Progetto cluster Energie Rinnovabili

REPUBBLICA ITALIANA

Cagliari, 7 novembre 2014

Potenzialità delle biomasse nel settore industriale

Efisio A. Scano

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Le biomasse comprendono tutti i materiali organici che si originano o sono recentemente derivati da organismi viventi Le biomasse permangono negli ecosistemi oppure sono impiegate come materie prime per la produzione di alimenti, sostanze chimiche e energia Le biomasse che non sono impiegate per l’alimentazione umana e animale prodotte dalle attività agricole e forestali sono anche definite Risorse Rinnovabili La rinnovabilità è la caratteristica fondamentale per avviare la transizione da un’economia basata sulle risorse fossili ad una più sostenibile basata sulle biomasse

Biomasse

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Input Agricoli

Produzione di biomasse

Commercio di biomasse

Input bioraffineria

Combustibilida

bioraffineria

Chemicals da

bioraffineria

Chimica A valle

Energia elettrica e

Termica da biomasse

Microrganismi, enzimi, pretrattamenti chimici

Fermentazione in massa

Polimerizzazione Altre reazioni chimiche a valle

Aggregazione Logistica Commercio

Colture dedicate Canna da zucchero Forestazioni a ciclo breve

Semi Fertilizzanti Protezione delle colture

Catena del valore di prodotti ottenuti da biomasse

Fonte: IEA Task 42 Bioenergy

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Impiego industriale delle biomasse agricole

Gli oli, i grassi, i carboidrati e gli zuccheri dominano il panorama delle materie prime di derivazione agricola rappresentando circa l’80% delle risorse rinnovabili trattate industrialmente. Esempi di materiali ottenibili sono rappresentati da:

Tensioattivi basati su acidi grassi, alcoli grassi o zuccheri Adesivi basti su acidi grassi Pitture e vernici basati su olio di semi di lino e olio di sego Lubrificanti basati su esteri degli acidi grassi Poliuretani basati su oli vegetali modificati Fibre cellulosiche Materassi di lattice ottenuti da gomma naturale Aromi naturali Polimeri funzionali basati su cellulosa Intermedi da processi chimici o biotecnologici

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Impieghi delle biomasse in campo economico

Biomasse

Conversione energetica

Energia elettrica

Energia Termica

Biocombustibili liquidi e solidi

Impieghi industriali

Materie prime per processi chimici e biotecnologici

Edilizia

Materiali da costruzione Bioedilizia

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Amidacee (Mais,

Frumento)

Zuccherine (Canna, Sorgo)

Oleaginose (Colza, Soia,

Girasole)

Ligno-cellulosiche, (Pioppo, Miscanto)

Frazione umida, FORSU,

Reflui

Microalghe, Cianobatteri

Residui forestali /agricoli/

industria legno

Estrazione succo

Estrazione e depurazione

Combustione

Gassificazione

Pirolisi

Compattazione essiccazione

Idrolisi

Digestione anaerobica

Estrazione e depurazione

Liquefazione e saccarificazione

Trasporti, eneria elettrica energia termica

Energia elettrica energia termica

Trasporti, energia elettrica energia termica

Energia termica

BIOGAS

Fermentazione e distillazione

ETANOLO Zuccheri

Olio vegetale

Trans esterificazione

BIODIESEL

Motore diesel di tipo navale

Pellet, cippato, bricchetti

Stufe, Caldaie

SYNGAS Motore / Turbina

gas, Fuel cell

Turbine a vapore, Motore Stirling, Impianto ORC

Energia termica

Motore/Turbina gas, Fuel cell, Motore

diesel

Zuccheri Fermentazione e distillazione ETANOLO

BIODIESEL Olio vegetale

Trans esterificazione

Le Biomasse in campo energetico

C/N <30 U%>30

C/N >30 U% <30

GAS/OLI

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Struttura della domanda e distribuzione delle biomasse a scopo energetico

Richiesta di suolo Uso del suolo Produzione di energia

Richiesta primaria Fornitura primaria Biomassa residua

Richiesta di alimenti

Richiesta di legname

Alimenti

Bestiame

Legna da ardere

Legname industriale

Produzione nazionale

Produzione di alimenti

Legname industriale e da

ardere

Mercato internazionale

Colture dedicate

Surplus legna da ardere

Suolo restante

Residui della raccolta Residui di processo

Scarti animali Scarti domestici

Residui della raccolta Residui di processo Residui di legname

Bioenergia Primaria

Colture zuccherine Colture amidacee

Colture oleaginose Colture cellulosiche

Surplus crescita forestale

Fonte: International Renewable Energy Agency 2014

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Impieghi delle Biomasse per settore nel 2010

62,46%

14,41%

8,54%

8,01%

4,80% 0,71% 1,07%

Usi commerciali e residenziali

Industria

Trasporti

Produzione di energia elettrica e termica

Altri usi nel settore dell'energia

Altri usi finali

Usi non energetici

Dato complessivo 56,2 EJ/anno

Fonte: International Renewable Energy Agency 2014

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Stima della domanda di Biomasse per il 2030

28,70%

18,52% 19,44%

33,33%

Trasporti

Usi commerciali e residenziali

Industria

Energia elettrica e termica

Fonte: International Renewable Energy Agency 2014 Dato complessivo 108,0 EJ/anno

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La filiera del biogas

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La generazione distribuita è una strategia nel processo di produzione e distribuzione dell’energia introdotta negli ultimi anni L’energia elettrica è prodotta in prossimità dell’utenza da centrali di potenza variabile da pochi kWe a diversi MWe

L’energia elettrica è immessa nella rete di distribuzione a media o bassa tensione

Biomasse e generazione distribuita dell’energia

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Le biomasse in campo industriale Le biomasse possono essere impiegate come materie prime all’interno di processi industriali integrati che sfruttano il concetto di Bioraffineria “La bioraffineria è la trasformazione sostenibile delle biomasse in uno spettro di prodotti commerciabili (alimenti, alimenti per zootecnia, materiali, chemicals) ed energia ( combustibili, energia elettrica e termica)” Una bioraffineria può impiegare tutte le tipologie di biomasse quali colture legnose, erbacee, residui forestali, residui organici, biomasse acquatiche (micro e macroalghe), residui agroindustriali

Fonte: IEA Bioenergy Task 42

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Le biomasse in campo industriale

Fonte: IEA Bioenergy Task 42

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Le biomasse in campo industriale

Materiali erbacei

Frazionamento e pressatura

Separazione della fibra

Succo organico

Digestione Anaerobica

Estrazione

Upgrading

Biogas

Biomateriali Biometano Fertilizzante

Green Biorefinery

Impianto Dimostrativo

Acidi organici e aminoacidi

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Le biomasse in campo industriale

Residui

lignocellulosici

Pretrattamento

Pirolisi

Olio

pirolitico

Idrogenazione upgrading

Separazione Frazionamento

Reazioni chimiche

Combustione

Biocombustibile Polimeri (resine)

Aromi per alimenti

Energia elettrica e termica

RTPTM

Rapid Thermal Processing

Resa in olio 66-75%

Ensyn – Canada

100 t ss/d

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Le biomasse in campo industriale

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

La Cannabis Sativa è una pianta erbacea a ciclo annuale con uno stelo sottile che varia in altezza da 1,5 a 4,5 m ed un diametro da 0,5 a 2,0 cm, a seconda delle tipologie Lo stelo è composto da una superficie esterna, contenente fibre lunghe e molto resistenti generalmente utilizzate per l’industria tessile e cartacea, e da un nucleo interno legnoso, detto canapulo

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

La fibra corta di canapa semimacerata in campo, liberata dal canapulo, è detta anche “lana di canapa” e viene utilizzata per produrre pannelli isolanti e fonoassorbenti

Il canapulo, detto anche “legno di canapa”, ha un potere di assorbimento dei liquidi circa 12 volte superiore alla paglia e 3,5 volte superiore al truciolo di legno e pari a 5 volte il suo peso

Il conglomerato di calce e canapa ha una conducibilità compresa tra 0.05 e 0.07 W/mK e quindi è un buon isolante termico . La densità apparente è compresa tra i 200 e i 350 kg /m3

La struttura del conglomerato di calce e canapa consente la fuoriuscita dell’umidità con la minimizzazione della formazione di condense interstiziali che sono la causa principale del deterioramento dei materiali da costruzione

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

calce canapulo

biocomposto

Il biocomposto è un materiale totalmente riciclabile perché il muro una volta che si sgretola può essere facilmente reimpastato. Se destinato allo smaltimento si decompone in modo naturale

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

Struttura in canapa e calce

Nel corso del 2012 il suo utilizzo, in tutto il mondo, ha permesso di risparmiare 43,2 tonnellate di CO2

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materiale tipo tipo applicazione λ[W/mK] ρ [kg/m³] μ

canapa materassino intercapedini orizzontali 0,040 22 2

canna lacustre pannello pareti, soffitti 0,056 190 1

cocco fibre ,

materassino intercapedini orizzontali 0,057 60 1

fibra di legno materassino intercapedini orizzontali 0,040 80 100

fibra di legno

intonacabile pannello pareti 0,045 200 10

lana di legno

mineralizzata pannello portaintonaco 0,100 400 4

lana di pecora materassino intercapedini orizzontali 0,040 28 2

lino materassino intercapedini orizzontali 0,040 30 1

paglia pannello pavimenti, pareti, soffitti 0,058 175 1

sughero espanso pannello pavimenti, pareti, soffitti 0,040 100 10

sughero

granulato sfuso

intercapedini

orizzontali, verticali 0,040 120 9

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

Il Municipio di Midden - Defland

La struttura è composta da cinque padiglioni ed è coperta con un tetto di incannucciato e paglia

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

The Hotchkiss School's new biomass building

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

The Hotchkiss School's new biomass building

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

la Biq House è un edificio rivestito con 129 pannelli verticali a base di “bioreattori”. Un totale di 200 mq di superficie, ricoperti da strutture alimentate da micro-alghe. I pannelli hanno la funzione di isolare l’edificio, attraverso un sistema di coibentazione naturale

Hamburg 2013

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

Particolari dei pannelli

I 129 pannelli sono costruiti in vetro e al loro interno sono contenute delle microalghe che esplicano la fotosintesi clorofilliana

I pannelli hanno la funzione di isolare l’edificio, attraverso un sistema di coibentazione naturale

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BIOMASSE E BIOEDILIZIA

I pannelli sono orientabili secondo il principio impiegato per i collettori solari Le alghe sono alimentate automaticamente con nutrienti ed anidride carbonica Le alghe crescono in funzione all’intensità della luce, quindi la loro azione isolante è maggiore durante il periodo estivo. L’eccesso di calore è immagazzinato in appositi tanks per essere impiegato successivamente Una volta che le alghe hanno raggiunto una certa concentrazione sono raccolte ed inviate ad un’unità dedicata per la produzione di biogas che è sottoposto a combustione per la produzione di calore

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Grazie per l’attenzione !