Bezzo - energia biomassa

Energia da biomasse:Aspetti fondamentali e prospettiveAspetti fondamentali e prospettive

Fabrizio Bezzo

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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

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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?

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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!

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affrontare questioni ambientali!

EnergiaIntroduzione

EnergiaRiserve e consumo

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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%

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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%

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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…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%

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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

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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)

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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


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 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 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 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 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 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 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

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La Produzione di Carburantida Biomassa

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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

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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

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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

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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)

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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 generazioneSchema di processo (dry milling)

Bezzo 2010


Il bioetanolo di I generazioneMacina

Dimensioni granuli 2 4 mm

Bezzo 2010

Dimensioni granuli 2-4 mm


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 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 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 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 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 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


gSchema di processo

Bezzo 2010


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


gUn impianto reale

Bezzo 2010


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 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 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 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 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 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 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 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 biodieselBilancio di materia

metanolometanolo

12%1%

metanolobaseolio

metanolobaseolio

87% INPUT

1% 4% 9%

metanologlicerolobiodiesel

metanologlicerolobiodiesel

9%

86%OUTPUT

altroaltro

Bezzo 2010


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

Bezzo 2010


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 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

Bezzo 2010

grasso. Di solito si usa una base (NaOH o KOH o metilato sodico), ma va bene anche un acido (H2SO4).


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 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 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 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 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 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

Bezzo 2010

decantazione

glicerina

biodiesel 880 kg/m3

glicerina 1050 kg/m3


Il biodieselPurificazione biodiesel (I)

NEUTRALIZZAZIONE

DECANTAZIONEacido fosforico

NEUTRALIZZAZIONE

DECANTAZIONE

biodieselmetanolo

biodieselmetanolo

biodieselmetanolo

glicerina glicerina glicerina glicerina glicerina

metanoloDECANTAZIONE

biodieselmetanologlicerina

biodieselmetanologlicerina glicerina

biodieselmetanolo

Bezzo 2010

glicerina

FLASH (sottovuoto)

glicerina glicerina


Il biodieselPurificazione biodiesel (II)

metanolo

FLASH LAVAGGIO

acqua ESSICCAMENTO

biodieselCENTRIFUGA

vapori

biodieselmetanolo biodiesel

biodiesel biodieselbiodieselacqua

biodieselacquaresidui

bi di lbiodiesel

Bezzo 2010


Il biodieselPurificazione glicerina

NEUTRALIZZAZIONEmetanolo

DECANTAZIONE acidi grassiacido cloridrico

NEUTRALIZZAZIONE

glicerinametanolo

glicerinametanolo

acqua dalavaggio biod.

FLASH (sottovuoto)

glicerinametanolo

acqua glicerinametanoloacqua

acqua(sottovuoto) acquametanolo

metanolo

glicerinametanolo

Bezzo 2010

acqua

FLASHglicerina

acqua

RETTIFICA


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 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 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

Bezzo 2010

I prodotti sono diesel (ottima qualità), benzine (qualità mediocre), nafta.


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 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

Bezzo 2010

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)

Bezzo 2010


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)


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

Bezzo 2010

p


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

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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

Bezzo 2010

Bezzo - energia biomassa

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