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Tecnologie – Biomassa

1.  Principi 2.  Tipologie

a)  Combustione b)  Biocombustibili liquidi c)  Biocombustibili gassosi

3.  Bioraffinerie

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Principi

•  Piante coltivate e scarti di lavorazione agricole e boschive seccate ➟ combustibile

•  Piante da semi oleaginosi ➟ olio esterificato (biodiesel) •  Piante produttrici di amido o glucosio ➟ etanolo •  Biomassa fermentata (anaerobica) ➟ biogas combustibile •  Biomassa pirolizzata ➟ bioolii combustibili (o sostitutivi del

petrolio nell’industria chimica)

Tutti questi sistemi producono, nella fase d’uso, altrettanta CO2 di quanta ne è sequestrata nella biomassa e sono quindi neutri da questo punto di vista.

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Combustione

Parametri: •  tipologia del combustibile:

•  alberi da foresta •  residui da gestione forestale •  alberi da coltivazione specifica (Short rotation forestry) •  residui della lavorazione del legno •  segatura •  paglia (da frumento) •  stocchi e residui di mais

•  contenuto in acqua •  bagnato (umidità > 60% in peso) •  secco (umidità < 20% in peso)

•  dimensioni (rapporto superficie/volume) •  contenuto di ceneri

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Processo di combustione

Fotosintesi: CO2 + 2H2O ⟶ CH2O + O2 + H2O Combustione: Cx Hy Oz + (x + y/4 – z/2) O2 ⟶ xCO2 + (y/2) H2O Altre emissioni dirette:

• Oxides of Azoto ((NOx – N dall’aria) • Sulfuri (SOx – S nel legno: 0.01÷0.03%) • Acido cloridrico (HCl) • Ossido di carbonio (CO), idrocarburi e VOC (da combustione incompleta) • Formaldeide e Fenoli • Metalli pesanti (cadmio, piombo e mercurio) • Protossido di Azoto (N2O)

Emissioni indirette:

• metano (CH4) dalla conservazione Ceneri:

• dall’1% (legno dolce – conifere) al 6÷16% (legno duro) • ceneri volatili (da sottrarre prima dell’emissione al camino) • ceneri solide (da sottrarre alla camera di combustione)

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Metodi di combustione (eff.=80/95%) Alimentazione

• dal basso (ma necessita di avere poche ceneri) • di lato (con nastri trasportatori o iniettori)

Griglia fissa • pezzatura uniforme • basso tasso di umidità • poche ceneri • fino a 25÷500 kW

Griglia mobile • pezzatura qualsiasi • sopporta tassi di umidità più alti • anche molte ceneri • da 500 kW a 10 MW

Letto fluido • ugelli per mescolare il letto fatto da un mix di silice calda (90%) e biomassa (10%) • temperatura: 800÷900°C • elevati coefficienti di scambio termico • possibilità di rimozione di molti inquinanti acidi (SO2, HCl, HF) durante la combustione, mediante l’aggiunta al letto di assorbenti selettivi • termodistruzione di molte specie nocive (es. diossine) • unica soluzione sopra i 10 MW (e termovalorizzatori)

letto fluido

griglia mobile

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Contenuto energetico

Fonte: Oak Ridge National Laboratory

1.  http://www1.eere.energy.gov/biomass/feedstock_databases.html 2.  Jenkins, B., Properties of Biomass, Appendix to Biomass Energy Fundamentals, EPRI Report TR-102107, January, 1993. 3.  Jenkins, B., Baxter, L., Miles, T. Jr., and Miles, T., Combustion Properties of Biomass, Fuel Processing Technology 54, pg.

17-46, 98 4.  Tillman, David, Wood as an Energy Resource, Academic Press, New York, 1978 5.  Bushnell, D., Biomass Fuel Characterization: Testing and Evaluating the Combustion Characteristics of Selected Biomass

Fuels, BPA report, 1989 6.  http://www.ecn.nl/phyllis

Low-high value Low-high value Fuel type & source MJ/kg MJ/kg kcal/kg kcal/kg Agricultural Residues         Corn stalks/stover (1,2,6) 16.8 18.5 4000 4400 Sugarcane bagasse (1,2,6) 17.7 19.4 4200 4600 Wheat straw (1,2,6) 15.1 18.9 3600 4500 Hulls, shells, prunings (2,3) 15.8 20.5 3800 4900 Fruit pits (2-3) 7.7 8.6 1800 2100 Herbaceous Crops Miscanthus (6) 17.8 19.6 4300 4700 switchgrass (1,3,6) 16.8 19.1 4000 4600 Other grasses (6) 16.9 18.6 4000 4400 Bamboo (6) 19.0 19.8 4500 4700 Woody Crops Black locust (1,6) 18.5 19.9 4400 4800 Eucalyptus (1,2,6) 18.0 19.6 4300 4700 Hybrid poplar (1,3,6) 17.7 19.7 4200 4700 Willow (2,3,6) 16.7 19.7 4000 4700

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Contenuto energetico

Fonte: Oak Ridge National Laboratory

1.  http://www1.eere.energy.gov/biomass/feedstock_databases.html 2.  Jenkins, B., Properties of Biomass, Appendix to Biomass Energy Fundamentals, EPRI Report TR-102107, January, 1993. 3.  Jenkins, B., Baxter, L., Miles, T. Jr., and Miles, T., Combustion Properties of Biomass, Fuel Processing Technology 54, pg.

17-46, 98 4.  Tillman, David, Wood as an Energy Resource, Academic Press, New York, 1978 5.  Bushnell, D., Biomass Fuel Characterization: Testing and Evaluating the Combustion Characteristics of Selected Biomass

Fuels, BPA report, 1989 6.  http://www.ecn.nl/phyllis

Low-high value Low-high value Fuel type & source MJ/kg MJ/kg kcal/kg kcal/kg Forest Residues Hardwood wood (2,6) 18.6 20.7 4400 4900 Softwood wood (1,2,3,4,5,6) 17.5 21.1 4200 5000 Urban Residues MSW (2,6) 12.0 19.9 2900 4800 RDF (2,6) 14.3 19.9 3400 4800 Newspaper (2,6) 18.4 22.2 4400 5300 Corrugated paper (2,6) 17.0 18.5 4100 4400 Waxed cartons (2) 25.3 27.3 6000 6500

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Stufe/camini da casa

Potenza: 5÷20 kW

pellet

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Biodiesel

Gli oli vegetali in presenza di catalizzatori alcalini (idrossido di sodio o potassio), reagiscono con monoalcoli (in particolare metanolo), per formare i rispettivi esteri e, come prodotto secondario, glicerina grezza. Condizioni: bassa temperatura (65 °C) e pressione (1,5 atm.). Alta resa (98%), poche reazioni collaterali e basso tempo di reazione. Norma Europea: EN 14214 Norma USA: http://www.astm.org/BOOKSTORE/PUBS/1369.htm

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Biodiesel: problemi e vantaggi

• Il biodiesel puro solubilizza la gomma naturale. • Il biodiesel resiste peggio alle basse temperature.

• Il biodiesel non contiene né zolfo, né idrocarburi e neppure tracce di metalli pesanti o contaminanti.

• Il biodiesel è biodegradabile (rif. sversamenti). • Il biodiesel ha una temperatura di ignizione più alta.

• Il biodiesel produce meno CO2.

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Biodiesel: fonti

•  Olio vergine – colza e soia (90% del totale), pennycress (erba storna), jatropa, lino, girasole, mostarda, jojoba, olio di palma, olio di cocco, canapa, ecc.

•  Olio vegetale usato •  Grasso animale – sego, lardo, grasso di pollo, olio di pesce •  Alghe •  Alofite – ex.: Salicornia bigelovii (crescono in terreni salinizzati, non

adatti a coltivazione di cibo)

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Biodiesel: rese

gasolio attualmente usato per i trasporti nel Mondo: 1.4×1012 l/anno sostituzione completa: 1.7×1012 l/anno di biodiesel = 1.7 miliardi di ettari di colza = 17 milioni di chilometri quadrati = 1.7×Europa

l/ha GJ/ha Palma 4800 203 Cocco 2200 93 Colza 1000 42 Noccioline 800 34 Girasole 800 34 Soia 500 21 Lester R. Brown, Plan B 2.0 Rescuing a Planet Under Stress and a Civilization in Trouble (NY: W.W. Norton & Co., 2006). © 2006 Earth Policy Institute

biodiesel 0.88 kg/l 37.3 MJ/kg diesel 0.83 kg/l 42.7 MJ/kg VIII - 11

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Bioetanolo

Fonte: www.sugarcaneethanol.org

Il glucosio è prodotto nella fotosintesi: 6 CO2 + 6 H2O + luce → C6H12O6 + 6 O2 Durante la fermentazione, il glucosio si decompone in etanolo e anidride carbonica C6H12O6 → 2 C2H5OH+ 2 CO2 + calore

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Bioetanolo: problemi e vantaggi

• Il bioetanolo ha il 57% del potere caliorifico della benzina (il consumo in litri/100 km è del 50% più grande).

• Il bioetanolo contiene contaminanti (come Cl–) che sono corrosivi.

• Il bioetanolo produce più ozono troposferico. • Il bioetanolo è igroscopico, quindi deve essere conservato in contenitori sigillati e non può essere trasportato con oleodotti.

• Sotto i 10°C il bioetanolo dà problemi di partenza a freddo.

• Il bioetanolo può essere utilizzato ad un rapporto di compressione maggiore della benzina (e quindi con maggiore efficienza).

• Il bioetanolo produce molto meno particolato rispetto alla benzina.

• Il bioetanolo produce meno CO2 (calcoli da migliorare)

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Bioetanolo: fonti

•  Barbabietola •  Canna da Zucchero •  Cassava (Manioca) •  Sorgo •  Mais •  Grano

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Bioetanolo: rese

benzina attualmente usata per i trasporti nel Mondo: 1.25×1012 l/anno sostituzione completa: 2.2×1012 l/anno di bioetanolo = 670 milioni di ettari di mais = 6.7 milioni di chilometri quadrati = 0.6×Europe La produzione attuale è di 87×109 l/anno, cioè il 4% del consumo.

l/ha GJ/ha Barbabietola (Francia) 6700 230 Canna da Zucchero (Brasile) 6200 213 Cassava (Manioca) (Nigeria) 3800 131 Sorgo dolce (India) 3500 120 Mais (U.S.) 3300 113 Grano (Francia) 2600 89 Lester R. Brown, Plan B 2.0 Rescuing a Planet Under Stress and a Civilization in Trouble (NY: W.W. Norton & Co., 2006). © 2006 Earth Policy Institute

etanolo 0.789 kg/l 27.1 MJ/kg benzina 0.720 kg/l 43.6 MJ/kg VIII - 15

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Biogas

Componente C O N H P S K Na Ca Mg Fe Altro

% peso secco 50 20 14 8 3 1 1 1 0.5 0.5 0.5 0.5

Componenti del materiale cellulare

Materiale organico complesso

Mono e oligomeri (aminoacidi, zucchero, peptidi,

ecc.)

Prodotti intermedi(alcool, acidi grassi, acidi lattici, ecc.)

H2+CO2 Acido acetico

CH4+CO2

Idrolisi

Fermentazione

Ossidazione anaerobica

Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207

In principio, differenti collezioni di batteri

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Biodigestione

Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207

La reazione di biodigestione è iniziata da un inoculo derivato da reattori naturali (mucche) o da digestato da un processo precedente, che poi si adatta alla mistura di materiale specifica.

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Reattore naturale per la biodigestione

Inoculo Inoculo

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Composizione del biogas e upgrading

Substrato Produzione (m3 di CH4 /

tonnellata di frazione organica)

Residui cibo 400-600 Residui di frutta e vegetali 200-500

Letame 100-300 Residui macellazione 700 Cereali 300-400 Bietole 300-800 Insilato di grano 350-390 Erba 200-400 Paglia 100-320 Fanghi di depurazione 160-350 Residui di distillazione 300-400

Fonte: Anna Schnürer and Åsa Jarvis, Microbiological Handbook for Biogas Plants, Swedish Waste Management U2009:03, Swedish Gas Centre Report 207

 Produzione (m3 di biogas /tonnellata di frazione organica)

Composizione CH4: CO2 (%)

Carboidrati 0.38 50:50 Grassi 1 70:30 Proteine 0.53 60:40

In generale, la produzione da una mistura di substrati è maggiore della somma dei singoli substrati (presenza di micronutrienti, rapporto C/N, ecc.)

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Rifiuti 15000 t/anno Liquami 2000 t/anno

Insilato 4000 t/anno

Digestato solido 4000 t/anno

Digestato liquido 16000 t/anno

Impianto di produzione di biogas

Niklas Leksell, Impianto biogas di Västerås, Svezia VIII - 19

Pre-trattamento: • selezione • triturazione • deposito sabbie • sanitazione Post-trattamento: • separazione solido-liquido Digestore: 4000 m3

Input/Output: • Input: • 15000 t/anno di rifiuti • 2000 t/anno liquami • 4000 t/anno insilato

• Output: • 4000 t/anno di digestato solido (fertilizzante al fosforo) • 16000 t/anno di digestato liquido (fertilizzante all’azoto) • 1850 t/anno (2.6×106

m3/anno) di metano = 25000 MWh

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Biogas: problemi e vantaggi

• Il digestato può contenere batteri patogeni e non patogeni termoresistenti (Clostridium, Bacillus)

• Conversione di territorio agricolo a fine alimentare in territorio agricolo a fine energetico

• Cattivi odori

• Il biogas riduce la quantità di GHG nell’atmosfera perchè sottrae una parte della biomassa dalla digestione naturale con produzione di metano e N2O

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Biogas: criticità

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Criticità Biomassa Settore interessato

Sbilanciamento del rapporto C/N

Deiezioni avicole, sottoprodotti di origine animale, glicerina da processo di generazione del biodiesel

Avicoltura, macellazione, industria energetica

Sostanze inibenti, recalcitranti, tossiche

Acque di vegetazione delle olive, biomasse con elevato contenuto lignocellulosico, residui pirolitici

Agricoltura, oleario, avicoltura

Elevata diluizione del contenuto organico, bassa temperatura

Reflui caseari, liquami zootecnici Caseario, zootecnico

Scarti organici e/o loro miscele per le quali non sono a disposizione dati e/o esperienze reali di trattamento

Scarti di lavorazione provenienti dall’agroindustria, residui da pre e post-trattamenti di matrici organiche, siero di latte

Agricoltura, mangimistico, molitura, caseario

Elevata salinità Sottoprodotti di origine animale, alghe e microalghe, mucillagini

Industria ittica, acquacoltura, rifiuti

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Biogas da discarica

Stima delle emissioni di biogas dalle discariche di RSU. ROCCO PANDOLFO* - SALVATORE MASI* - SILVIO ASCOLI** La valutazione della produzione di biogas in discarica: il caso Montegrosso Pallareta

1.5 anni

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Disponibilità

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AEBIOM (European Biomass Association) - A Biogas Road Map for Europe

Characteristic figures 1 kg biomethane: 50 MJ 1 Nm3 biomethane: density: 0,72 1 Nm3 biomethane: 35,5 MJ, rounded: 36 MJ = 10 kWh 1 Nm3 biogas contains appr.: 0,60 Nm3 biomethane. Dry matter and organic dry matter 1 t maize contains: 95,0 % organic dry matter 1 t catch crops: 89,0 % organic dry matter 1 t green cutting: 88,0 % organic dry matter Gas yields 1 t organic maize produces: 350 Nm3 biomethane 1 t organic green cutting: 300 Nm3 biomethane 1 t organic catch crops: 320 Nm3 biomethane 1 t organic straw: 210 Nm3 biomethane 1 t organic cattle manure: 160 Nm3 biomethane 1 t organic pig manure: 310 Nm3 biomethane 1 t organic chicken litter: 290 Nm3 biomethane 1 t organic sludge: 260 Nm3 biomethane 1 t organic bio waste: 130 Nm3 biomethane Yield per ha: Maize (silage): 16 t/ha: 16*0,95*350 = 5.320 Nm3 = 191,52 GJ = 4,6 toe Winter catch crop: 7,5 t/ha: 7,5*0,89*320 = 2.136 Nm3 =76,90 GJ = 1,8 toe Autumn catch crop: 3,3 t/ha: 3.3*0,89*320 = 939,8 Nm3 = 33,83 GJ = 0,8 toe Catch crop average: 5 t/ha 5*0,89*320= 1424 Nm3 = 51,26 GJ = 1,2 toe Green cuttings: 8 t /ha: 8*0,88*300 = 2112 Nm3 = 76,00 GJ = 1,8 toe Calculation example 5% of the arable land used for biogas in Europe (5,43 million ha) could provide 23,4 millions toe of primary energy = available area * yield per ha (dry) * percentage of organics matter * m3 biomethane yield = 5,43 * 106 * 15 * 0,95 * 350 = 27,2 Gm3 biomethane = 23,4 Mtoe

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Pirolisi

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Olio

Char n a l y t i c a l

y r o l y s i s

n a l y t i c a l

y r o l y s i s

pirolisi prodotti di pirolisi volatili materiale

organico

300-1000 °C assenza di aria

residuo carbonioso

CIRSA

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Bio-olio

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pirolisi

FUELS Bio-com

bustibili

CHEMICALS bio-prodotti

Analogamente al petrolio, il bio-olio è una miscela complessa di composti dalla quale si possono ottenere combustibili e sostanze chimiche attraverso opportuni trattamenti.

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Bioraffinerie

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Impianti in grado di processare nel modo ottimale materiale organico al fine di produrre energia e materiali ad alto valore aggiunto (International Energy Agency - Bioenergy Task 42 www.biorefinery.nl/ieabioenergy-task42/)

Cereali Erba “bagnata”

Ligno- cellulosa

Zuccheri

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Biogas e Syngas

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Syngas: prodotto per riscaldamento (1800°C) a tenore di ossigeno estremamente basso composto da idrogeno (50%), monossido di carbonio (30%), anidride carbonica e metano.

Fuel cells (o processo Fischer-Tropsch per produrre idrocarburi)

Biogas: prodotto dalla fermentazione batterica anaerobica composto da metano (50-70%), CO2 (25-45%) e altro (5%)

Bruciatori a gas

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Determinazione utilizzo effettivo di biomasse - Italia

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Stima non ufficiale 2009

Federazione Italiana per l’uso Razionale dell’energia (FIRE), Giuseppe Tomassetti, Dati ufficiali, ufficiosi, prevedibili sulle biomasse ad uso energetico in Italia a fine 2010 e sulla copertura degli impegni al 2020

solo 4,3 Mtep contabilizzati

80% acquisita autonomamente o in commercio non formale