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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
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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:
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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
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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
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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)
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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.).
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Proposta di progetto europeo
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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
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Residui da produzione di succhi e vino
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Residui da coltivazione in serra
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Residui da mercati ortofrutticoli
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Residui vegetali da industria di trasformazione
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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
1/5
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
2
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)
5
Sintesi dimetanolo
Chimico Conversione catalitica di syngas in CH3OH e H2O, seguita da distillazione per la produzione dimetanolo puro
5
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
3
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
1
Macinatura epressatura
Meccanico Riduzione di biomassa in piccoli pezzi per facilitarne il trattamento successivo 3/5
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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
1
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
1/2
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)
5
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).
4
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
1
Pirolisi flash Termo-chimico
Pirolisi ad altissima temperatura e tempi di reazione molto corti per massimizzare la produzione di bio-oli
1
Gasificazionecon acquasupercritica
Termo-chimico
Trattamento di biomasse con acqua supercritica (>22 MPa, >375°C) per la produzione di gas ricco inH2
2/5
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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).
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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%
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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)
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BIO-ERB - Schema
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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
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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
A. Contin – Impianti a biomasse – 25/9/2009 22
BIO-ERB - Sequestro CO2
Schwarze Pumpepower station,Germania (stoccaggiogeologico dopoliquefazione)
Hazelwood powerstation, Latrobe Valley,Victoria, Australia(carbonato di calcio)
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Esempi di bioraffinerie in Europa: Porto di Ghent
A. Contin – Impianti a biomasse – 25/9/2009 24
Esempi di bioraffinerie in Europa: Bazancourt/Pomacle
A. Contin – Impianti a biomasse – 25/9/2009 25
Esempi di bioraffinerie in Europa: Bazancourt/Pomacle