C.3 Biocombustibili

1Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

L’Unione Europea a marzo 2007 ha proposto i nuovi target europei da raggiungere al 2020 per promuovere una nuova politica energetica:

30% riduzione di gas serra 20% incremento efficienza energetica 20% di energia prodotta da fonti rinnovabili 10% di incremento dell’uso dei biocombustibili

L’Unione Europea e i biocombustibili

C.3 Biocombustibili

2Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

I biocombustibili sono prodotti derivati dalla biomassa usati per autotrazione e riscaldamento, miscelati con carburanti ottenuti da combustibili fossili o utilizzati puri.

I più comuni biocombustibili:

Bio-Etanolo

Bio-Diesel

Metanolo

ottenuto da amidi e zuccheri

ottenuto da grassi e oli

ottenuto dal legno

I benefici legati ai biocombustibili derivano dal fatto di avere un impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile e di utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati.

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3Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

L'uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del '900 quando Henry Ford ne promosse l'utilizzo, tanto che nel 1938 gli impianti del Kansas producevano già 18 milioni di galloni/anno di etanolo (circa 54.000 t/anno).

L'interesse americano per i biocombustibili scemò dopo la seconda guerra mondiale in conseguenza dell'enorme disponibilità di olio e gas, ma negli anni '70, a seguito del primo shock petrolifero, apparvero in commercio benzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio fiscale concesso per l‘utilizzo dell’etanolo).

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4Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Con i più recenti emendamenti Clean Air Act (1990) che imponevano restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell’aria nelle aree metropolitane più inquinate, si prospettò un maggiore ritorno dei biocombustibili.

Ma all’etanolo fu preferita l’adozione dell’ MTBE (metil – ter – butil - etanolo) come sostitutivo del piombo tetrametiletile ( per migliorare le proprietà antidetonanti delle benzine).

Solo dopo il progressivo inquinamento delle falde acquifere il governo americano sta cercando di mettere fuori legge gli MTBE promuovendo una politica che incentivi i biocombustibili.

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5Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Bio-Etanolo

È un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante la fermentazione di diversi prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri.

Le materie prime per la produzione di etanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi: 

•Residui di coltivazioni agricole;

•Residui di coltivazioni forestali;

•Eccedenze agricole temporanee ed occasionali;

•Residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro - alimentari;

•Coltivazioni ad hoc (quelle più sperimentate e diffuse sono la canna da zucchero, il grano, il mais) 

•Rifiuti urbani.

Il bio-etanolo è tra i biocombustibili quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni, in alcuni paesi del sudamerica viene utilizzato puro in normali motori a combustione interna, opportunamente modificati.

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6Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i lieviti ed i batteri.

Stabilimento francese si producono 150 tonnellate di zucchero e 200 ettolitri di bioetanolo all'anno, oltre alla polpa di barbabietola disidratata e pressata per l'industria dei fertilizzanti.                    

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7Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

ETBE (Ethyl Tertiary Butyl Ether)

- Etere prodotto tramite:

Isobutilene (54 %) + Etanolo (46 %) ETBE + calore

- Si utilizza un catalizzatore a T < 100°C

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8Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Oggi si possono acquistare vetture alimentate a bioetanolo. Alcuni esempi:

Chrysler Sebring Dodge Stratus

Mercedes C320 Sedans Renault Megane 1.6 16v Saab 9-5 BioPower da 210 cv

Fiat Siena TetraFuel (in Brasile)Ford Focus Flexi-Fuel 1.8

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9Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Riportiamo i dati ottenuti da diversi autori nel corso degli ultimi 10 anni.Il grafico mostra i valori di bilancio energetico per il bioetanolo da mais espresso come:Energy Ratio (energia ottenuta dal biofuel/energia consumata per produrlo)

Come appare evidente, i dati raccolti variano in un intervallo estremamente ampio che può essere giustificato da un lato con la reale difficoltà di individuare e quantificare tutti gli aspetti del problema, ma anche dalle scelte operate per "favorire" il raggiungimento del risultato ritenuto più interessante.

Il bilancio energetico è favorevole al bioetanolo quando il valore di Energy Ratio è superiore a 1.

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10Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Biodiesel

Si ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati, dalla spremitura di semi oleoginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di  transesterificazione, che semplificando può essere rappresentata:

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

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11Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

– ESTRAZIONE

• Meccanica (normalmente a pressione)

• Chimica (solvente, normalmente esano. Rapporto fino a 1:18)

• Combinati

Girasole, Colza: circa 1 ha 1 tolio (girasole: ~ 2.6 t/ha 15 %)

– RAFFINAZIONE: rimozione sostanze estranee (proteine, gomme, resine, fosfatidi, chetoni, aldeidi)

• Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione)

• Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione, demargarinazione)

I prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del biodiesel devono subire vari processi prima di essere convertiti:

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12Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Il biodiesel produce più energia di quanta ne è necessaria per la sua produzione:

CaratteristicaQuanti

tà(t/ha)

Consumo EnergeticoSpecifico (MJ/t)

Consumo EnergeticoTotale (MJ/ha)

Spese di Energia

• Coltivazione Colza• Estrazione Olio• Raffinazione Olio• Trasformazione in Biodiesel• Alcool NecessarioTotaleRicavi di Energia• Biodiesel• Panello Proteico• Altri Sottoprodotti• Residui Colturali• GlicerinaTotale

*

33

1,21,080,13

**

1,041,6

0,064,8

0,09

*

7.6151.2451.660388

20.000**

36.50015.00038.18112.50017.500

*

22.8443.7351.992419

2.66231.612

*37.93024.0002.291

60.0001.540

125.761

Il bilancio di massa semplificato dell'intero processo è il seguente:1000 kg di olio raffinato + 100 kg metanolo = 1000kg biodiesel + 100 kg glicerolo

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13Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Utilizzazione del biodiesel nei motori

Il biodiesel può essere utilizzato in tutti i motori Diesel oggi sul mercato senza alcuna modifica, se miscelati con il gasolio fino al 20-30%, o solamente con piccoli accorgimenti nel caso si utilizzasse biodiesel puro.

La sperimentazione migliore nel settore dell'autotrazione con biodiesel si è osservata nel pubblico trasporto (autobus urbani); le cosiddette "flotte" percorrono un elevato numero di chilometri ogni anno e quindi consentono di ricavare dati statisticamente attendibili.

Mercato in Europa

Produttori Italiani

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14Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

• Sicurezza ed uso

– Flash Point (FP): T minima alla quale i vapori di un combustibile si accendono se esposti a fiamma o scintilla

– FP basso Pericolo di incendio

• FP di miscele di Biodiesel aumenta all’aumentare della % di Biodiesel nella miscela

• Il Biodiesel è più sicuro da utilizzare, maneggiare e stoccare

– Il biodiesel puro è pressoché privo di zolfo:

– Nessuna emissione di SO2 ed aerosol di solfati sul particolato

– Aumento della vita del veicolo e del catalizzatore

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15Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Metanolo

Noto anche come alcool metilico o alcool del legno, venne scoperto nel 1661 da Boyle nei prodotti di distillazione del legno. Nel 1812 Taylor notò che le proprietà chimiche dell'alcool metilico e quelle dell'alcool etilico erano molto simili. Da qui la frode alimentare che portò all'uso del metanolo nella vinificazione, con esiti spesso mortali essendo questo in forti dosi tossico per l’uomo. È prodotto di solito dal gas naturale, ma può essere sintetizzato dalla biomassa. Il processo più diffuso è la gassificazione della biomassa, che consiste nel vaporizzare la biomassa ad alta temperatura e rimuovere le impurezze dal gas caldo e farlo passare su un catalizzatore che accelera la formazione del metanolo.

– produrre 1 lt di metanolo richiede

• 2 - 2.2 kg di biomassa

• 4.35 kg di carbone

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16Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

Applicazioni

La smartfuelcell.de, ditta tedesca sta per mettere in commercio un  "generatore" da 1 kW con relative "cartucce" di metanolo da 250ml, omologate per essere trasportate anche in aereo, il costo sembra poter essere competitivo, l'autonomia è fino a 5 volte maggiore delle più moderne batterie ad accumulo (per ogni ricarica)               

La stessa ditta , in compartecipazione, vuole commercializzare un sistema integrato per alimentare i portatili con una autonomia che dipende dalle ricariche di scorta: una cartuccia da 125ml (un bicchiere) ha una autonomia per 7 ore di lavoro continuo

Trasformato in gas di metanolo può essere usato per l’autotrazione

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17Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

La fase di combustine è una reazione di ossidazione in cui gli elementi C, H e S reagendo con l’ossigeno (contenuto nell’ aria) si ossidano dando luogo ad anidride carbonica, acqua e anidride solforica (come componenti principali).

La reazione è esotermica, il calore sviluppato è quello che poi viene utilizzato nelle applicazioni.

Il potere calorifico proprio la quantità di calore che si sviluppa dalla combustione completa di un unità di massa del combustibile.

In particolare si definisce potere calorifico superiore Hs , che tiene conto del calore condensazione dell’acqua (vapore) che si forma a seguito della combustione.

Generalmente nelle applicazioni si fa riferimento al potere calorifico inferiore Hi che si ottiene da quello superiore sottraendogli il calore di condensazione dell’acqua:

OHuHsi ryyHH2

9 yH frazione massica (percentuale in peso) di idrogeno nel combustibile

yu quantità d’acqua che si forma a seguito della combustione

rH2O calore latente di condensazione dell’acqua (2500 kJ/kg)

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18Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

combustibile Hi (kJ/kg)

Idrogeno 121500

Metano 50000

Diesel 47000

Etilene 46300

Gpl (Butano) 45800

Olio Combustile (Riscaldamento)

42000

Estere Metilico 39000

Biodiesel 38000

Olio Vegetale 37000

Etanolo 26900

Carbone 25000

Metanolo 21300

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19Fonti Rinnovabili di Energia Prof. Claudia Bettiol A.A. 2006-07

La crescita del Biodiesel e del Bioetanolo in Europa (1993-2004)

Fonte: Eurobserv’er 2005