Università degli Studi di Perugia Facoltà di Ingegneria Corsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica e per lAmbiente e il Territorio Corso di Impatto ambientale Modulo b) Aspetti energetici prof. ing. Francesco Asdrubali a.a. 2007/08 Energia dalle Biomasse

Biomasse Con il termine biomasse si intendono sostanze di origine biologica in forma non fossile: materiali e residui di origine agricola e forestale; materiali e residui di origine agricola e forestale; prodotti secondari e scarti dellindustria agroalimentare; prodotti secondari e scarti dellindustria agroalimentare; reflui di origine zootecnica; reflui di origine zootecnica; rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 % in peso). rifiuti urbani (in cui la frazione organica raggiunge, mediamente, il 40 % in 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 clorofilliana Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano lapporto energetico dellirraggiamento solare per convertire lanidride carbonica atmosferica e lacqua nelle complesse molecole di cui sono costituiti o che compaiono nei loro processi vitali: carboidrati, lignina, proteine, lipidi, oltre a un numero praticamente illimitato di prodotti secondari di ogni tipo, secondo la reazione Solo la parte visibile dello spettro solare (circa il 45% del totale) interviene nella fotosintesi; un ulteriore 20% dellenergia si perde per fenomeni di riflessione o cattivo assorbimento dovuto alla densità del fogliame tonnellate di carbonio allanno 70 miliardi di tonnellate di petrolio Attraverso il processo di fotosintesi vengono fissate complessivamente circa tonnellate di carbonio allanno, con un contenuto energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte lattuale fabbisogno energetico mondiale

Tipologie di Biomasse Biomasse Residui organici forestali vegetali Trasformazione tecnologica di prodotti e consumi Alimentari Non alimentari agricoli Animali Vegetali Colture energetiche acquaticheterrestri

Principali colture utilizzabili per la produzione 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 lelevata 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.

Principali colture utilizzabili per la produzione di energia COLTUREAREAPROBLEMATICHE Sorgo granellaCollina Grano Pianura/collina asciutta Sorgo zuccherinoPianura irriguaBreve periodo di raccolta BietolaPianura irrigua Breve periodo di raccolta Costi TopinamburCollina asciuttaRotazione difficile Elenco colture per etanolo

Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture per oli esterificati COLTUREAREAPROBLEMATICHE GirasolePianura/collinaScelte varietali ColzaVarie Adattamento Scelte varietali Brassica CarinataVarieScarsa sperimentazione CartamoAsciutto Tecniche agronomiche non consolidate RicinoVarie Tecniche agronomiche non consolidate Cynara Card.AsciuttoRese variabili Crambe ab. Tecniche agronomiche non consolidate

Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimici COLTUREPROBLEMATICHE ANNUALI Sorgo fibraSfruttamento terreno POLIENNALI Arundo donaxSperimentazioni limitate MiscanthusSperimentazioni limitate GinestraRaccolta Cynara Card.Rese variabili S.R.F.Tecniche da mettere a punto, Costo trapianto

Impieghi della materia organica fotosintetica trasformata Conversione in energia termica e/o elettrica e produzione di biocombustibili solidi (ad es. pellets) o liquidi (es. biodiesel, bioetanolo, ecc.); Biomateriali per lindustria edilizia ed abitativa e per la produzione di compositi; Fibre tessili; Cellulosa, carta ed assimilati; Fertilizzanti o ammendanti per i terreni agrari; Prodotti per lindustria (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 alluso energetico delle Biomasse 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 lintero arco dellanno. 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 essere asservita una superficie agricola in grado di approvvigionare la materia prima sufficiente per il funzionamento. Leconomicità di un impianto dipende dalla minore distanza esistente tra limpianto ed il baricentro massico delle biomasse.

Aspetti positivi e negativi dellimpiego delle biomasse VANTAGGISVANTAGGI 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 dallagricoltura e conseguente occupazione nelle zone rurali; Ciclo di emissioni di CO 2 : le piante la riassorbono durante la loro crescita (fotosintesi) Necessarie grandi aree a causa della bassa densità energetica: superficie minima ha, produzione superiore a 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 cè 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 lanno Contenuto di umidità variabile

Tecnologie per limpiego energetico delle Biomasse Combustione; Combustione; Gassificazione; Gassificazione; Pirolisi Pirolisi

Combustione I 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

Combustione Principali problematiche allutilizzo degli impianti di combustione di Biomasse: Lapprovvigionamento della biomassa a costi contenuti: questo è un fattore chiave anche in presenza di una buona valorizzazione dellenergia 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 generazione di energia elettrica Biomassa ligno-cellulosa Piccole potenze 5 – 1000 kW Caldaie associate a motori Stirling Caldaie associate a cicli ORC Gassificatori associati a motori endotermici Medie potenze 1 – 5 MW Caldaie o gassificatori associati a cicli ORC o a vapore Gassificarori associati a cicli Brayton Elevate potenze 5 – 50 MW Caldaie o gassificatori associati a cicli vapore Gassificatori associati a cicli Brayton o combinati

Teleriscaldamento e biomasse Affinché 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.

Biocombustibili Impatto ambientale più contenuto rispetto ai combustibili di origine fossile; utilizzare materiali di scarto che solitamente non vengono utilizzati. Luso di carburanti per autotrazione di origine vegetale risale ai primi del 900 (Henry Ford); nel 1938 gli impiani del Kansas producevano già t/anno di bioetanolo. linteresse americano per i biocombustibili decadde dopo la Seconda Guerra Mondiale in conseguenza dellenorme 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 lutilizzo delletanolo). Clean Air ACT (1990): restrizioni sulle benzine, per migliorare la qualità dellaria nelle aree metropolitane più inquinate. Ma alletanolo fu preferita ladozione dellMTBE (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-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; Letanolo 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 alluso 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.

Caratteristiche chimico-fisiche delletanolo e della benzina Caratteristiche chimico-fisiche delletanolo 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 lalcool etilico e la benzina, le potenze esprimibili nei motori sono allincirca equivalenti, per le diverse caratteristiche di combustione degli alcoli rispetto alla benzina: Caratteristiche Unità di misura EtanoloBenzina FormulaCH 3 -CH 2 -CH Miscela idrocarburi - additivi Densitàg/cm 3 0,789 (a 20°C)0,740 (a 15°C) Potere Calorifico InferioreKcal/kg Temperatura di ebollizione°C78,330 ÷ 200 Temperatura di congelamento°C-11,4Sotto i -50 Calore di evaporazioneKcal/kg200,685 Punto di infiammabilità°C21Da -40 a 40 Numero di ottano10698 – 102 (super)

Risvolti energetici, ambientali ed economici Consumi oIl potere calorifico delletanolo è inferiore a quello della benzina, la miscelazione di questi determina a parità di altre condizioni un peggioramento del consumo calcolato (Km/Litro). oLaddizione dellossigeno, 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. Emissioni oIl 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 CO 2 ); la CO 2 verrà assorbita dalle nuove biomasse coltivate per produrre altro biocombustibile oEliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene; Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti; oAumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide. Vantaggi dellimpiego di ETBE come additivo antidetonante oElevato rapporto quantitativo tra carbonio e idrogeno; oContenuto di ossigeno legato pari al 15%.

Produzione di Bio-etanolo Principale materia prima per la produzione di bioetanolo: o Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate allanno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati); o Barbabietola da zucchero - 0,26 miliardi di tonnellate allanno. 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/m 3 ; o Il potenziale produttivo mondiale di bioetanolo, è stimato intorno ai due miliardi di tonnellate allanno (0,5 miliardi di tonnellate allanno dallo zucchero e 1,5 miliardi di tonnellate allanno da biomassa lignocellulosica); o Luso del bioetanolo nel settore dei trasporti (20% del consumo attuale) raggiungerà 550 milioni di tonnellate allanno. 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-diesel Si 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: Estrazione Meccanica (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 dellintero processo è il seguente: 1000 kg di olio raffinato kg di metanolo = 1000 kg di biodiesel kg di glicerolo

Impiego del bio-diesel nei motori oIl 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; oLe miscele con gasolio, sino al 30% in volume, possono essere utilizzate senza significative modifiche al motore (verificare la compatibilità dei materiali costitutivi dellimpianto di iniezione, con particolare riferimento alle gomme butiliche); oLolio lubrificante è diluito dal biodiesel, per cui si deve avere laccortezza di sostituire lolio con maggiore frequenza (in particolare con sistemi di iniezione con pompe in linea); oProblemi nel funzionamento del motore alle basse temperature (punto di otturamento a freddo del biodiesel è di –9°C, contro i – 22°C del gasolio); oElevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante; oIl potere calorifico inferiore del biodiesel è inferiore di circa il 13% rispetto a quello del gasolio (32,8 MJ/dm 3 contro 35,6 MJ/dm 3 ), ma ciò è parzialmente compensato dalla maggiore densità (0,88-0,89 kg/m 3 contro 0,83-0,85 kg/m 3 a 15°C). oIl 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 economici Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile. Emissioni (biodiesel quale combustibile puro): o SO 2 : è presente il contributo di SO 2 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 NO x : 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 CO 2 : 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-diesel La 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 t del 1991 alle del 1998; La produzione effettiva corrispondente è passata dalle t del 1991 alle t del 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 t/a a fronte di una produzione di t (rapporto tra produzione effettiva e capacità produttiva pari a circa il 51%)

Dislocazione mondiale di impianti con una potenza maggiore di 5 GW

Situazione italiana BIOMASSAUTENZEDISPONIBILITAUSO ATTUALE USO FUTURO Legno e residui agricoli forestali Domestiche e rurali Rifiuti agro- industriali Aziende agro- industriali municipalizzate TOTALE Biomasse residuali per la produzione di energia termica ed elettrica in Italia (Mtep/anno)

Situazione italiana Energia 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) MWe TWh/anno ENERGIA TERMICA Costi investimento (/kWt) Costo dellenergia (/Mcal) ENERGIA ELETTRICA Costi investimento (/kWe) Costo dellenergia (/kWh)

Situazione italiana Fonti energetiche rinnovabili: equivalente dellenergia da fonti fossili sostituita. anni (ktep) Idroelettrica Eolica Solare Geotermia RSU Legna ed assim Biocomb Biogas Totale non tradizionali

Situazione italiana energia elettrica Situazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, 1999) Tecnologia MW e MtepMW e MtepMW e MtepMW e Mtep Idro>10MW139427, , , ,920 Idro<10MW21871, , , ,442 Geotermia5590, , , ,294 Eolico1190, , , ,100 Fotovoltaico160,003250, , ,073 Biomasse1920, , , ,036 Rifiuti890, , , ,880 Totale , , , ,744

Situazione italiana energia termica Situazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, Tecnologia Mtep Biocombustibili0,0600,2800,2200,5440,4840,9400,880 Solare termico0,0080,0560,0480,1110,1030,2220,214 Geotermia0,2130,2500,0370,3000,0870,4000,187 Biomasse1,0701,4000,3301,6000,5301,7500,680 Rifiuti0,0960,1200,0240,1600,0640,2000,104 Totale1,4472,1060,6592,7151,2683,5122,065

Situazione italiana Legna da ardere (stima da indagine campionaria ENEA- CIRM) 5417 Legna ed assimilati in impianti per teleriscaldamento0810 Legna ed assimilati in aziende per la produzione di calore946 Legna ed assimilati in impianti per generazione di elettricità (e calore) collegati alla rete elettrica Totale Consumo di energia da legna ed assimilati per tipo di applicazione (kTep)

Situazione italiana Localizzazione regionale degli impianti a biomasse e rifiuti

Prospettive per lenergia dalle Biomasse in Italia Sembra ragionevole ritenere che lentità 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 linstallazione 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 dellenergia. Biomasse più interessanti: o residui agro-industriali; o rifiuti solidi urbani; o coltivazioni energetiche di accertata economicità.

Benefici attribuibili allimpiego diffuso delle biomasse