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

1. Università degli Studi di PerugiaFacoltà di IngegneriaCorsi di laurea specialistica in Ingegneria Meccanica Corso di Impatto ambientale Modulo Pianificazione Energetica prof. ing. Francesco Asdrubali a.a. 2012/13 Energia dalle Biomasse

2. Biomasse Con il termine “biomasse” si intendono sostanze di origine biologica in forma non fossile: • materiali e residui di origine agricola e forestale; • prodotti secondari e scarti dell’industria agroalimentare; • reflui di origine zootecnica; • 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.

3. Fotosintesi clorofilliana Tramite il processo di fotosintesi clorofilliana, i vegetali utilizzano l’apporto energetico dell’irraggiamento solare per convertire l’anidride carbonica atmosferica e l’acqua 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% 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 21011 tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa 10 volte l’attuale fabbisogno energetico mondiale

4. Tipologie di Biomasse

5. 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 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.

6. Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture per etanolo

7. Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture per oli esterificati

8. Principali colture utilizzabili per la produzione di energia Elenco colture ligno-cellulosiche per processi termochimici

9. 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. 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 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 vegetalisu 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.

10. Vincoli all’uso 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 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.

11. Aspetti positivi e negativi dell’impiego delle biomasse

12. Tecnologie per l’impiego energetico delle Biomasse • Combustione; • Gassificazione; • Pirolisi

13. 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

14. Combustione Schemi impiantistici, per impianti inferiori a 0,5 MW, : • Combustione a fiamma inversa con alimentazione manuale del combustibile; • Combustione di tipo convenzionale (o ancora a fiamma inversa) con tramoggia di alimentazione e relativo bruciatore automatico. Schemi impiantistici per impianti superiori a 0,5 MW: • Accumulo di materiale ligno-cellulosico sminuzzato a tenori di umidità molto variabili (anche fino al 50%); • Prelevamento automatico del combustibile dall’accumulo o carico di tramogge con mezzi gommati; • Introduzione del combustibile in caldaia in quantità dipendente dalla temperatura dei fumi e dell’acqua circolante nella caldaia stessa; • Introduzione di aria comburente per mantenere un prefissato tenore di ossigeno nei fumi; • Sistema di abbattimento del particolato con cicloni.

15. Combustione 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.

16. Possibilità di conversione per la generazione di energia elettrica

17. 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.

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

19. 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; • 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.

20. Caratteristiche chimico-fisiche dell’etanolo e della benzina 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: • 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.

21. Risvolti energetici, ambientali ed economici • Consumi • 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). • 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. • Emissioni • 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 • Eliminazione degli ossidi di zolfo, dei composti aromatici e in particolare del benzene; Riduzione delle emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti; • Aumento delle emissioni di formaldeide e quelle di acetaldeide. • Vantaggi dell’impiego di ETBE come additivo antidetonante • Elevato rapporto quantitativo tra carbonio e idrogeno; • Contenuto di ossigeno legato pari al 15%.

22. Produzione di Bio-etanolo • Principale materia prima per la produzione di bioetanolo: • Canna da zucchero - la cui produzione ammonta a 1,1 miliardi di tonnellate all’anno (provenienti da 17,6 milioni di ettari coltivati); • 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. • Il costo marginale per il bioetanolo è di $180/m3; • 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); • 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: • miscele gasolio-etanolo puro; • gasolio riformulato con ETBE; • uso di bioetanolo per macchine agricole.

23. 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 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 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).

24. Impiego del bio-diesel nei motori • 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; • 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); • 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); • 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); • Elevato potere detergente dei biodiesel: precoce ostruzione dei filtri carburante; • 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). • 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.

25. Risvolti energetici, ambientali ed economici • Consumi - 2-3%, non è comunque percepibile. • Emissioni(biodiesel quale combustibile puro): • SO2: è presente il contributo di SO2 da parte dell’ olio lubrificante che viene bruciato; • CO: apprezzabile riduzione delle emissioni di CO (5-8%); • 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; • NOx: incremento delle emissioni di NOx (15% circa); • Opacità (FSN): drasticamente inferiore a quella prodotta dal gasolio (30% al 70%); • 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; • CO2: non comporta alcuna emissione netta in atmosfera; • Biodegradabilità : elevata (99,6% in 21 gg.), in caso di dispersione accidentale, il biodiesel non inquina né il suolo né le acque.

26. 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 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%)

27. Produzione di Bio-dieselin Italia 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. 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 semi: colza: 1-4 t/ha; girasole 1-4 t/ha; soia 2-6 t/ha; palma-cocco: 4-6 t/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%.

28. Quadro internazionale:evoluzione storica Evoluzione del contributo percentuale delle biomasse sul totale della produzione di energia in alcuni paesi dell’America Latina. 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).

29. Quadro internazionale:evoluzione storica Consumo specifico di legna da ardere per alcune industrie rurali (America Latina 1991)

30. Quadro internazionale:evoluzione storica Impianti dimostrativi per la produzione di elettricità da colture energetiche negli USA

31. Quadro internazionale:recenti tendenze

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

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

34. 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

35. Situazione italiana Situazione della produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al 2008-2012 (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, 1999)

36. Situazione italiana Situazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili al 1997 e previsioni di sviluppo al 2008-2012 (fonte: libro bianco per la valorizzazione energetica delle fonti rinnovabili, 1999.

37. Situazione italiana 2011

39. Produzione da bioenergie per Regione nel 2010 (GWh)

40. Produzione da BIOMASSE

41. Produzione da BIOLIQUIDI

42. Produzione da RU BIODEGRADABILI

43. Prospettive per l’energia dalle Biomasse 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: • residui agro-industriali; • rifiuti solidi urbani; • coltivazioni energetiche di accertata economicità.

44. Benefici attribuibili all’impiego diffuso delle biomasse

45. Confronto delle emissioni di CO2 tra gasolio e biodiesel La stima della quantità di CO2 assorbita da una foresta o da altre tipologie di vegetazione • 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); • 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); • 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); • Wackernagel M. et al., 1997:1 ha di foresta è in grado di assorbire la CO2 derivante dalla produzione di 100 GJ di energia.

46. Biocarburanti di seconda generazione • Prima generazione da materie prime alimentari (es.biodiesel da semi oleaginosi, bioetanolo da mais o da canna da zucchero) • Seconda generazione  da materie organiche non alimentari (non hanno impatto sulla filiera agroalimentare)

47. Biocarburanti di seconda generazione • Biomassa lignocellulosica • È abbondante • Non è competitiva con le colture alimentari • Contiene emicellulosa e cellulosa (polimeri di zuccheri) da cui produrre biogas o bioetanolo.

48. Biocarburanti di seconda generazione

49. Filiere di produzione dei biocarburanti ENEA 2011

50. Biodiesel di II generazione • Idrogenazione catalitica di oli e grassi vegetali o animali (anche con caratteristiche chimico-fisiche che danno scarsa resa nella conversione in biodiesel convenzionale). Sono già attivi alcuni impianti industriali di grandi dimensioni (es. ENI) • Fast pirolisi di biomasse lignocellulosiche, e successivo reforming dell’olio ottenuto (bio-olio). È ancora in fase sperimanetale • Gassificazione della biomassa