Alcuni spunti di riflessione su tecnologie e prodotti ed ... · Università di Pisa Centro Ricerca...

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


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




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


La gassificazione


Generic mass balance of a

small-scale gasification

process.


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.)



filiere produttive in Garfagnana e Lunigiana 13


ENERGIA DA BIOMASSE LEGNOSE

ASPETTI TECNICI, NORMATIVI E AMBIENTALI 14


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


Impianto: possibilità di misure «on line» e

prelievo campioni

16


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


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


Filiere della gassificazione


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


Fuels

Solvent

Bulk chemicals

Plastics

Fibres

Fine chemicals

Oils

Bio-raffineria


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.


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




CHESTNUT

WOOD

PYROLYSIS

GASIFICATION

COMBUSTION

BIOCHAR

POWER

GENERATION


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)


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


CHESTNUT TANNINS extraction

TANNED

LEATHER

Tanning

Chestnut as Source of

Tannin Extracts for

Application in the

Leather industry


CHESTNUT

FLOWERS,

LEAVES,

SKINS,

FRUITS,

SHELLS,

BURS

POLYPHENOLS

extraction FLAVONOIDS

ANTIOXIDANTS


CHESTNUT

SHELLS

COMPOSITE MATERIALS


CHESTNUT

SHELLS pretreatment

ENZYMATIC

SACCHARIFICATION

FERMENTABLE

SUGARS

BIOFUELS

(BIOETHANOL)


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


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.


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


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



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