Biocombustibili liquidi

Corso di Fonti Rinnovabili Prof. Ing. Marco Beccali

Energia da biomasse

Biocombustibili liquidi Prof. Beccali - Fonti Rinnovabili

Bioenergia

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Introduzione

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BIOCOMBUSTIBILI ! Sono composti organici (spesso in miscele solide, gassose, o liquide) usabili come combustibili;

! Tipologie: " Biomasse solide (per lo pi di tipo cellulosico

legno, carbone pirolitico, scarti urbani e agricoli) " Biocombustibili liquidi:

Bio-diesel Bio-alcoli

" Biogas (gas di elaborazione di residui organici da parte di batteri per lo pi anaerobici, in particolare CH4 e singas);

! I biocombustibili sono stati impiegati dalluomo da molto tempo ma in forma poco elaborata (legno, oli).

Introduzione

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BIOCOMBUSTIBILI

Sono prodotti direttamente (con semplici pre-trattramenti) o indirettamente (tramite processi di trasformazione termochimici e biochimici) a partire dalla biomassa. Dai biocombustibili si ottiene la bioenergia.

Biocombustibili Liquidi

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COSA SONO: " I biocombustibili sono combustibili costituiti da esteri, alcoli, eteri, ed altri composti da biomasse;

" Si tratta di combustibili rinnovabili producibili in ogni clima sfruttando pratiche agricole gi sviluppate;

"I biocombustibili pi comuni includono: etanolo e biodiesel.

# Letanolo prodotto da amidi e zucchero, tipicamente da grano o mais. # Il biodiesel una miscela di esteri proveniente da grassi o oli.

Fermentazione alcolica

una forma di metabolismo energetico che avviene in alcuni lieviti in assenza di ossigeno. Essa operata da una particolare classe di microrganismi, i Saccharomyces, dei quali il pi comune senz'altro il cerevisiae, presente sulla buccia delluva come nel lievito di birra.

La fermentazione si svolge in due fasi: 1.nella prima il lievito scinde, tramite un enzima, gli zuccheri complessi (come il saccarosio)in zuccheri pi semplici:

enzimi

C12H22O11 + H2O C6H12O6 + C6H12O6

2.nella seconda avviene la formazione di etanolo (alcol etilico) ad opera di microrganismi tipo Saccharomyces Cerevisiae

C6H12O6 + batteri n batteri+ 2 C2H5OH + 2 CO2

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Fermentazione alcolica

Le specie che meglio si adattano a questa conversione energetica sono:

# Materiali Zuccherini # Materiali Amilacei # Materiali lignocellulosici

Si definisce BIOETANOLO quello prodotto a partire da biomasse di tipo cellulosico, ovvero dalla gran parte dei prodotti o sottoprodotti delle coltivazioni.


Bioetanolo

Lottenimento di alcool etilico implica una produzione massiccia di vegetali ricchi in zuccheri e la loro successiva fermentazione. Il materiale di base di partenza in genere lamido (ottenuto dal grano, barbabietola da zucchero ed altri prodotti). Questa produzione pu incidentalmente risolvere alcuni aspetti di preservazione del suolo, oggigiorno allarmanti, come pure problemi di sovrapproduzione che ha riflessi sul mondo rurale.



Bioetanolo

Bioetanolo Processo della Arkenol

La cellulosa, essiccata al 10%, viene decristallizzata aggiungendo acido solforico.

Acido:cellulosa=1.25:1

Successivamente si opera lidrolisi abbassando la concentrazione dellacido al 20-30%e si esegue un riscaldamento (Zuccheri).

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Bioetanolo

caratterizzato da due stati di processo, il primo che prevede lidrolisi dellemicellulosa e il secondo che prevede lidrolisi della cellulosa.

Processo con Acido diluito

Processo di Idrolisi Enzimatica

SHF (Idrolisi e Fermentazione Separata)

SSF (Simultanea Saccarificazione e Fermentazione)

TRICHODERMA VIRIDE

Etanolo

Europa Nuove direttive EU prevedono una introduzione del 20% nel 2020 Biocombustibili (mix di biodiesel e bioetanolo) 2% nel 2005, 6% nel 2010, 8% nel 2020


Bioetanolo

In campo energetico, letanolo pu essere utilizzato direttamente come componente per benzine o per la preparazione dell'ETBE (EtilTerButilEtere), un derivato alto-ottanico alternativo all'MTBE (MetilTerButilEtere), entrambi adoperati come additivi dei combustibili per la riduzione delle emissioni inquinanti.

Letanolo pu essere aggiunto nelle benzine per una percentuale che pu arrivare fino al 30% senza dover modificare in nessun modo il motore o, adottando alcuni accorgimenti tecnici anche al 100% come in Brasile dove, per ragioni di politica energetica locale, l'etanolo stato utilizzato per diversi anni anche come carburante "unico" in sostituzione della benzina.


Bioetanolo

Potenziali rese in etanolo per varie materie prime a base di amido e cellulosa


Filiera etanolo e derivati


Biodiesel

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Per biodiesel si intende quella parte di combustibili ottenibili da colture oleaginose che producono olii vegetali, che con opportuni accorgimenti possono essere utilizzati in autoveicoli.

Gli oli vegetali non sono tutti uguali, ogni specie oleaginosa produce un olio con caratteristiche specifiche, alcune delle quali ne influenzano le modalit di utilizzo. Tutti, comunque, si caratterizzano per la loro elevata viscosit, per il minore potere calorifico (mediamente inferiore del 15 % a quello degli oli minerali), per la scarsa distillabilit a pressione atmosferica.

Oli Vegetali

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CARATTERISTICHE # ACIDITA;

gli oli grezzi hanno una acidit totale circa 3 volte maggiore quella degli oli raffinati;

# MASSA VOLUMICA; si aggira attorno a 0.91 kg/dm3, ma varia in funzione della specie oleaginosa e della temperatura di misurazione;

# POTERE CALORIFICO; se misurato sulla massa mediamente inferiore del 15-20% rispetto al gasolio, mentre se misurato sui volumi la differenza scende al 10-11%;

# PUNTO DI FUSIONE; certi tipi di oli vegetali solidificano gi a 10-15C; altri, soprattutto quelli ad elevato numero di acidi insaturi (i.e. soia e colza) mantengono il loro stato liquido fino a temperature attorno a zero gradi;

Oli Vegetali

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CARATTERISTICHE

#PUNTO DI INFIAMMABILITA; per l'olio di girasole questo parametro si aggira attorno a 214 C (300 C il valore medio per gli oli), mentre per il gasolio di 60-73 C. La notevole differenza pu essere attribuita alla maggiore lunghezza della catena carboniosa e al grado di insaturazione (da 3 a 6 doppi legami) dell'olio.

#PUNTO DI INTORBIDIMENTO E DI SCORRIMENTO; in molti oli i due valori sono pi alti rispetto al gasolio. Ad esempio nell'olio grezzo di girasole il primo di -8C e il secondo di -15 C, mentre il gasolio a pari condizioni fa registrare -9C e -18,5C rispettivamente.

# STABILITA ALLOSSIDAZIONE; il valore di ossidazione per l'olio di girasole di 78,3 mg/100 ml e per l'olio di colza di 86,8 mg/100 ml.

Oli Vegetali

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Introduzione

$ Tutti gli oli vegetali sono dei potenziali carburanti, anche tali e quali; sarebbe possibile utilizzarli in motori diesel in percentuali variabili dipendenti dal tipo di sistema di iniezione.

$ Generalmente possibile utilizzare dal 5 al 30% di olio in gasolio d'inverno e dal 30 al 70% in estate; l'olio di colza quello maggiormente sperimentato.

Oli Vegetali

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Composizione

L'olio vegetale una miscela di:

Acidi grassi liberi Glicerolo Monogliceridi, Digliceridi, Trigliceridi Fosfatidi Lipoproteine Glicolipidi Cere Terpeni e altri composti

Oli Vegetali

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Le oleaginose sono ricche di materie proteiche che, dopo l'estrazione dell'olio, sono impiegabili nell'alimentazione animale sotto forma di panelli. I principali oli sono estratti dalla soia, dal colza, dalla palma e dal girasole.

Su scala mondiale i paesi caldi risultano esportatori e i paesi temperati, in particolare la UE, sono dei forti importatori; l'UE non copre che dal 25 al 30% dei suoi bisogni.

La soia la principale fonte di olio vegetale nel mondo. Gli Stati Uniti, da soli, producono pi del 50% della produzione mondiale di soia. Circa l'80% della produzione mondiale di semi oleosi rappresentato soltanto da soia, girasole e colza

Biodiesel

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Catena del biodisel

Pressatura semi da olio

Transesterizzazione

Purificazione

Glicerolo Olio Glicerolo

grezzo

Pannelli Biodisel Glicerolo Puro

Metanolo

Oli Vegetali

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Ciclo di Estrazione Conferimento della materia prima Il seme, pulito, viene introdotto nella tramoggia di rifornimento. Un sistema di trasporto munito di coclee di alimentazione e di elevatori trasferisce il prodotto nel silo di deposito. La capacit del silo deve consentire una alimentazione continua della spremitura. Sezione presse Un sistema di distribuzione convoglia il seme alle presse a coclea. In questa sezione lolio viene spremuto con alta resa e fluisce al serbatoio di deposito. Il panello ottenuto viene trasportato in un apposito silo da dove viene prelevato a mezzo autocarro per servire quale foraggio. Purificazione dellolio grezzo A valle del serbatoio di deposito dellolio grezzo installato un filtro a pressione che ha il compito di depurare lolio. Il filtro viene periodicamente liberato dal residuo solido, che viene aggiunto al panello. La resa in olio del processo di estrazione variabile; dalla colza e dal girasole si estrae circa il 36-38% in peso di olio. E' ovviamente una resa media influenzata dalle modalit di estrazione e dalla specie vegetale.

Biodiesel

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TRANSESTERIFICAZIONE La transesterificazione (o esterificazione) ha come risultato pi evidente la rottura della molecola del trigliceride in tre molecole pi piccole e quindi meno viscose. Il prodotto finale sar dato dal biodiesel e dalla glicerina.

1000 kg di olio raffinato + 100 kg metanolo = 1000kg biodiesel + 100 kg glicerolo

Biodiesel

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TRANSESTERIFICAZIONE Lolio viene esterificato in modo discontinuo in due tempi. La qualit di olio e di miscela con metanolo vengono dosate da appositi misuratori di flusso ed introdotte nel primo recipiente di transesterificazione. Successivamente il fluido si separa in due fasi distinte. La fase glicerina si deposita sul fondo del recipiente e viene trasferita al serbatoio di deposito. Il Metilestere viene trasferito ad un altro recipiente ed esterificato una seconda volta con lo stesso procedimento per mezzo della miscela metanolo-catalizzatore. Non appena la prima esterificazione terminata e i fluidi vengono trasferiti alle seguenti fasi del procedimento, pu avere inizio un nuovo ciclo di esterificazione.

Separazione del metanolo Il contenuto di metanolo rimasto disciolto

nel metilestere deve venire ridotto al valore minimo richiesto per ottenere il punto di

infiammabilit prescritto. La separazione del metanolo avviene in una colonna, insieme

alleliminazione dei residui di glicerina..

Biodiesel

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TRANSESTERIFICAZIONE

Controllo di qualit del metilestere In un apposito recipiente vengono misurati il punto di infiammabilit ed il contenuto in saponi potassici.

Dopo lesito positivo del controllo di qualit, il prodotto trasferito al serbatoio di deposito e poi alla stazione di rifornimento.

Metilestere o Biodiesel: Il metilestere viene usato in alternativa al gasolio e pu venire impiegato in

tutti i convenzionali motori a ciclo diesel.

Biodiesel

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Altri Prodotti

Panello: Viene avviato negli allevamenti come mangime concentrato ad

elevato conenuto proteico.

Glicerina: Ottenuta come sottoprodotto della

reazione di produzione, dopo essere stata raffinata,

viene venduta alle industrie farmaceutiche e

cosmetiche.

Biodiesel

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Per accelerare il processo si opera in due modi:

aggiunta di metanolo/etanolo in eccesso (tipicamente in rapporto 1:6); eliminazione della glicerina formata.

Esistono comunque differenti tecnologie di processo:

A) Processo a medio-alta temperatura: Utilizzato per grandi impianti; utilizza catalizzatore basico;

B) Processo a temperatura ambiente: Utilizzato per piccoli impianti (1000-3000 t/anno). Richiede poca energia ed relativamente economico. Anchesso utilizza catalisi basica;

C) Processo continuo ad alta temperatura e pressione: Consente di lavorare oli acidi e di ottenere glicerina di buona qualit (che non richiede successiva raffinazione).

Biodiesel

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Biodiesel

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ASPETTI AMBIENTALI

Non contribuisce alleffetto serra poich restituisce allaria solo la quantit di anidride carbonica utilizzata da colza, soia e girasole durante la loro crescita;

Riduce le emissioni di monossido di carbonio (- 35%) e di idrocarburi incombusti (- 20%) emessi nellatmosfera;

Non contenendo zolfo, il biodiesel non produce una sostanza altamente inquinante come il biossido di zolfo e consente maggiore efficienza alle marmitte catalitiche;

Diminuisce, rispetto al gasolio, la fumosit dei gas di scarico emessi dai motori diesel e dagli impianti di riscaldamento (-70%)

Biodiesel

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ASPETTI AMBIENTALI

Non contiene sostanze pericolosissime per la salute, quali gli idrocarburi aromatici (benzene, toluene ed omologhi) o policiclici aromatici;

Giova al motore grazie ad un superiore potere detergente che previene le incrostazioni;

Non presenta pericoli, come lautocombustione, durante la fase di di trasporto e di stoccaggio;

La sua diffusione determina lattivazione di un circuito virtuoso che promuove lo sviluppo di produzioni agricole non destinate alla alimentazione (non food).

Biodiesel

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Bilancio Life Cycle Assessmen

L'analisi del ciclo di vita prevede la scomposizione della catena produttiva del sistema studiato in tante frazioni elementari e per ognuna di queste si raccolgono informazioni relative agli input e agli output relativi.

La fase finale dello studio costituita dall'aggregazione dei dati ottenuti per ogni singola unit in modo da ottenere il bilancio generale dell'intero ciclo di vita.

In pratica sono descritti gli aspetti delle singole unit elementari nelle quali stata suddivisa la parte agricola della catena produttiva del biocombustibile (coltivazione delle colture oleaginose), le operazioni relative processo tecnologico (estrazione) e gli aspetti legati allutilizzo finale.

Biodiesel

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Bilancio Life Cycle Assessment Le unit base dell'intera filiera sono:

1. Sistema di riferimento agricolo: rappresenta la coltura che viene sostituita dalla coltura energetica e quindi non pi in grado di creare impatti all'ambiente. (Viene calcolato come un credito per la coltura energetica).

2. Produzione di semi 3. Lavorazione del terreno 4. Semina 5. Fertilizzazione 6. Trattamenti chimici 7. Raccolta 8. Trasporto allo stoccaggio 9. Stoccaggio 10. Trasporto all'impianto : comprende il trasporto mediante camion

dall'azienda all'impianto di trasformazione.

Biodiesel

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Bilancio Life Cycle Assessment Le unit base dell'intera filiera sono:

10. Lavorazione industriale: comprende tutte le operazioni industriali, i macchinari, gli impianti e i fabbricati utilizzati dal momento del ricevimento del seme al trasporto finale (escluso) del prodotto finito (biodiesel). Comprende perci lo stoccaggio, l'estrazione, la raffinazione, la transesterificazione.

11. Trasporto al consumo: comprende il trasporto mediante autobotte del biodiesel al consumo finale.

Per ogni unit sono stati analizzati gli input di energia, di materiali e di macchine e sono stati conteggiati gli output (emissioni).

Biodiesel

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Bilancio Energetico Approssimativamente possibile stabilire che lestrazione/coltivazione dellolio di semi richiede circa il 41% dellenergia dellintero processo, la raffinazione ne richiede il 23%, mentre la transesterificazione ne richiede il 5% ed il restante 31% rappresenta il contenuto energetico del metanolo.

Energia per produrlo

Energia ricavata dal Biodiesel Energia ricavata dai sottoprodotti

26- 35

42- 50 31- 37

Bilancio energetico per la produzione di Biodiesel [GJ/ha] (SHARMER & GOSSE )

Le variabilit dei valori dipende dalla raffinatezza del processo produttivo adottato. Trattandosi di una fonte energetica rinnovabile il bilancio risulta essere sempre pi che positivo.

Importantissimo inoltre il contributo ai fini energetici dei sottoprodotti che gi da soli renderebbero il processo vantaggioso.

Nel caso di impiego di oli usati, i vantaggi sono ulteriormente amplificati.

LCA Girasole

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Come si pu osservare il sistema di riferimento agricolo negativo in quanto costituisce un credito per la coltura energetica. Un notevole peso nel consumo energetico dell'intera catena rappresentato dalla fertilizzazione che richiede un terzo dell'energia fossile utilizzata nell'intera filiera e circa il 60% dell'energia richiesta per la fase di trasformazione industriale del prodotto.

Consumo di energia fossile (espresso in MJ per kg di biodiesel prodotto) per ogni frazione della catena di "biodiesel da olio di girasole" e per i tre Paesi coinvolti nello studio.

LCA Colza

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Anche in questo caso l'analisi della catena mette in evidenza un'elevato consumo di energia fossile nella fase di fertilizzazione dovuto ad abbonante utilizzo di fertilizzanti (la cui produzione comporta elevati costi energetici); come si pu osservare tale frazione comporta un dispendio energetico superiore a quello della fase di trasformazione dei semi in metilestere.

Consumo di energia fossile (espresso in MJ per kg di biodiesel prodotto) per ogni unit della catena di "biodiesel da olio di colza" e per i cinque Paesi coinvolti nello studio.

Biodiesel

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Confronto dell'energia richiesta dalle due filiere con quella richiesta per la produzione del gasolio per produrre un MJ di combustibile.

In Germania sostituendo il gasolio con il biodiesel per ogni MJ di combustibile si risparmiano circa 0,96 MJ di energia fossile. Per ogni kg di gasolio sostituito da biodiesel si risparmiano circa 40 MJ di energia fossile

Biodiesel

39 L'analisi del ciclo di vita estesa agli aspetti ambientali coinvolge, oltre alle singole unit di processo individuate precedentemente, anche le emissioni allo scarico dovute all'uso finale del biodiesel.

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