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Impianti a Biomasse

Prof. Andrea ContinCentro Interdipartimentale per la Ricerca nelle Scienze Ambientali (CIRSA)

Fonti energetiche rinnovabili: il futuro e il passato tra scienza e storia della scienza.Sala D’Attorre di Casa MelandriRavennaNotte dei Ricercatori, 25 settembre 2009

A. Contin – Impianti a biomasse – 25/9/2009 2

Considerazioni introduttive

• forte dipendenza da fonti importate e non rinnovabili;• prospettiva di riduzione della disponibilità delle riserve di combustibili

fossili più abbondanti e di facile estrazione, con conseguente tensionesui prezzi;

• lotta ai cambiamenti climatici che influenzeranno tutte le economieeuropee;

• predisposizione di soluzioni alternative in un lasso di tempo breve perpreparare le economie alle fonti rinnovabili, soprattutto in relazione alleinfrastrutture necessarie.

Problemi legati all’energia e alla trasformazione di materie prime cheincidono sulla sostenibilità economica, ambientale e sociale dell’UnioneEuropea:


Scale temporali

Politica: 10 anniGenerazioni: 100 anniCiviltà: 1000 anni

grande potenziale di siagrande potenziale di siada culture dedicate, siada culture dedicate, siada residuida residui

sola sorgente disola sorgente dicombustibile liquido per icombustibile liquido per itrasportitrasporti

sola sorgente rinnovabilesola sorgente rinnovabiledi prodotti chimicidi prodotti chimici


Uso di biomasse a fini energetici

Tipologia ProdottoPiante coltivate e scartidi lavorazione agricole eboschive seccate

combustibile

Piante da semioleaginosi

olio esterificato(biodiesel)

Piante produttrici diamido o glucosio

etanolo

Biomassa pirolizzata bioolii combustibiliBiomassa fermentata gas

Tipologia Prodotto

1 Piante coltivate e scarti dilavorazione agricole eboschive seccate

combustibile

2 Piante da semi oleaginosi olio esterificato(biodiesel)

3 Piante produttrici di amido oglucosio

etanolo

4 Biomassa pirolizzata biooliicombustibili

5 Biomassa fermentata gas


Bioraffinerie

Due strade:- impianti di grande taglia e multi-prodotto (ottimizzazione di scala, alti

investimenti, difficile integrazione con il territorio);- network di impianti di piccola taglia (migliore efficienza e accettabilità

locale, necessità di infrastrutture adeguate).

Bioraffineria: “Trasformazione di biomassa in un ampio spettro diprodotti ad alto valore aggiunto (prodotti chimici, materiali, cibo) edenergia (combustibili, elettricità, calore)”.

Una bioraffineria punta all’utilizzo ottimale delle biomasse, al fine disostituire sia i vettori energetici che i prodotti derivati attualmente dafonti fossili/non rinnovabili.

Da Energia a Materiali (inclusi vettori energetici)


Prodotti delle Bioraffinerie

• Combustibili per i trasporti (bioetanolo, biometano, syngas).

• Altri intermediari energetici (elettricità, calore, biogas, idrogeno).

• Prodotti chimici (acidi organici, proteine, fenoli, ecc.).

• Materiali (coloranti, adesivi, fertilizzanti, cibo, fibre, ecc.).


Proposta di progetto europeo


Principio guida di BIOSUPPORT: l’efficienza legata all’integrazione è piùimportante dell’efficienza legata all’aumento delle dimensioni dell’impianto.

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Residui lignocellulosici da agricoltura, foreste e industria


Residui da produzione di succhi e vino


Residui da coltivazione in serra


Residui da mercati ortofrutticoli


Residui vegetali da industria di trasformazione


Processi considerati

Processotecnologico

Tipo diprocesso

Descrizione Catena(*)

Fermentazionein bioetanolo

Biochimico Conversione di carboidrati in etanolo e altri prodotti chimici (molecole organiche e aminoacidi)catalizzata da microorganismi in assenza di ossigeno

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Digestioneanaerobica

Biochimico Conversione di materiale biodegradabile in CH4 e CO2 (utilizzabili per la produzione di energia) edigestato per fertilizzazione, catalizzata da microorganismi. in assenza di ossigeno

2/3/4/5

Idrolisienzimatica

Biochimico Conversione di cellulosa in monomeri di glucosio, catalizzata da enzimi cellulolitici, in ambiente a bassatemperatura e pH

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Sintesi diFischer-Tropsch(FT)

Chimico Sintesi di idrocarburi a catena lunga (CyHx)simili a benzina e gasolio per reazione di CO e H2 a bassa(200– 240°C) o alta temperatura (300–350°C) in presenza di catalitici metallici (ferro o cobalto)

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Sintesi dimetanolo

Chimico Conversione catalitica di syngas in CH3OH e H2O, seguita da distillazione per la produzione dimetanolo puro

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Estrazioneliquido-liquido

Estrazione Separazione di componenti attraverso differenze di solubilità in liquidi immiscibili diversi 2/3

Estrazionesolido-liquido

Estrazione Separazione di componenti attraverso estrazione da un solido in un liquido 2/3

Estrazione aCO2 supercritica

Estrazione Estrazione di matrici solide per mezzo di CO2 supercritica come solvente 2/3

Estrazione adantisolventesupercritico

Estrazione Estrazione di matrici solide per mezzo di CO2 supercritica per precipitazione di polimeri insolubili dissoltiin un cosolvente miscelato con la CO2

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Seccaggio Meccanico Rimozione dell’umidità da biomassa solida, liquida o semi-liquida attraverso il calore 3/5

Cippatura Meccanico Riduzione di biomassa lignocellulosica in piccoli pezzi o segatura per facilitarne il trattamentosuccessivo

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Macinatura epressatura

Meccanico Riduzione di biomassa in piccoli pezzi per facilitarne il trattamento successivo 3/5


Processi considerati (cont.)

Processotecnologico

Tipo diprocesso

Descrizione Catena(*)

Idrolisi acida Pre-trattamento

Trattamento di materiale lignocellulosico con acidi concentrati (H2SO4 and HCl) per convertire cellulosaeed emicellulosa in zuccheri C5 e C6

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Esplosione avapore

Pre-trattamento

Trattamento di materiale lignocellulosico ad alta pressione (0.69–4.83 MPa) e vapore saturo a 160–260°C, per la degradazione dell’emicellulosa e la facilitazione di trattamenti successivi

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Purificazione/Distillazione

Purificazione Trattamento per isolare i prodotti della conversione delle biomasse Tutte

Filtrazione amembrana

Separazione Isolamento e concentrazione di prodotti del trattamento di biomasse attraverso l’uso di barrieresemipermeabili di ceramica, metallo o materiali sintetici (alternativa all’uso di processi energivori quali ladistillazione)

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Pulizia delsyngas

Separazione Rimozione dei contaminanti (particolato, composti alcalici, H2S, HCl, NH3 e HCN) dal syngas mediantetrattamento “ad umido” a bassa temperatura e “a secco” ad alta temperatura

2/4/5

Gasificazione Termo-chimico

Trattamento delle biomasse ad alta temperatura (>700°C) con bassi livelli di ossigeno per la produzionedi syngas (mistura di H2, CO, CO2 e CH4).

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Combustione Termo-chimico

Combustione di biomassa in atmosfera ricca di ossigeno principalmente per la produzione di calore 1/3/5

Catalytic LowPressureConversion(KNV)

Termo-chimico

Conversione catalitica (con zeoliti) a bassa pressione per la produzione di prodotti chimici, carbone dilegna e gas condensabili

1/3

Pirolisi Termo-chimico

Conversione di biomasse in bio-oli,, prodotti chimici di base per l’industria farmaceutica, residuo solido(carbone di legna) e syngas ad alta temperatura (300-600°C) e in assenza di ossigeno

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Pirolisi flash Termo-chimico

Pirolisi ad altissima temperatura e tempi di reazione molto corti per massimizzare la produzione di bio-oli

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Gasificazionecon acquasupercritica

Termo-chimico

Trattamento di biomasse con acqua supercritica (>22 MPa, >375°C) per la produzione di gas ricco inH2

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Analisi di sistema

• Censimento della disponibilità di biomasse (con georeferenziazione).

• Censimento della disponibilità di industrie di processo (congeoreferenziazione).

• Analisi logistica e di filiera (ambientale, sociale ed economica).


Censimento biomasse Provincia RA: esempio

Componente zootecnica: le deiezionianimali

Fonti: AUSL,Servizio Veterinario Provinciale, A.P.A. 2006; ISTAT ,2000

Energia generabile da deiezionisuine e bovine nel Ravennate: 43

GWh/a

Risorsa utilizzata 0%


Logistica: esempio

Un piano territoriale per la riduzionedella concentrazione di CO2 in

atmosfera e per la produzione dienergia e materiali con biomasse

Prof. Andrea Contin, CIRSAIng. Marco Gonella, Studente di Dottorato, CIRSA,

CEO, MEDINGEGNERIA S.r.l., Ferrara

BIO-ERB(BIOmass Energy from River Basins)


BIO-ERB - Schema


BIO-ERB - Fiume PO

• 35% della produzione agricolaitaliana

• 1 milione di tonnellate all’annodi residui agricoli secchi dauna fascia di 10 km attornoall’asta principale

• 300 km navigabili• capacità di trasporto: 4 milioni

di tonnellate all’anno

Costi fissi:Costi fissi:•• Infrastrutture: 500 MInfrastrutture: 500 M€€•• Centrali: 225 M Centrali: 225 M€€ ((2500 2500 €€/MW/MWee))

Costi biomassa:Costi biomassa:•• 1 Mt all 1 Mt all’’anno: 55 Manno: 55 M€€

Analisi economica per lo scenario piAnalisi economica per lo scenario piùù semplice: semplice:6 centrali termoelettriche da 6 centrali termoelettriche da 15 15 MWMWe e ciascunaciascuna

Ricavi:Ricavi:•• Energia elettrica: 0,06 Energia elettrica: 0,06 €€/KWh/KWh•• Energia termica: 0,09 Energia termica: 0,09 €€/KWh/KWh•• Certificati verdi: 0,30 Certificati verdi: 0,30 €€/KWh/KWh

Ricavi totaliRicavi totali: 400 M: 400 M€€/anno/anno

RoI: da 2 a 3 anniRoI: da 2 a 3 anni


BIO-ERB - Fiume YANGTZE

• metà della produzione agricola cinese• 400 milioni di tonnellate all’anno di residui agricoli• 18000 km navigabili• capacità di trasporto: 1.3 miliardi di tonnellate

all’anno entro il 2010


BIO-ERB - Sequestro CO2

Schwarze Pumpepower station,Germania (stoccaggiogeologico dopoliquefazione)

Hazelwood powerstation, Latrobe Valley,Victoria, Australia(carbonato di calcio)


Esempi di bioraffinerie in Europa: Porto di Ghent


Esempi di bioraffinerie in Europa: Bazancourt/Pomacle

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