cellulosica (es. Graminacee, canne, arbusti, cespugli, residui di raccolti) •Biomasse forestali (legname, sterpaglie, scarti della lavorazione del legno) •Rifiuti solidi urbani (carta/cartone, fogliame…)

•Bioprocessi (fermentazioni, bioconversioni) •Processi chimici •Processi termo-chimici •Processi termici •Processi fisici

•Carburanti (etanolo, biodiesel) •Prodotti chimici (intermedi, solventi, acidi grassi) •Materiali (polimeri, inchiostri, vernici, lubrificanti)

“bioraffineria”: un sistema simile alla raffineria del petrolio per produrre

prodotti chimici, carburanti ed energia utilizzando biomasse.

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CRIBE – Bioraffineria

Bio-Oil

Plant

Gasification

Plant

Bio-Ethanol

Plant

Facilities:

Il ruolo delle biomasse nella produzione di energie rinnovabili e di nuove filiere

produttive in Garfagnana e Lunigiana

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Considerazioni conclusive

• Non esiste un «modello» predefinito da trasferire su un territorio

– Individuazione di tutte le possibili fonti di biomassa su un territorio

e ottimizzazione delle filiere

– Rirca di tutte le possibili fonti di residui, scarti etc,

– Individuazione, «promozione» delle utenze termiche

• La gassificazione rappresenta la via più promettente anche se presenta ancora

alcune «barriere» tecnico-economiche (non ambientali).

• Approccio integrato valorizzazione energetica - bioraffineria-

• Esistono numerosi esempi in letteratura di valorizzazione dei sottoprodotti della

lavorazione della castagne

• E’ determinante il ruolo della ricerca – interdisciplinare - , incluso il ricorso a

impianti pilota-dimostrativi

• Il sistema integrato: sviluppare per successivi passi temporali e con contributi

(co-finaziamenti) e con parternariato pubblico-privato

Il ruolo delle biomasse nella produzione di energie rinnovabili e di nuove

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