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BIOMASSE VEGETALI:BIOMASSE VEGETALI:

Dott. Marcello Ermido ChiodiniTel. Uff 02 503 16 612

Mail: [email protected]

UNA FONTE UNA FONTE D’ENERGIAD’ENERGIA

RINNOVABILE RINNOVABILE

Introduzione

� Protocollo di Kyoto• Trattato internazionale in materia ambientale riguardante il riscaldamento globale sottoscritto a Kyoto (Giappone) l'11 dicembre 1997 da più di 160 paesi.

• Esso fissa le linee guida generali per la riduzione delle emissioni inquinanti responsabili del riscaldamento globale

Dipartimento di Produzione Vegetale

responsabili del riscaldamento globale

• Necessità per l’entrata in vigore del protocollo: ratifica da almeno 55 tra le nazioni firmatarie le quali dovevano essere responsabili di almeno il 55% delle emissioni inquinanti: condizione raggiunta nel novembre del 2004 con la ratifica del trattato da parte della Russia.

Il trattato è entrato in vigore il 16 febbraio 2005

Introduzione

• Il trattato prevede l'obbligo per i paesi industrializzati di adottare una politica di riduzione delle emissioni inquinanti responsabili dell'effetto serra:

• CO2,• N2O,• CH4,

• HFCs (idrofluorocarburi),• PFCs (perfluorocarburi),• SF6 (esafluoro di zolfo),


per il periodo 2008 - 2012, in una misura non inferiore al 5,2% rispetto alle emissioni registrate nel 1990.

Introduzione

…. Il protocollo di Kyoto può essere riassunto in questi 3 punti:

• i Paesi più industrializzati hanno l'obbligo di ridurre le emissioni di gas serra di almeno il 5,2% rispetto ai livelli del 1990, nel periodo che va dal 2008 al 2012.

• Gli stessi Paesi devono realizzare progetti di protezione di boschi, foreste e terreni agricoli che assorbono anidride carbonica, (aree definite "carbon


e terreni agricoli che assorbono anidride carbonica, (aree definite "carbonsinks", cioè assorbitrici di CO2). Questi Paesi possono guadagnare "carboncredit" esportando tecnologie pulite ai Paesi in via di sviluppo allo scopo di aiutarli ad abbattere le emissioni inquinanti nei processi produttivi.

• Sono previste sanzioni per i Paesi firmatari che mancheranno di raggiungere gli obiettivi fissati dal protocollo. Per i Paesi in via di sviluppo sono previste regole più flessibili.

Introduzione

…. quindi

• Evidente necessità di ricercare e impiegare fonti energetiche rinnovabili

• Riduzione della dipendenza dai combustibili fossili e le emissioni di gas serra in atmosfera

• Possibilità concreta ed attuale rappresentata dalle BIOMASSE


• Possibilità concreta ed attuale rappresentata dalle BIOMASSE

Introduzione

…. e in Europa?

La Commissione Europea sta da tempo spingendo per un maggiore utilizzo

delle biomasse a fini energetici, le quali produrrebbero benefici:

• ambientali: riduzione emissioni gas serra da combustibili fossili


• socio-economici: minori importazioni di petrolio, maggiori opportunità

economiche per il settore agricolo

Introduzione

…. in Italia

• protocollo di Kyoto recepito con la legge 120/2002, ma solo con la sottoscrizione della Russia, nel febbraio del 2005, tale legge è potuta entrare in vigore

• essa obbliga per il 2008-2012, una riduzione di emissioni di CO2 del 6,5% rispetto al livello del 1990.


rispetto al livello del 1990.

dal 1990 ad oggi si è registrato un aumento dei gas serra di oltre il 12%

Introduzione

Direttiva comunitaria 20-20-20

• Il Protocollo aveva imposto al continente europeo una riduzione complessiva dell’8% delle emissioni....…però l’UE ha richiesto uno sforzo in più ai Paesi membri: tagliare le emissioni entro il 2020 di almeno il 20% rispetto al 1990, secondo la strategia detta del “20-20-20”:

� riduzione delle emissioni del 20%,


� riduzione delle emissioni del 20%,� quota di energia da fonti rinnovabili pari al 20%� aumento dell’efficienza energetica del 20%

Le biomasse

• DefinizioneMateria organica (vegetale o animale) che non è andata in contro ad alcun processo di fossilizzazione e che può essere impiegata per la produzione di energia.

• Perché sono fonte di energia rinnovabile?Perché la CO2 emessa per la produzione di energia non rappresenta un incremento dell’anidride carbonica presente nell’ambiente essa infatti è


incremento dell’anidride carbonica presente nell’ambiente essa infatti è la stessa che le piante hanno prima organicato (fotosintesi) per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe nell’atmosfera attraverso i normali processi degradativi della sostanza organica.

L’utilizzo delle biomasse riduce il tempo di ritorno della CO2 in atmosfera rendendola nuovamente disponibile alle piante.

Le biomasse

Le biomasse utilizzabili per produrre energia possono essere:

� residui forestali� Colture energetiche: specie vegetali coltivate specificatamente per la produzione di combustibile

� residui agricoli� reflui zootecnici� residui industriali legnosi


� residui industriali legnosi� residui industriali agroalimentari

Le biomasse: colture energetiche


Fonte: presentazione Dott. Ing. Nicola Graniglia

Vantaggi derivati dall’impiego delle biomasse vegetali come fonte di energia

• economico :

� riduzione della dipendenza energetica;

� riconversione del settore agricolo;

� valorizzazione economica dei sottoprodotti e dei residui organici;

� risparmio nei costi di depurazione e smaltimento;

� stimolo alle industrie del settore;

• sociale :


� apertura del mercato dell’energia agli operatori agricoli;

� diversificazione e integrazione delle fonti di reddito nel settore agricolo;

� occupazione in zone marginali;

� riduzione dell’esodo dalle campagne;

Vantaggi derivati dall’impiego delle biomasse vegetali come fonte di energia

• ambientale:

� riduzione delle emissioni di CO2 nell’atmosfera;

� riduzione delle emissioni nell’aria dei principali inquinanti di origine fossile SOx, CO, NOX;

� possibilità di smaltire notevoli quantità di rifiuti e residui organici in modo sostenibile, recuperando allo stesso tempo parte dell’energia in essi contenuta;

� controllo dell’erosione e del dissesto idrogeologico di zone collinari e � controllo dell’erosione e del dissesto idrogeologico di zone collinari e montane;

� potenziale ripristino della fertilità in ambienti marginali o sottoposti ad agricoltura intensiva.


La conversione energetica delle biomasse

L’utilizzo delle biomasse è legato a diverse soluzioni tecnologiche e in ogni caso, la conversione energetica deve comportare un processo di combustione che può avvenire:

• direttamente dal materiale solido (combustione tradizionale)

• successivamente ad una trasformazione intermedia del combustibilesolido in un combustibile liquido o gassoso:

� chimica (biodiesel)


chimica (biodiesel)

� biochimica (biogas e bioetanolo),

� termochimica,

Ciclo sintetico completo di utilizzazione delle biomasse


Fonte: www.aster.it/opet/doc/doc

_biomasse_sm.pdf

DIGESTIONE

ANEAROBICA

EVENTUALE

PRETRATTAMENTO

LIGNOCELLULOSICHE

H20 ≤ 35%

C/N > 30

AMIDACEE –ZUCCHERINE

15 ≤ H20 ≤ 90

C/N qualunque

OLEAGINOSE

H20 > 35%

C/N qualunque

Biomasse da ZOOTECNIA

H20 > 35%

20 ≤ C/N ≤ 30

ESTRAZIONE DI ZUCCHERI

ESTRAZIONE

PIROLISI,

GASSIFICAZIONE

SINTESI

CARBONE VEGETALE ALCOLI: OLI GAS

FERMENTAZIONE


IDROGENO

COMBUSTIONE PER RISCALDAMENTO

AUTOTRAZIONE

ELETTRICITA’

TRATTAMENTO

CARBONE VEGETALE ALCOLI:

BIOETANOLO,

BIOMETANOLO

OLI GAS

ESTERIFICAZIONE

BIODIESEL

� BIOMASSE

� PROCESSI

� VETTORI

� DESTINAZIONE

La conversione energetica delle biomasse

N.B.• A parità di sostanza secca alimentata, un residuo di potatura, rispetto ad una paglia, comporta un incremento della potenza elettrica ottenuta del 20 %, mentre,

• a parità di biomassa, un incremento del 10% sul contenuto di umidità comporta un decremento della potenza elettrica ottenuta di circa il 15%.

• Il rapporto carbonio-azoto C/N ed il contenuto di umidità influenzano in


• Il rapporto carbonio-azoto C/N ed il contenuto di umidità influenzano in modo diretto quello che viene indicato come il parametro essenziale nella valutazione delle qualità combustibili di una determinata biomassa cioè il potere calorifico netto

• C/N e umidità:� se C/N > 30 e umidità < 30 %: biomassa per processi termo-chimici � se C/N < 30 e umidità > 30 %: biomassa per processi biochimici

Conversione energetica biomasse

• Potere calorifico netto (PCN)quantità netta di energia che si sviluppa dalla combustione di un 1 kg di combustibile (KWh/kg; 1 KWh = 860 Kcal) considerando il suo effettivo contenuto di acqua, cioè alle reali condizioni d’impiego della biomassa;

• Potere calorifico superiore (Hs)quantità di calore che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante della massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente


siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente

• Potere calorifico inferiore (Hi)rappresenta il potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d'acqua durante la combustione

I biocombustibili

Propellenti derivati da risorse rinnovabili:

• il biodiesel, prodotto dall’esterificazione dell’olio di semi oleosi;

• il bioetanolo, prodotto dalla fermentazione alcolica di soluzioni zuccherine o di carboidrati (amido, cellulosa e lignina);

• Il biogas, prodotto attraverso la digestione anaerobica di biomasse di diversa origine


• il bio crude oil, corrispondente alla fase liquida prodotta dalla pirolisi della biomassa vegetale.

• il biometanolo, ottenuto dalla gassificazione a ossigeno della biomassa;

Biodiesel

Prodotto ottenuto dalla spremitura di semi oleoginosi di colza, soia, girasole seguita da una reazione detta di transesterificazione: trasformazione di un estere in un altro estere per reazione con un alcol.Dalla reazione si ottiene il biodiesel, una miscela di esteri alchilici di acidi grassi a lunga catena.


Biodiesel

• è biodegradabile, cioè se disperso nell’ambiente si degrada nell’arco di pochi giorni, mentre gli scarti dei consueti carburanti permangono molto a lungo;

• garantisce un rendimento energetico paragonabile a quello dei carburanti;


Gasolio 10210 kcal/kg

Olio combustibile 9870 kcal/kg

Biodiesel: alcune specie vegetali impiegabili

• Colza (Brassica napus L. var. Oleifera)

Pianta a ciclo autunno-primaverile; è caratterizzata dall’avere seme piccole dimensioni che rende necessari la preparazione di un buon letto di semina al momento dell’impianto; esso non deve essere depositato troppo in profondità in quanto si avrebbero successivi problemi nell’emergenza; a questo fine può essere utile una rullatura prima della semina.In Italia la semina viene fatta in settembre nel settentrione e sino a


In Italia la semina viene fatta in settembre nel settentrione e sino a novembre nel meridione

� Contenuto in olio deisemi circa 42 %

� Resa media 3.5 t/ha

� Resa in olio circa36-38 % su peso


• Girasole (Heliantus annus L.)

Pianta a un ciclo primaverile-estivo.In Italia semina effettuata nella prima metà di aprile al Nord, verso la fine di marzo al Centro e non oltre la metà di marzo al Sud. La semina viene fatta a file distanti 60-70 cm, con seminatrice di precisione

� Contenuto in olio dei semicirca 40 %;


circa 40 %;

� Resa media 2.5 t/ha



• Soja (Glicine max L.)

Pianta a ciclo primaverile-estivo. Semina eseguita generalmente da aprile a metà giugno; è una leguminosa che entra in simbiosi con un microrganismo azotofissatore specifico, Rhizobium japonicum, generalmente assente nei suoli in cui la coltivazione non è mai stata condotta. Per questo motivo, quando si vuole coltivare la soia su un suolo che non l'ha mai ospitata, è indispensabile inoculare il seme con apposite colture microbiche.


indispensabile inoculare il seme con apposite colture microbiche.La concimazione azotata può essere limitata a 20-30 kg/ha di azoto alla semina e in questo caso ha funzione di starter.

� Contenuto in olio dei semicirca 18-20 %;

� Resa media 3-3.5 t/ha


Bioetanolo

• Il bioetanolo è un alcool prodotto attraverso fermentazione di biomasse, ricche di glucidi quali: � cereali (orzo, frumento, mais, sorgo; sia cariossidi che intere piante)� colture zuccherine (barbabietola e canna da zucchero)� amidacei (patate)� vinacce� residui ad alto contenuto di cellulosa (es. residui agro-forestali)


Il processo di fermentazione è condotto lieviti (Saccharomyces cerevisiae) e anche altri batteri

Bioetanolo

• Produzione:� fermentazione� Idrolisi enzimatica + fermentazione� idrolisi attraverso vapore d’acqua saturo ad alta pressione (con catalizzatore acido) e successiva fermentazione [steam explosion]: tecnica utilizzata per ottenere bioetanolo partendo da biomasse lignocellulosiche (arundo)


Bioetanolo: stato attuale in Italia

• Problema: � il bioetanolo ha un elevato capacità igroscopica tale per cui è difficile mantenerlo in purezza

� Considerando come fonte di produzione i cereali, per produrlo verrebbe bruciata una quantità (energia) di combustibile fossile che è pari alla quantità (energia) di etanolo prodotta.

• Allo stato attuale, escludendo il bioetanolo prodotto in Brasile attraverso


• Allo stato attuale, escludendo il bioetanolo prodotto in Brasile attraverso la canna da zucchero, esso è utilizzato come:� componente per benzine, al fine di innalzare il loro numero di ottani (n°ottani bioetanolo = 113)

� per la preparazione dell'etere etilbutilico (ETBE), un derivato ad alto numero di ottano.

Bioetanolo: stato attuale in Brasile

• La produzione di bioetanolo copre circa il 20% del fabbisogno di carburante per i trasporti interni.

• destina alla produzione di etanolo il 50% di produzione di canna da zucchero

• L’etanolo è utilizzato in miscela al 25% nei motori Flex: le auto Flex Fuelsono il 66,7% delle immatricolazioni e superano il milione


Biogas

• Il biogas è un prodotto ottenuto attraverso digestione anaerobica di biomasse di origine vegetale e/o animale

• Contiene metano (40-80%), anidride carbonica (50-15 %) e in misura minore di acido solfidrico, ossigeno ( fino al 2%)


Biogas: digestione anaerobica

Processo biochimico che comporta la degradazione della sostanza organica complessa (lipidi, glucidi, protidi) operata da microrganismi in ambiente anaerobico, con l’ottenimento di una miscela di gas.


Fasi della digestione anaerobica

1. Idrolisidegradazione dei Polimeri in monomeri: es. trasformazione della cellulosa in glucosio e cellobiosio, proteine in a.a, lipidi in ac. Grassi e alcooli

2. Acidogenesi o fermentazionetrasformazione dei monomeri delle macromolecole di partenza in H2O, CO2, NH3, etanolo ed acidi grassi volatiliH2O, CO2, NH3, etanolo ed acidi grassi volatili

3. Acetogenesitrasformazione degli alcoli e degli acidi grassi volatili in acetati, H2, CO2

4. Metanificazionei batteri metanigeni trasformano gli acetati, l’H2, la CO2 in CH4

mediante reazioni che comportano riduzione della CO2 e decarbossilazione dell’acido acetico

Gassificazione

• trasformazione di un combustibile solido (biomassa) o liquido, in combustibile gassoso, attraverso una decomposizione termica (ossidazione incompleta) ad alta temperatura (900-1000 oC)

• Gas prodotto: miscela di H2, CO, CH4, CO2, N2, vapore acqueo, ceneri (in sospensione) e tracce di idrocarburi (C2H6.).

• La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi tipi di gassificatori, dei combustibili e del loro contenuto di umidità;loro contenuto di umidità;


Pirolisi

• processo di degradazione termica di un materiale in completa assenza di agenti ossidanti (aria o ossigeno) che porta alla produzione di componenti solide, liquide e gassose

• le temperature di lavoro sono relativamente basse

• prodotti principali del processo:

– carbone vegetale,

– frazione gassosa– frazione gassosa

– frazione oleosa liquida (olio pirolitico)

• le proporzioni relative dei prodotti dipendono fortemente dalla velocità di reazione e dal tipo di biomassa utilizzata.


Problemi dell’uso delle biomasse per produzioni energetiche

•Problemi tecnologici (problemi impiantistici):

� usura degli impianti: necessità di manutenzioni frequenti (usura organi di alimentazione, delle camice delle caldaie a causa del silicio contenuto nei fusti di graminacee)

� gestione degli scarti di produzione: ceneri, liquami, fanghi, scarti di reazione.di reazione.

• Problemi energetici:

� bilancio energetico di tutta la filiera (input ed output energetici)

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