Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione Energetica prof. ing. Francesco Asdrubali

Università degli Studi di PerugiaFacoltà di Ingegneria

Corsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica

Corso di Impatto ambientale Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione EnergeticaModulo Pianificazione Energetica

prof. ing. Francesco Asdrubaliprof. ing. Francesco Asdrubalia.a. 2012/13a.a. 2012/13

Energia dalle

Biomasse

BiomasseBiomasseCon il termine Con il termine “biomasse”“biomasse” si intendono sostanze di origine biologica in forma non si intendono sostanze di origine biologica in forma non

fossile: fossile:

materiali e residui di origine agricola e forestale;materiali e residui di origine agricola e forestale; prodotti secondari e scarti dell’industria agroalimentare;prodotti secondari e scarti dell’industria agroalimentare; reflui di origine zootecnica;reflui di origine zootecnica; rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 % in rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 % in

peso).peso).

Tra le biomasse vengono inoltre considerate:

• alghe e molte specie vegetali che vengono espressamente coltivate per essere destinate alla conversione energetica;

• altre specie vegetali utilizzate per la depurazione di liquami organici.

Sono da escludere:

• le plastiche e i materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici.

Fotosintesi clorofillianaFotosintesi clorofillianaTramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l’apporto Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l’apporto

energetico dell’irraggiamento solare per convertire l’anidride carbonica energetico dell’irraggiamento solare per convertire l’anidride carbonica atmosferica e l’acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che atmosferica e l’acqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che

compaiono nei loro processi vitali: compaiono nei loro processi vitali:

carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato di prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione di prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione

2222 OOHCsolareenergiaOHCOmn

Solo la parte visibile dello spettro solare (circa il 45% del totale) interviene nella fotosintesi;

un ulteriore 20% dell’energia si perde per fenomeni di riflessione o cattivo assorbimento dovuto alla densità del fogliame.

Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa 2210101111 tonnellate di carbonio all’anno tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico equivalente

a 70 miliardi di tonnellate di petrolio70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte l’attuale fabbisogno energetico mondiale

Tipologie di BiomasseTipologie di Biomasse

Biomasse

Residui organici Colture energetiche

forestali Trasformazione tecnologica di prodotti e consumi

agricoli acquaticheterrestri

• vegetali•Alimentari•Non alimentari

•Animali•Vegetali

Principali colture utilizzabili per la Principali colture utilizzabili per la produzione di energiaproduzione di energia

Le colture energetiche sono coltivazioni specializzate per la produzione di biomassa e possono riguardare sia specie legnose sia erbacee.

Coltivazioni energetiche erbacee:

• annuali (il girasole, la colza, il sorgo da fibra, il kenaf);

• perenni (la canna comune ed il miscanto).

Coltivazioni energetiche legnose sono costituite da specie selezionate per l’elevata resa in biomassa e per la capacità di ricrescita dopo il taglio:

• boschi cedui tradizionali;

• siepi alberate.

Caratteristiche qualitative della biomassa:

• colture oleaginose (ad es. girasole, colza);

• alcooligene (sorgo zuccherino, barbabietola da zucchero, cereali);

• lignocellulosiche.


COLTURE AREA PROBLEMATICHE

Sorgo granella Collina

GranoPianura/collina

asciutta

Sorgo zuccherino Pianura irrigua Breve periodo di raccolta

Bietola Pianura irriguaBreve periodo di raccolta

Costi

Topinambur Collina asciutta Rotazione difficile

Elenco colture per etanoloElenco colture per etanolo

Principali colture utilizzabili per la Principali colture utilizzabili per la produzione di energiaproduzione di energiaElenco colture per oli esterificatiElenco colture per oli esterificati

COLTURE AREA PROBLEMATICHE

Girasole Pianura/collina Scelte varietali

Colza VarieAdattamento

Scelte varietali

Brassica Carinata Varie Scarsa sperimentazione

Cartamo AsciuttoTecniche agronomiche non

consolidate

Ricino VarieTecniche agronomiche non

consolidate

Cynara Card. Asciutto Rese variabili

Crambe ab.Tecniche agronomiche non

consolidate


Elenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimiciElenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimici

COLTURE PROBLEMATICHE

ANNUALI

Sorgo fibra Sfruttamento terreno

POLIENNALI

Arundo donax Sperimentazioni limitate

Miscanthus Sperimentazioni limitate

Ginestra Raccolta

Cynara Card. Rese variabili

S.R.F. Tecniche da mettere a punto, Costo trapianto

Impieghi della materia organica Impieghi della materia organica fotosintetica trasformatafotosintetica trasformata

• Conversione in energia termica e/o elettrica e produzione di biocombustibili solidi (ad es. pellets) o liquidi (es. biodiesel, bioetanolo, ecc.);

• Biomateriali per l’industria edilizia ed abitativa e per la produzione di compositi;• Fibre tessili; • Cellulosa, carta ed assimilati;• Fertilizzanti o ammendanti per i terreni agrari;• Prodotti per l’industria (lubrificanti, solventi, plastiche biodegradabili, additivi vari,

ecc.).

Le biomasse utilizzabili ai fini di conversione energetica possono essere considerate, allo stato attuale, le seguenti:

• Sottoprodotti (agricoli, forestali e zootecnici) e scarti (urbani e industriali), attraverso combustione, conversione chimica o biologica in biogas, alcool o altre sostanze;

• Produzioni vegetali su territori non adatti a colture alimentari. (zone marginali, aride e semiaride);

• Specie vegetali “energetiche” da coltivare in condizioni di eccedenze delle produzioni alimentari rispetto alla domanda, su terreni sinora a destinazione agricola classica.

Le biomasse si possono considerare risorse primarie rinnovabili e, quindi,

inesauribili nel tempo, purché vengano impiegate ad un ritmo

complessivamente non superiore alle capacità di rinnovamento biologico.

Vincoli all’uso energetico delle Vincoli all’uso energetico delle BiomasseBiomasse

Stagionalità

La raccolta si concentra normalmente in periodi temporali di poche settimane (la paglia dei cereali tipo frumento in luglio; gli stocchi di mais in ottobre-novembre; i residui di potatura nei mesi invernali). La domanda dei prodotti di trasformazione si prolunga lungo l’intero arco dell’anno.

I calcoli economici debbono tener conto degli investimenti aggiuntivi relativi allo stoccaggio delle scorte, nonché di quelli della loro eventuale essiccazione

Raccolta e trasporto

Gli impianti di trasformazione delle materie prime agricole sono soggetti ad effetto scala. Ad ogni impianto deve errere asservita una superficie agricola in grado di approvvigionare la materia prima sufficiente per il funzionamento. L’economicità di un impianto dipende dalla minore distanza esistente tra l’impianto ed il baricentro massico delle biomasse.

Aspetti positivi e negativi Aspetti positivi e negativi dell’impiego delle biomasse dell’impiego delle biomasse

VANTAGGI SVANTAGGI

Abbondante: si trova in quasi ogni parte della terra, dove siano presenti alghe, alberi, letame;

Fonte di energia rinnovabile: grazie alla possibilità del rimboschimento;

Immagazzinabile-Stoccabile Convertibile in combustibili solidi-

liquidi-gassosi con buoni poteri calorifici;

Sfruttamento di zone inutilizzate dall’agricoltura e conseguente occupazione nelle zone rurali;

Ciclo di emissioni di CO2: le piante la

riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi)

Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica: superficie minima 12.000 ha, produzione superiore a 17-25 t per ha

La produzione può richiedere elevati volumi di fertilizzanti ed irrigazione;

Sistema di risorse (logistica) complesso per assicurare la costante fornitura della risorsa;

Problemi di trasporto, stoccaggio e movimentazione a causa della bassa densità(bulk density): la convenienza economica c’è se la distanza tra approvvigionamento ed impianto non supera i 160 Km;

Produzione soggetta a variazioni legate alle condizioni ambientali-meteo

Produzione non costante durante l’anno Contenuto di umidità variabile

Tecnologie per l’impiego energetico Tecnologie per l’impiego energetico delle Biomassedelle Biomasse

Combustione;Combustione; Gassificazione;Gassificazione; PirolisiPirolisi

CombustioneCombustioneI dispositivi per la combustione hanno le stesse caratteristiche costruttive

di quelli impiegati per la gassificazione a letto fisso o a letto fluido e si differenziano soltanto per pochi particolari costruttivi e di processo.

Gli impianti che sfruttano la combustione di biomassa a scopi energetici possono essere suddivisi in due categorie:

Impianti per la produzione di energia termica eventualmente in cogenerazione, a partire da combustibile solido (generalmente <5-6 MWt);

Impianti per la produzione di energia elettrica eventualmente in cogenerazione, a partire da combustibile solido o liquido (generalmente <2-15 MWe).

Presentano, da un punto di vista tecnico ed economico, le migliori prestazioni generali, anche in termini di potenziale risparmio energetico

CombustioneCombustioneSchemi impiantistici, per impianti inferiori a 0,5 MW, :

o Combustione a fiamma inversa con alimentazione manuale del combustibile;

o Combustione di tipo convenzionale (o ancora a fiamma inversa) con tramoggia di alimentazione e relativo bruciatore automatico.

o Accumulo di materiale ligno-cellulosico sminuzzato a tenori di umidità molto variabili (anche fino al 50%);

o Prelevamento automatico del combustibile dall’accumulo o carico di tramogge con mezzi gommati;

o Introduzione del combustibile in caldaia in quantità dipendente dalla temperatura dei fumi e dell’acqua circolante nella caldaia stessa;

o Introduzione di aria comburente per mantenere un prefissato tenore di ossigeno nei fumi;

o Sistema di abbattimento del particolato con cicloni.

Schemi impiantistici per impianti superiori a 0,5 MW:

CombustioneCombustione

Principali problematiche all’utilizzo degli impianti di combustione di Biomasse:

L’approvvigionamento della biomassa a costi contenuti: questo è un fattore chiave anche in presenza di una buona valorizzazione dell’energia elettrica prodotta e spinge a considerare quelle situazioni dove la concentrazione della biomassa è già elevata per motivazioni diverse da quelle energetiche (es. industria con grandi quantità di residui disponibili);

La possibilità di un impiego produttivo del calore disponibile ai prezzi di mercato del riscaldamento civile: questo fattore è strategico per conseguire buone prestazioni economiche anche in presenza di investimenti elevati.

Possibilità di conversione per la Possibilità di conversione per la generazione di energia elettricagenerazione di energia elettrica

Biomassa ligno-cellulosa

Piccole potenze5 – 1000 kW

Medie potenze1 – 5 MW

Elevate potenze5 – 50 MW

Caldaie associate a motori Stirling

Caldaie associate a cicli ORC

Gassificatori associati a motori endotermici

Caldaie o gassificatoriassociati a cicli ORC o

a vapore

Gassificarori associati a cicli Brayton

Caldaie o gassificatoriassociati a cicli vapore

Gassificatori associati a cicli Brayton

o combinati

Teleriscaldamento e biomasseTeleriscaldamento e biomasseAffinché si possa ipotizzare di costruire un impianto di

teleriscaldamento a biomassa, occorre che siano soddisfatti i punti seguenti.

Aggregato di case e/o attività che richiedano energia termica; Disponibilità di una o preferibilmente più fonti di approvvigionamento o creazione

di una filiera di biomassa, come conseguenza della domanda da parte dell'impianto di teleriscaldamento;

La distanza dalla fonte di approvvigionamento non deve essere eccessiva; Presenza di un'area adeguata dove poter costruire l'impianto ed i magazzini di

stoccaggio.

Punti critici del teleriscaldamento a biomasse

Accettabilità sociale; Vicinanza alle vie di trasporto e cura per non appesantire l'abitato con un

eccessivo traffico di mezzi pesanti; Stoccaggio: i volumi necessari non permettono uno stoccaggio stagionale -

notevoli superfici per creare magazzini che consentano una certa autonomia;

Condizioni di lavoro (sicurezza) degli addetti alla raccolta-selezione-trasporto;

Sostenibilità economica; Rapporto tra prime e seconde case per il corretto dimensionamento

dell'impianto - spesso la località servita è turistica.

BiocombustibiliBiocombustibili

• Impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile;• utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati.

• L’uso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del ‘900 (Henry Ford); nel 1938 gli impiani del Kansas producevano già 54.000 t/anno di bioetanolo.

• l’interesse americano per i biocombustibili decadde dopo la Seconda Guerra Mondiale in conseguenza dell’enorme disponibilità di olio e gas;

• negli anni ’70, a seguito della prima crisi petrolifera, apparvero in commercio benzine contenenti il 10% di etanolo, il cosiddetto gasohol, (grazie al sussidio fiscale concesso per l’utilizzo dell’etanolo).

• Clean Air ACT (1990): restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dell’aria nelle aree metropolitane più inquinate. 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 di incentivo per i biocombustibili.

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

Bio-etanoloBio-etanolo• E’ un alcool (etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante fermentazione di diversi

prodotti ricchi di carboidrati e zuccheri;• Il bio-etanolo è tra i combustibili quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo,

disponibilità e prestazioni;• L’etanolo può essere prodotto seguendo due vie: quella chimica e quella biologica;• Il bioetanolo ha origine dalla seconda via;• Il processo si basa sulla trasformazione biochimica dei carboidrati (zuccheri) in

alcool, operata da microrganismi (lieviti);• La produzione di etanolo adatto all’uso combustibile (puro almeno al 95%), richiede

un ulteriore processo di distillazione;• Nel processo di fermentazione vengono utilizzati dei catalizzatori naturali come i

lieviti ed i batteri.

MAIS

BIOMASSE

Glucosio

Zuccheri Batteri

Lieviti

Caratteristiche chimico-fisiche Caratteristiche chimico-fisiche dell’etanolo e della benzina dell’etanolo e della benzina

• gli alcoli presentano una minore temperatura e luminosità di fiamma cosicché minor calore è perso per conduzione e per irraggiamento dalla camera di combustione al sistema di raffreddamento del motore;

• gli alcoli, bruciando più rapidamente, permettono una coppia più elevata al motore.

Nonostante la differenza di potere calorifico tra l’alcool etilico e la benzina, le potenze esprimibili nei motori sono all’incirca equivalenti, per le diverse caratteristiche di

combustione degli alcoli rispetto alla benzina:

CaratteristicheUnità di misura

Etanolo Benzina

Formula CH3-CH2-CH Miscelaidrocarburi - additivi

Densità g/cm3 0,789 (a 20°C) 0,740 (a 15°C)

Potere Calorifico Inferiore Kcal/kg 6.400 10.000

Temperatura di ebollizione °C 78,3 30 ÷ 200

Temperatura di congelamento °C -11,4 Sotto i -50

Calore di evaporazione Kcal/kg 200,6 85

Punto di infiammabilità °C 21 Da -40 a 40

Numero di ottano 106 98 – 102 (super)

Risvolti energetici, ambientali ed Risvolti energetici, ambientali ed economicieconomici

Consumio Il potere calorifico dell’etanolo è inferiore a quello della benzina, la miscelazione di

questi determina a parità di altre condizioni un peggioramento del consumo calcolato (Km/Litro).

o L’addizione dell’ossigeno, assente del tutto nella benzina, reca un miglioramento alla combustione in termini di consumo termico (Km/caloria): smagrimento della miscela aria/benzina e miglioramento della combustione.

Emissionio Il bioetanolo, essendo un prodotto derivato da biomassa, non comporta alcuna

emissione di anidride carbonica netta in ambiente: le biomasse, catturano, durante il processo di fotosintesi”, il carbonio in atmosfera (sotto forma di CO2); la CO2 verrà assorbita dalle nuove biomasse coltivate per produrre altro biocombustibile

o Eliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene; Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti; o Aumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide.

Vantaggi dell’impiego di ETBE come additivo antidetonanteo Elevato rapporto quantitativo tra carbonio e idrogeno;o Contenuto di ossigeno legato pari al 15%.

Produzione di Bio-etanoloProduzione di Bio-etanoloPrincipale materia prima per la produzione di bioetanolo: o Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate all’anno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati);o Barbabietola da zucchero - 0,26 miliardi di tonnellate all’anno.

Quando sarà disponibile la produzione commerciale di bioetanolo da biomassa lignocellulosica (cioè da processi enzimatici), la potenziale produzione di questo prodotto aumenterà notevolmente: la produzione mondiale di biomassa lignocellulosica è dieci volte superiore a quella di altri tipi di biomassa.

o Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m3;o Il potenziale produttivo mondiale di bioetanolo, è stimato intorno ai due miliardi di

tonnellate all’anno (0,5 miliardi di tonnellate all’anno dallo zucchero e 1,5 miliardi di tonnellate all’anno da biomassa lignocellulosica);

o L’uso del bioetanolo nel settore dei trasporti (20% del consumo attuale) raggiungerà 550 milioni di tonnellate all’anno.

Altri possibili impieghi che comporteranno una maggiore penetrazione di bioetanolo:o miscele gasolio-etanolo puro;o gasolio riformulato con ETBE;o uso di bioetanolo per macchine agricole.

Bio-dieselBio-dieselSi ottiene dagli oli vegetali, dai grassi di cucina riciclati,dalla spremitura di semi

oleaginosi di colza, soia, girasole attraverso una reazione detta di transesterificazione.

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

creme ad uso cosmetico. I prodotti e gli oli utilizzati per la produzione del

biodiesel devono subire vari processi prima di essere convertiti:

EstrazioneMeccanica (normalmente a pressione);Chimica (solvente, normalmente esano in rapporto 1:18);Combinata (Girasole-colza: circa 1 ha produce 1 t di olio);

Raffinazione: Depurazione (sedimentazione, filtrazione, demucillaginazione, centrifugazione);Raffinazione (neutralizzazione o deacidificazione, decolorazione, deodorazione, demargarinazione).

Il bilancio di massa semplificato dell’intero processo è il seguente:

1000 kg di olio raffinato + 100 kg di metanolo

=

1000 kg di biodiesel + 100 kg di glicerolo

Impiego del bio-diesel nei motoriImpiego del bio-diesel nei motorio Il biodiesel è stato testato in varie percentuali di miscelazione con gasolio, a

partire dal 5% passando per il 20 ed il 30% fino ad arrivare al biodiesel puro;o Le miscele con gasolio, sino al 30% in volume, possono essere utilizzate senza

significative modifiche al motore (verificare la compatibilità dei materiali costitutivi dell’impianto di iniezione, con particolare riferimento alle gomme butiliche);

o L’olio lubrificante è diluito dal biodiesel, per cui si deve avere l’accortezza di sostituire l’olio con maggiore frequenza (in particolare con sistemi di iniezione con pompe in linea);

o Problemi nel funzionamento del motore alle basse temperature (punto di otturamento a freddo del biodiesel è di –9°C, contro i – 22°C del gasolio);

o Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante; o Il potere calorifico inferiore del biodiesel è inferiore di circa il 13% rispetto a

quello del gasolio (32,8 MJ/dm3 contro 35,6 MJ/dm3), ma ciò è parzialmente compensato dalla maggiore densità (0,88-0,89 kg/m3 contro 0,83-0,85 kg/m3 a 15°C).

o Il potere calorifico inferiore del biodiesel comporta un lieve aumento dei consumi, (circa il 2-3%), difficilmente percepibile a causa dell'elevata oscillazione dei consumi riscontrabili in campo, relativi al tipo di guida e percorso.

Risvolti energetici, ambientali ed Risvolti energetici, ambientali ed economicieconomici

Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile.

Emissioni (biodiesel quale combustibile puro):o SO2 : è presente il contributo di SO2 da parte dell’ olio lubrificante che viene bruciato;o CO: apprezzabile riduzione delle emissioni di CO (5-8%);o HC: le emissioni sono equivalenti, è drasticamente minore (da uno a due ordini di

grandezza) il contenuto dei composti policiclici aromatici PAH, corresponsabili di molte forme di cancro;

o NOx : incremento delle emissioni di NOx (15% circa);o Opacità (FSN): drasticamente inferiore a quella prodotta dal gasolio (30% al 70%);o Particolato: emissioni in massa di particolato risultano molto prossime (talvolta

appena superiori) a quelle generate dalla combustione di gasolio; la granulometria media del particolato prodotto dal biodiesel è superiore di un ordine di grandezza (circa 0,1 mm per il fossile, 1,5 mm per il biodiesel). minore la pericolosità del

particolato generato dal biodiesel;o CO2: non comporta alcuna emissione netta in atmosfera; o Biodegradabilità : elevata (99,6% in 21 gg.), in caso di dispersione accidentale, il

biodiesel non inquina né il suolo né le acque.

Produzione di Bio-dieselProduzione di Bio-dieselLa produzione di biodiesel fino al 1990 essa era solo allo stato sperimentale.Nel mondo al 1998 erano censiti 85 impianti: • Europa occidentale: 44• Europa orientale: 29• Nord America: 8• altre aree: 4

Le materie prime utilizzate per la produzione sono:• olio di colza (85% del totale);• olio di girasole (13%);• olio di soia, di palma e oli fritti usati per le restanti percentuali.

La capacità produttiva globale nel mondo è cresciuta negli anni ’90 dalle 75.000 t del 1991 alle 1.366.000 del 1998; La produzione effettiva corrispondente è passata dalle 10.000 t del 1991 alle 741.000 t del 1998.

In Italia la produzione di biodiesel è stata avviata nel 1992; nel 1997 erano censiti 11 impianti (attualmente gli impianti operativi sono 7). La capacità produttiva nel 1998 era di 211.000 t/a a fronte di una produzione di 107.000 t (rapporto tra produzione effettiva e capacità produttiva pari a circa il 51%)

Produzione di Bio-dieselProduzione di Bio-dieselin Italiain Italia

Produttore StabilimentiProduzione

effettiva attuale (t/a)

Capacità attuale(t/a)

Espansione pianificata (t/a)

Novaol Livorno 80.000 90.000 + 20.000

Bakelite Milano 36.000 50.000

Fox Pescara 80.000 90.000

Defilu Milano 12.000 15.000 + 23.000

Comlube Brescia 12.000 15.000

Estereco Perugia 14.000 30.000

Ital-Bi-Oil Bari 32.000 100.000

NOVA Fr 9.000

OK Muhle 9.000

Totale 284.000 390.000 43.000

Produzione semi: colza: 1-4 t/ha;

girasole 1-4 t/ha; soia 2-6 t/ha;

palma-cocco: 4-6 t/ha.

Produzione olio: colza: 0,4-2 t/ha;

girasole 0,4-2 t/ha; soia 0,3-1,8 t/ha;

palma-cocco: 1,0-1,5 t/ha.

Produzione energia: colza: 0,36-1,8 tep/ha;

girasole 0,36-1,8 tep/ha;soia 1,27-1,6 tep/ha;

palma-cocco: 0,9-1,35 tep/ha.

• In Italia è privilegiato il girasole, poiché più adatto al nostro clima, mentre la resa della colza è da noi inferiore rispetto all’Europa del centro-nord;

• Poiché la produzione di biodiesel privilegia la colza, molti produttori italiani o si approvvigionano di olio dall’estero o utilizzano una miscela di olio di girasole e colza nella proporzione 20-80%.

Quadro internazionale:Quadro internazionale:evoluzione storicaevoluzione storica

Le biomasse, a livello mondiale, costituiscono una delle principali fonti energetiche e la maggiore in assoluto fra quelle

rinnovabili.

Si valuta che le biomasse rappresentino il 15 % circa dell’offerta energetica totale mondiale.

Per quasi tutti i Paesi in Via di Sviluppo (PVS) le biomasse

costituiscono una risorsa energetica fondamentale e spesso la principale fino al 75 % circa del consumo globale di energia).

PAESE 1970 1990

Argentina 3.3 1.5

Brasile 47.5 20.4

Costarica 43.1 39.2

Cile 18.7 18.7

Ecuador 39.4 10.3

Guatemala 64.5 71.9

Messico 12.1 5.5

Nicaragua 49.7 47.0

Paraguay 80.1 33.5

Uruguay 15.5 19.1

Evoluzione del contributo percentuale delle biomasse sul totale della produzione di energia in alcuni paesi dell’America Latina.

Consumo specifico di legna da ardere per alcune industrie rurali (America Latina 1991)


Industrie Legname consumato

Panifici 0.13 – 0.22 m3/sacco (50kg.) di farina

Caseifici 0.025 – 0.112 m3 / 1000 l di latte

Mattoni 0.4 - 0.8 m3/1000 mattoni

Calce 1.1 – 4.0 m3/ t di calce

Essiccazione tabacco 1.5 – 2.0 m3 /100 kg di tabacco essiccato

Impianti dimostrativi per la produzione di elettricità da colture energetiche negli USA


Localizzazione Potenzialità (MWe)Superficie

coltivata (ha)Biomassa utilizzata

Arkansas/Mississipi 25 10.000 Legno da short rotation

California 25 10.000

Georgia/Alabama 25 10.000 Legno da short rotation

Hawaii 25 10.000 Colture erbacee

Iowa 25 10.000

Tennessee 25 10.000 Colture erbacee

Texas 25 10.000

Washington 25 10.000 Legno da short rotation

Wisconsin/Minnesota 100 40.000 Legno “whole tree”

Quadro internazionale:Quadro internazionale:recenti tendenzerecenti tendenze

Dislocazione mondiale di impianti Dislocazione mondiale di impianti con una potenza maggiore di 5 GW con una potenza maggiore di 5 GW

Situazione italianaSituazione italiana

BIOMASSA UTENZE DISPONIBILITA’ USO ATTUALEUSO

FUTURO

Legno e residui agricoli

forestali

Domestiche e rurali

12 2-3 3-5

Rifiuti agro-industriali

Aziende agro-industriali

municipalizzate6-8 0.4-0.6 3-4

TOTALE 18-23 2.4-3.6 6-9

Biomasse residuali per la produzione di energia termica ed elettrica in Italia (Mtep/anno)

Situazione italianaSituazione italianaEnergia elettrica da biomasse residuali in Italia (settore

agro-industriale e delle aziende municipalizzate)

Ordine di grandezza dei costi per la produzione di energia da biomasse residuali

POTENZIALE(50%dei rifiuti)

POTENZA INSTALLATA

(1993)

NUOVE INSTALLAZIONI

(1998)

ATTESE (2005)

MWeTWh/anno

2.000-3.00010-15

1050.4

2000.7

400-5001.5-2.5

ENERGIA TERMICACosti investimento (€/kWt)Costo dell’energia (€/Mcal)

35-550.025-0.05

ENERGIA ELETTRICACosti investimento (€/kWe)Costo dell’energia (€/kWh)

1.100-2.5000.05-0.1

Situazione italianaSituazione italianaSituazione della produzione di energia elettricaenergia elettrica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al

2008-2012

(fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, 1999)

Tecnologia1997 2002 2006 2008-2012

MWe Mtep MWe Mtep MWe Mtep MWe Mtep

Idro>10MW 13942 7,365 14300 7,550 14500 7,656 15000 7,920

Idro<10MW 2187 1,787 2400 1,954 2600 2,116 3000 2,442

Geotermia 559 0,859 650 1,051 700 1,132 800 1,294

Eolico 119 0,026 700 0,308 1400 0,616 2500 1,100

Fotovoltaico 16 0,003 25 0,006 100 0,024 300 0,073

Biomasse 192 0,125 380 0,502 800 1,056 2300 3,036

Rifiuti 89 0,055 350 0,385 500 0,550 800 0,880

Totale 17104 10,221 18805 11,756 20600 13,151 24700 16,744

Situazione italianaSituazione italianaSituazione della produzione di energia termicaenergia termica da fonti

rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al 2008-2012 (fonte: libro bianco per la valorizzazione

energetica delle fonti rinnovabili, 1999.

Tecnologia1997 2002 2006 2008-2012

Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep Mtep

Biocombustibili 0,060 0,280 0,220 0,544 0,484 0,940 0,880

Solare termico 0,008 0,056 0,048 0,111 0,103 0,222 0,214

Geotermia 0,213 0,250 0,037 0,300 0,087 0,400 0,187

Biomasse 1,070 1,400 0,330 1,600 0,530 1,750 0,680

Rifiuti 0,096 0,120 0,024 0,160 0,064 0,200 0,104

Totale 1,447 2,106 0,659 2,715 1,268 3,512 2,065

Situazione italiana 2011Situazione italiana 2011

Produzione da bioenergie per Regione nel 2010 (GWh)

ProduzioneProduzioneda da

BIOMASSEBIOMASSE

ProduzioneProduzioneda da

BIOLIQUIDIBIOLIQUIDI

ProduzioneProduzioneda RU da RU

BIODEGRADABILIBIODEGRADABILI

Prospettive per l’energia dalle Prospettive per l’energia dalle Biomasse in ItaliaBiomasse in Italia

Sembra ragionevole ritenere che l’entità del contributo massimo a regime nei confronti del fabbisogno energetico italiano da parte delle biomasse, a medio termine, possa arrivare a superare i 5 Mtep/anno;

In Italia esite un potenziale (prevalentemente da residui agro-industriali e urbani) tali da consentire l’installazione di circa 3000 MW di potenza elettrica

Assenza di adeguate iniziative imprenditoriali, malgrado gli interessanti incentivi in conto capitale previsti dalla legge 10/91.

Occorrono nuove figure professionali, imprenditori ed operatori, come, ad esempio, quella dell’ “agricoltore-esercente di impianto termico” (consorzi di operatori agricoli) con la partecipazione di operatori qualificati con esperienza specifica nel settore della produzione dell’energia.

Biomasse più interessanti:o residui agro-industriali;o rifiuti solidi urbani;o coltivazioni energetiche di accertata economicità.

Benefici attribuibili all’impiego Benefici attribuibili all’impiego diffuso delle biomasse diffuso delle biomasse

r idu zio ne d e lla d ip end en za ene rge ticar ic on v e rs ion e d e l se tto re a g r ico lov a lo riz za zio ne e co no m ica de iso tto p ro do tt i e d e i res id u i o rg a n icir is pa rm io n e i c os ti d i de pu raz io nee s m a lt im e n tos tim o lo a lle in du str ie de l se tto re

B E N E F IC I E C O N O M IC I

a pe r tu ra de l m erca to de ll'e ne rg iaa g li op era to r i a g r ico lid ive rs i fic az io ne e in teg ra zion e de llefo n ti d i red d ito d e l se tto re ag r ico loo ccu pa zion e in zon e m a rg ina lir idu zio ne d e ll'esod o da lle cam pa gne

B E N E F IC I S O C IA L I

r idu zio ne d e lle e m iss ion i d ia n id rid e ca rbo n ica ne ll'a tm os fe rar idu zion e de lle e m iss io n i ne ll'a r iad e i p r inc ip a li in qu inan ti d i o r ig in e fo ss i lep o ss ib li tà d i sm a lt ire n o te v o li q ua n ti tàd i r i f iu t i e res idu i o rg an ic i in m an ie raa m b ien ta lm e n te co rre tta re cu p eran dop a rte d e ll'en e rg ia in es si co n te nu taco n tro llo d e ll'e ros ion e e d e l d isses toid ro ge o lo g ico d i zo ne co llin a r i e m on tane

B E N E FIC I A M B IE N T A LI

B E N E FIC I A T T R IB U IB IL I A L LAD IF FU S IO N E D E L LE B IO E N E R G IE

Confronto delle emissioni di COConfronto delle emissioni di CO22 tra tra

gasolio e biodieselgasolio e biodiesel PRODOTTO

g DI CO2 PER MJ DI LAVORO

PRODOTTO DAL MOTORE

RIDUZIONE DI CO2

RISPETTO AL GASOLIO (%)

senza allocazione con allocazione

Biodiesel da colzaBiodiesel da girasole

141,38137,44

72,3671,60

38,1-68,339,8-68,7

Gasolio 228,45 -

La stima della quantità di CO2 assorbita da una foresta o da altre tipologie di vegetazione

o International Panel on Climate Change (IPCC), 2000: per una foresta in clima temperato - assorbimento massimo pari a 0,5 t/ha.anno di carbonio (1,8 t/ha.anno di CO2);

o International Panel on Climate Change (IPCC), 2001: la forestazione di territori equatoriali non forestali può portare - accumulo complessivo massimo di 215 t/ha di carbonio (4,3

t/ha.anno di CO2); o International Energy Agency (IEA): 40.000 km2 di foresta per accumulare, in circa 75 anni,

1 miliardo di tonnellate di carbonio, corrispondenti a 3,6 miliardi di tonnellate di anidride carbonica. (12 t/ha.anno);

o Wackernagel M. et al., 1997: 1 ha di foresta è in grado di assorbire la CO2 derivante dalla produzione di 100 GJ di energia.

Biocarburanti di seconda Biocarburanti di seconda generazionegenerazione

Prima generazionePrima generazione da materie prime da materie prime alimentari (es.biodiesel da semi alimentari (es.biodiesel da semi oleaginosi, bioetanolo da mais o da oleaginosi, bioetanolo da mais o da canna da zucchero)canna da zucchero)

Seconda generazione Seconda generazione da materie da materie organiche non alimentari (non hanno organiche non alimentari (non hanno impatto sulla filiera agroalimentare)impatto sulla filiera agroalimentare)


Biomassa lignocellulosicaBiomassa lignocellulosicaÈ abbondante È abbondante Non è competitiva con le colture Non è competitiva con le colture

alimentari alimentari Contiene emicellulosa e cellulosa Contiene emicellulosa e cellulosa

(polimeri di zuccheri) da cui produrre (polimeri di zuccheri) da cui produrre biogas o bioetanolo.biogas o bioetanolo.

Filiere di produzione dei Filiere di produzione dei biocarburantibiocarburanti

ENEA 2011

Biodiesel di II generazioneBiodiesel di II generazione Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o

animali (anche con caratteristiche chimico-fisiche animali (anche con caratteristiche chimico-fisiche che danno scarsa resa nella conversione in che danno scarsa resa nella conversione in biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni impianti industriali di grandi dimensioni (es. ENI)impianti industriali di grandi dimensioni (es. ENI)

Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e successivo reforming dell’olio ottenuto (bio-olio). È successivo reforming dell’olio ottenuto (bio-olio). È ancora in fase sperimanetaleancora in fase sperimanetale

Gassificazione della biomassaGassificazione della biomassa

Biodiesel di II generazioneBiodiesel di II generazione Biodiesel da microalgheBiodiesel da microalghe Le alghe sono formate da lipidi, Le alghe sono formate da lipidi,

proteine e carboidrati (come le piante) proteine e carboidrati (come le piante)

Coltura Resa stimata (litri/ha*anno)

Soia 400

Girasole 800

Jatropa 2.000

Olio di palma 6.000

Microalghe 60.000

Scelta della specie idonea, Scelta della specie idonea, crescita e raccoltacrescita e raccolta

Estrazione frazionata: viene Estrazione frazionata: viene prima la componente lipidica prima la componente lipidica con solventi (es. esano, con solventi (es. esano, cloroformio, metanolo) poi si cloroformio, metanolo) poi si convertono carboidrati e convertono carboidrati e proteineproteine

trasformazione con pirolisi, trasformazione con pirolisi, gassificazionegassificazione

Bioetanolo di II generazioneBioetanolo di II generazione Processo biologico: idrolisi enzimatica di materiali Processo biologico: idrolisi enzimatica di materiali

lignocellulosici e successiva (o contemporanea) fermentazione lignocellulosici e successiva (o contemporanea) fermentazione degli zuccheri provenienti da cellulosa ed emicellulose. Questa degli zuccheri provenienti da cellulosa ed emicellulose. Questa tecnologia è attualmente al centro di un rinnovato interesse da tecnologia è attualmente al centro di un rinnovato interesse da parte della comunità scientifica internazionale .parte della comunità scientifica internazionale .

Processo termochimico: gassificazione della biomassa per Processo termochimico: gassificazione della biomassa per produrre di syngas (Hprodurre di syngas (H22 e CO) e successiva fermentazione del e CO) e successiva fermentazione del

syngas.syngas.

Resa per 1 ettaro (ha) di terreno coltivato a mais e frumento

Bioetanolo

Prima Generazione 3 t/ha

Seconda generazione 10 t/ha

BTL FuelsBTL Fuels

Dimetil-etere Dimetil-etere (DME)(DME) Bio-metanoloBio-metanolo Miscele di alcoli ed altri composti organici ossigenatiMiscele di alcoli ed altri composti organici ossigenati

Sono ottenuti via gassificazione e sintesi catalitica Sono ottenuti via gassificazione e sintesi catalitica genericamente indicati come BTL (genericamente indicati come BTL (Biomass to liquidsBiomass to liquids) ) Fuels. Fuels.

Sono processi attualmente oggetto di sperimentazione Sono processi attualmente oggetto di sperimentazione a livello di laboratorio o impianti di piccola scala.a livello di laboratorio o impianti di piccola scala.

Stato di avanzamento delle tecnologie per la Stato di avanzamento delle tecnologie per la produzione di biocarburanti al 2011produzione di biocarburanti al 2011

Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione Energetica prof. ing. Francesco Asdrubali

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Transcript of Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione Energetica prof. ing. Francesco Asdrubali