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Analisi dello stato dell`arte della ricerca

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1. Biogas semplici oli vegetali grezzi per l alimentazione di motori a combustione interna a ciclo Diesel motori che possono peraltro operare efficacemente anche in cogenerazione L impiego di specie vegetali ligno cellulosiche appare invece pi variegato e origina diverse filiere di produzione di combustibili derivati La filiera pi diffusa prevede un pi o meno complesso trattamento meccanico ed eventualmente termico delle biomasse grezze legna da piantagioni a ciclo 7 Di EI 0 campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA breve colture fibrose come il miscanto la canna il sorgo etc al fine di alimentare un convenzionale impianto di generazione elettrica a vapore oppure per produrre combustibili solidi per uso riscaldamento pellet Le filiere di conversione basate sulla produzione di combustibili gassosi e liquidi mediante processi di gassificazione e di pirolisi cosi come quella di produzione dell etanolo attraverso processi di idrolisi e fermentazione pur se molto interessanti in una prospettiva futura non hanno ancora raggiunto un sufficiente livello di maturita industriale Infine un altra importante filiera di conversione energetica delle biomasse quella basata sull impiego di reflui di tipo zootecnico e della frazione umida dei rifiuti solidi urbani per alimentare processi di digestione anaerobica con produzione di combustibili gassosi utilizzati poi per produrre energia elettrica e termica in m
2. Cardo 25 40 e SRF 200 235 Valori ottenuti da INEA CCIAA UNIMA IEA ITABIA e dati sperimentali del progetto europeo BioEnergy Chains from perennial crops in southern Europe ENK6 CT2001 00524 Considerato un prezzo della sostanza secca di 52 t ed il contributo comunitario per coltivazioni a destinazione energetica di 45 ha Taglio biennale Da Monti A Venturi G 2005 Modificata Figura 2 1 Colture da energia 11 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA umidit ceneri cloro zolfo etc e il miglioramento delle tecniche agronomiche per ridurre i costi di produzione In particolare uno degli aspetti agronomici pi studiati relativo alla ottimizzazione della produzione netta di energia in relazione all apporto di fertilizzanti e di acqua di irrigazione In effetti in molti casi la massimizzazione della produzione netta di energia si ottiene con ridotti apporti di fertilizzanti e di acqua Un altro importante aspetto da approfondire nei riguardi delle specie energetiche poliennali relativo all epoca ottimale di raccolta Infatti una raccolta ritardata consente di ridurre il tenore di umidit delle biomasse riducendo cos i costi di trasporto le problematiche di stoccaggio a lungo termine e il rendimento energetico dei processi di conversione energetica D altra parte una raccolta troppo ritardata determina anche maggiori perdite sul campo di sostanza s
3. 132 133 134 135 136 137 138 Hamelinck C N A P C Faaij H den Uil and H Boerrigter Production of FT transportation fuels from biomass technical options process analysis and optimisation and development potential Energy 2004 29 11 p 1743 1771 Hamelinck C N and A P C Faaij Future prospects for production of methanol and hydrogen from biomass Journal of Power Sources 2002 111 1 p 1 22 Chmielniak T and M Sciazko Co gasification of biomass and coal for methanol synthesis Applied Energy 2003 74 3 4 p 393 403 Semelsberger T A R L Borup and H L Greene Dimethyl ether DME as an alternative fuel Journal of Power Sources 2006 156 2 p 497 511 Galindo Cifre P and O Badr Renewable hydrogen utilisation for the production of methanol Energy Conversion and Management 2007 48 2 p 519 527 Zhang Q J Chang T Wang and Y Xu Review of biomass pyrolysis oil properties and upgrading research Energy Conversion and Management 2007 48 1 p 87 92 Zhang S Y Yan T Li and Z Ren Upgrading of liquid fuel from the pyrolysis of biomass Bioresource Technology 2005 96 5 p 545 550 Czernik S R Evans and R French Hydrogen from biomass production by steam reforming of biomass pyrolysis oil Catalysis Today 2007 129 3 4 p 265 268 Chiaramonti D A Oasmaa and Y Solantausta Power generation using fast pyrolysis liquids from biomass Renewable and Sustai
4. 88 Wander P R C R Altafini and R M Barreto Assessment of a small sawdust gasification unit Biomass and Bioenergy 2004 27 5 p 467 476 89 Klimantos P N Koukouzas A Katsiadakis and E Kakaras Air blown biomass gasification combined cycles BGCC System analysis and economic assessment Energy 2008 In Press Corrected Proof 90 Fiaschi D and R Carta CO2 abatement by co firing of natural gas and biomass derived gas in a gas turbine Energy 2007 32 4 p 549 567 91 Walter A and J Llagostera Feasibility analysis of co fired combined cycles using biomass derived gas and natural gas Energy Conversion and Management 2007 48 11 p 2888 2896 92 Rodrigues M A Walter and A Faaij Co firing of natural gas and Biomass gas in biomass integrated gasification combined cycle systems Energy 2003 28 11 p 1115 1131 93 Albertazzi S F Basile J Brandin J Einvall C Hulteberg G Fornasari V Rosetti M Sanati F Trifir and A Vaccari The technical feasibility of biomass gasification for hydrogen production Catalysis Today 2005 106 1 4 p 297 300 94 Brown D M Gassner T Fuchino and F Mar chal Thermo economic analysis for the optimal conceptual design of biomass gasification energy conversion systems Applied Thermal Engineering 2007 In Press Corrected Proof 95 Stahl K and M Neergaard IGCC power plant for biomass utilisation v rnamo Sweden Biomass and Bioenergy 1998 15
5. agroalimentare 3 Rifiuti Urbani v Residui delle operazioni di manutenzione del verde pubblico v Frazione umida di rifiuti solidi urbani v Fanghi dagli impianti di trattamento acque di scarico urbane Si comprende quindi che nel termine biomassa sono raggruppati materiali che possono essere anche molto diversi tra loro per caratteristiche chimiche e fisiche Di conseguenza anche le loro utilizzazioni per fini energetici possono essere molteplici 247 108 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 45 FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI SOLIDI URBANI FORSU I rifiuti solidi organici vengono normalmente intesi come la frazione organico biodegradabile dei rifiuti solidi urbani RSU avente una percentuale di umidit inferiore all 85 90 Anche se il termine solido non molto preciso questa terminologia viene adottata in numerosi meeting sui rifiuti agricoli e industriali ma il contributo pi rilevante dato dalla frazione organica dei rifiuti solidi urbani FORSU 248 E noto l impatto negativo sull ambiente dell invio in discarica dei rifiuti solidi urbani tal quali I maggiori problemi associati alle discariche sono le conseguenti emissioni nell atmosfera idrosfera e pedosfera i rischi di stabilit per la discarica ed infine e la scarsa disponibili di aree da destinare a tale uso 249 In Europa l evoluzione della normativa ha comportato la chiusura di numerose discariche per v
6. e del potere lubrificante La sperimentazione ha evidenziato che le diverse caratteristiche dell olio pirolitico rispetto ai combustibili fossili impongono una rivisitazione dei materiali utilizzati per molti componenti del sistema di iniezione cos come per le guarnizioni e le tenute della pompa del combustibile La maggiore viscosit richiede un preventivo riscaldamento dell olio anche se possibilmente non oltre 50 60 C cos come il minore potere calorifico impone una riprogettazione del sistema di alimentazione La presenza di acqua se da un lato aumenta il ritardo alla accensione dall altro contribuisce a ridurre la produzione di NOx Al fine di migliorare le caratteristiche dell olio pirolitico sono anche state sperimentate tecniche di emulsione con gasolio e di miscelazione con combustibili ad elevato numero di ottano Le diverse attivit di ricerca attualmente in corso nel settore dei motori Diesel sono pertanto rivolte allo sviluppo di pi affidabili sistemi di iniezione ed al miglioramento della combustione dell olio soprattutto al fine di evitare la formazione di depositi sulle parti pi calde del motore Altre attivit sono poi in corso nel settore dell impiego delle emulsioni e delle miscele con combustibili convenzionali 125 Anche l impiego dell olio pirolitico in turbine a gas stata ed ancora oggi oggetto di numerose attivit di ricerca e sviluppo in sistemi sia di piccola taglia microturbine a gas da 70 kWe si
7. e i prodotti di scarto derivanti da numerose attivit che interessano il comparto agricolo forestale il comparto industriale ed anche il settore dei rifiuti solidi urbani 4 4 Classificazione Biomasse Nello specifico le biomasse possono essere suddivise per comparto di provenienza nei seguenti settori 1 Comparto Forestale e Agroforestale v Residui delle operazioni selvicolturali o delle attivit agroforestali utilizzazione di boschi cedui ecc o Comparto Agricolo Residui colturali provenienti dall attivit agricola e dalle colture dedicate di specie lignocellulosiche piante oleaginose per l estrazione di oli e la loro trasformazione in biodiesel piante alcoligene per la produzione di bioetanolo Colture energetiche erba mais sorgo ecc o Comparto Zootecnico Reflui zootecnici per la produzione di biogas Reflui dagli allevamenti di animali suini bovini avicoli 2 Comparto Industriale v Residui provenienti dalle industrie del legno o dei prodotti in legno e dell industria e della carta v Residui dell industria agroalimentare 107 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA v Reflui dell agroindustria scarti vegetali fanghi ed effluenti acquosi da distillerie birrerie lavorazione delle uve lavorazione del latte produzione di lieviti acque di vegetazione lavorazione del caffe ecc v Reflui di macellazione v Reflui industriali di provenienza diversa dall
8. p 168 170 Soumanou M M and U T Bornscheuer Lipase catalyzed alcoholysis f vegetable oils Eur J Lipid Sci Technol 2003 105 p 656 660 B lafi Bako K F Kovacs L Gubicza and J Hancsok Enzymatic biodiesel production from sunflower oil by Candida antarctica lipase in a solvent free system Biocatal Biotransf 2002 20 p 437 439 Selmi B and D Thomas Immobilized lipase catalyzed ethanolysis of sunflower oil in a solvent free medium J Am Oil Chem Soc 1998 75 p 691 695 Yesiloglu Y Immobilized lipase catalyzed ethanolysis of sunflower oil J Am Oil Chem Soc 2004 81 p 157 160 Soumanou M M and U T Bornscheuer Improvement in lipase catalyzed synthesis of fatty acid methyl esters from sunflower oil Enzyme Microb Technol 2003 33 p 97 103 Kaieda M T Samukawa A Kondo and H Fukuda Effect of methanol and water contents on production of biodiesel fuel from plant oil catalyzed by various lipases in a solvent free system J Biosci Bioeng 2001 91 p 12 15 154 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 178 179 180 181 182 183 184 185 186 187 188 189 190 191 192 193 194 195 196 197 Samukawa T M Kaieda T Matsumoto K Ban A Kondo Y Shimada H Noda and H Fukuda Pretreatment of immobilized Candida antarctica lipase for biodiesel fuel production from plant oil J Biosci
9. primarie il trasporto e la trasformazione in combustibili commerciali v l energia elettrica direttamente consumata dagli impianti di pompaggio dell acqua di irrigazione e dall impianto di trasformazione dei prodotti agricoli riportata come energia primaria utilizzata dalle centrali termoelettriche v l energia primaria richiesta per produrre i fertilizzanti le sementi gli antiparassitari e gli altri eventuali mezzi di produzione compresa l energia consumata per produrre e installare i macchinari agricoli e industriali v Analogamente vengono valutati i flussi energetici resi disponibili dalla filiera rappresentati da v l energia utile in uscita equivalente all energia primaria della fonte fossile sostituita che pertanto include anche le perdite di estrazione di trasporto e di conversione v il credito energetico degli eventuali residui e sotto prodotti Dall esame di numerosi studi LCA disponibili emerge che in linea di massima i bilanci energetici ed ambientali di filiera evidenziano i migliori risultati nel caso di produzione di energia elettrica da biomasse erbacee o arboree con rapporti output input nell intorno di 8 10 ed emissioni specifiche di gas serra dell ordine del 10 15 rispetto a quelle derivanti dai combustibili fossili Meno performanti risultano invece le filiere basate sull utilizzo degli oli vegetali colza girasole etc per produrre energia elettrica mediante motori a combustione interna di grande tagl
10. unit mentre la seconda opzione preferibile nel caso di motori di minore potenza Altre possibilit di recupero si possono avere attraverso una opportuna integrazione del motore con un impianto a vapore possibilmente anch eso alimentato con biomasse Il recupero dell energia termica resa disponibile da un motore diesel alimentato con olio vegetale pu essere realizzato infatti nel circuito di preriscaldamento dell acqua di una centrale a vapore Le basse temperature dell acqua nel circuito di preriscaldamento da 35 40 C all uscita del condensatore fino alla temperatura di vaporizzazione di circa 250 280 C consentono di riscontrare le condizioni affinch il recupero dell energia termica resa disponibile dal motore sia sotto forma di gas di 30 Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA scarico sia sotto forma di acqua calda possa avvenire nella misura pi completa possibile 65 31 esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 2 3 I PROCESSI DI GASSIFICAZIONE DELLE BIOMASSE Un processo di gassificazione costituito dall insieme delle trasformazioni chimico fisiche attraverso le quali si ottiene la conversione delle biomasse o di altri combustibili primari come il carbone in un combustibile di sintesi in fase gassosa brevemente indicato con il nome di syngas Tale combustibile gassoso una volta che sia stato adeguatamente depurato facilmente utilizzabile in impianti di convers
11. Demonstration of a Fuzzy Logic Controlled Biomass CHP Plant Based on a 1 000 kWel Organic Rankine Cycle EU Demonstration Project Lienz A in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome Nishiyama A H Shimojima A Ishikawa Y Itaya S Kambara H Moritomi and S Mori Fuel and emissions properties of Stirling engine operated with wood powder Fuel 2007 86 15 p 2333 2342 Corria M E V M Cobas and E Silva Lora Perspectives of Stirling engines use for distributed generation in Brazil Energy Policy 2006 34 18 p 3402 3408 Kuosa M J Kaikko and L Koskelainen The impact of heat exchanger fouling on the optimum operation and maintenance of the Stirling engine Applied Thermal Engineering 2007 27 10 p 1671 1676 Scollo L P Valdez and J Bar n Design and construction of a Stirling engine prototype International Journal of Hydrogen Energy 2008 In Press Corrected Proof Obara S y I Tanno S Kito A Hoshi and S Sasaki Exergy analysis of the woody biomass Stirling engine and PEM FC combined system with exhaust heat reforming International Journal of Hydrogen Energy 2008 33 9 p 2289 2299 Kautz M and U Hansen The externally fired gas turbine EFGT Cycle for decentralized use of biomass Applied Energy 2007 84 7 8 p 795 805 Cocco D P Deiana and G Cau Performance evaluation of small size externally fired gas turb
12. Figura 2 3 Motore a vapore a vite vapore di piccola taglia circa 700 kWe basato su un motore a vapore a vite stato realizzato in Austria ad Hartberg nel 2003 come integrazione di una preesistente caldaia a biomasse usata per il teleriscaldamento Il vapore viene alimentato a circa 25 bar e 255 C ed estratto a 0 5 1 5 bar e 80 110 C Il rendimento elettrico netto dell ordine del 10 12 mentre quello cogenerativo dell 80 85 Peraltro uno dei vantaggi di questo tipo di motore che il rendimento non diminuisce di molto a carico parziale Inoltre il funzionamento di questo tipo di motore non risente del titolo del vapore e risulta pertanto particolarmente interessante quando l espansione procede verso titoli molto bassi che risultano invece deleteri per le convenzionali turbine a vapore Le attivit di ricerca in questo campo sono finalizzate alla standardizzazione ed alla ottimizzazione del motore al fine di ridurre i costi di investimento Analogamente si lavora per realizzare macchine che possano accettare maggiori temperature del vapore all ingresso 35 22 Di LI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Cicli Rankine a Fluido Organico Pur non essendo certamente una scoperta degli ultimi anni recentemente si avuto un notevole sviluppo nel settore dei cicli Rankine a fluidi organici ORC Organic Rankine Cycle proprio con riferimento al settore dell utilizzo energetico delle biomasse 36 38 Qu
13. biomasse relativo soprattutto alla possibilit di realizzare impianti di piccola taglia piuttosto che alle limitate temperature la temperatura dei prodotti della combustione delle biomasse infatti in ogni caso sufficiente a produrre fluidi caldi a temperature superiori a 500 C I primi impianti ORC alimentati con biomasse sono stati realizzati in Austria Germania Svizzera e Italia ed oggi sono operativi oltre 20 unit Il pi importante costruttore di impianti ORC la bresciana Turboden Altri costruttori sono localizzati in Germania e Israele Le attivit di ricerca in questo settore sono rivolte alla integrazione del ciclo con la caldaia a biomasse alla scelta del fluido operativo ottimale ed alla diminuzione dei costi Tenuto conto del fatto che la temperatura operativa del fluido pi elevata si lavora anche al miglioramento del rendimento mediante modifiche al ciclo base come il risurriscaldamento e l introduzione di scambiatori di calore recuperativi Sempre nel settore della produzione di energia elettrica da biomasse gli impianti ORC vengono studiati ai fini del recupero dell energia di 23 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA scarico dai motori a combustione interna di grande taglia 10 20 MWe alimentati con oli vegetali Fra le recenti iniziative in atto in Italia si pu citare il progetto FACEB Filiera Agroforestale per Centrali a Biomassa di piccola taglia un iniziativa del Centro
14. caratterizzata da velocit di riscaldamento dell ordine di 5 7 C min nella quale i prodotti prevalenti sono la frazione solida con il 20 40 in massa e liquida con il 25 50 mentre la frazione gassosa minoritaria 20 30 In linea di massima le sperimentazioni condotte da diversi gruppi di ricerca hanno dimostrato che la frazione liquida e quella gassosa aumentano all aumentare della temperatura Un influenza notevole viene inoltre esercitata anche dalle dimensioni delle biomasse alimentate e dalla stessa composizione della biomassa La produzione di elevati quantitativi di char non desiderata ai fini della successiva conversione in energia elettrica e o termica in quanto difficilmente utilizzabile in sistemi ad elevata efficienza Per questo motivo la attivit di ricerca sono principalmente rivolte verso l individuazione delle condizioni operative che consentono di massimizzare la produzione delle frazioni pi pregiate Aumentando la velocit di riscaldamento delle biomasse attraverso processi di pirolisi veloce fast pyrolisis realizzata con gradienti anche fino a 300 C min si riesce ad incrementare la frazione liquida fino ad oltre il 60 65 minimizzando quella solida 15 29 Allo scopo di realizzare la pirolisi veloce sono state sviluppate o semplicemente proposte diverse tipologie di reattore fra cui sistemi a letto fluido a letto trascinato operanti sotto vuoto etc La conversione in olio e in gas pu essere ancor
15. costo Inoltre si osserva una forte attenzione verso lo sviluppo dei sistemi di combustione delle paglie di frumento orzo mais etc e di biomasse erbacee in genere Le attivit di sviluppo in questo settore sono fondamentalmente focalizzate da un lato verso il miglioramento e l ottimizzazione della catena di approvvigionamento trasporto e stoccaggio delle balle e dall altro a migliorare il processo stesso di combustione in relazione soprattutto ad alcune caratteristiche chimico fisiche di queste biomasse come l elevato tenore di cloro e di composti alcalini Anche il problema di minimizzare lo sporcamento delle superfici di scambio termico del generatore di vapore risulta particolarmente importante specie in relazione al fatto che in questi impianti vengono spesso utilizzate biomasse di differente composizione e differente provenienza e qualit Da qualche anno operativo in Spagna nella regione di Navarra un impianto di generazione elettrica da circa 25 MWe alimentato con paglie residuali di frumento orzo e mais raccolte nella zona circa 160000 t anno In casi come questi i principali problemi da risolvere sono legati alla filiera di raccolta trasporto e stoccaggio delle biomasse raccolte a carattere stagionale ed ai contratti a lungo termine con la componente agricola La presenza nelle paglie di composti alcalini a base di cloro e potassio comporta diversi problemi di corrosione riduzione della vita dei catalizzatori impiegati nei si
16. la idrodeossigenazione attraverso la quale lolio reagisce in presenza di catalizzatori in un ambiente ricco di idrogeno oppure di CO e in pressione L ossigeno viene rimosso sotto forma di acqua e di anidride carbonica Tale tipologia di processo sebbene in grado potenzialmente di eliminare quasi completamente l ossigeno richiede apparecchiature complesse e presenta elevati costi operativi In alternativa la decomposizione del bio olio in idrocarburi pi semplici con formazione di acqua e anidride carbonica e quindi la riduzione del tenore di ossigeno pu essere ottenuta anche attraverso pi semplici processi di cracking catalitico Tuttavia le reazioni coinvolte in tale processo conducono spesso alla formazione di eccessivi quantitativi di coke ed a combustibili di bassa qualit Nonostante tale processo sia interessante per via dei ridotti costi operativi richiede ancora una notevole mole di attivit di ricerca nel settore dei catalizzatori Al fine di evitare costosi trattamenti chimici sono anche allo studio processi di emulsione con combustibili fossili convenzionali Data la natura immiscibile del bio olio in questo caso infatti necessario utilizzare specifici surfatanti al fine di garantire stabilit alla miscela Visto l interesse per l idrogeno un altra strada ampiamente investigata negli ultimi anni il reforming del bio olio con vapore al fine di produrre questo importante vettore energetico Anche in questo caso il
17. per fare delle simulazioni e i dati cos ottenuti sono stati confrontati con i risultati sperimentali I dati della simulazione indicano che la mancanza di ammoniaca necessaria oltre che come fonte d azoto per la sintesi della biomassa batterica e per l effetto tampone sul pH poteva essere responsabile dei problemi incontrati quando la degradazione anaerobica veniva provata col refluo costituito dalle sole AV Il lavoro citato ha dimostrato che nel processo di codigestione delle AV con il letame l abbattimento stabile del carico organico delle AV da parte dei batteri stato reso possibile per la disponibilit dell azoto del letame I risultati presentati mostrano che possibile formulare un modello che pu predire il comportamento dinamico della codigestione con sufficiente accuratezza da costituire un utile strumento d aiuto per l ottimizzazione del processo di codigestione I modelli di simulazione della codigestione del letame AV possono essere utili per spiegare le difficolt osservate quando si prova a degradare le AV da sole I risultati indicano che il trattamento delle AV in termini di successo e stabilit possono essere ottenuti se si aggiunge una relativamente piccola quantit di letame come fonte di azoto e fattore di stabilizzazione del pH in tal senso possono essere utilizzati anche altri tipi di rifiuti animali ad es le deiezioni dei polli o lo sterco di cavallo 116 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE
18. 0 Il CHO C_R R C OCH3 CHOH Catalyst O CHO C R 3 CH30H R l 0CH A CHOH Il CHO C R R3 C OCH CHOH a RCOOH NaOH RCOO Na Fatty acid Soap b HS04 RCOOH CH30H RCOOCH H30 Fatty acid Methanol FAME c Figura 3 4 a Metanolisi di un generico trigliceride per la produzione di esteri metilici degli acidi grassi FAME b reazione indesiderata di formazione di saponi c reazione di esterificazione degli acidi grassi liberi mediante catalisi acida 59 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Il rapporto molare fra olio e metanolo dipende dal tipo di catalizzatore utilizzato La stechiometria della reazione richiede 3 moli di alcol per 1 mole di trigliceride tuttavia per spostare l equilibrio verso destra si utilizza spesso un eccesso di alcol E stato trovato che il rapporto ottimale metanolo olio di soia nella transesterificazione catalizzata da basi pari a 6 1 132 In caso di catalisi acida consigliato usare un rapporto 30 1 metanolo olio 133 La catalisi basica generalmente NaOH KOH o CH30Na la pi comunemente utilizzata nella produzione del biodiesel Rispetto a quella acida H2504 HCl porta ad una maggiore conversione in condizioni pi blande ed in minor tempo necessita di una minore quantit di alcol cos da richiedere l utilizzo di reattori pi piccoli 134 Dalla reazione si ottiene una miscela di esteri e diversi sottoprodotti Oltre all
19. 3 p 205 211 96 US DOE Fuel Cell Handbook Seventh edition DOE NETL Morgantown West Virginia 2004 97 Singhal S C Kendall K High Temperature Solid Oxide Fuel Cells Fundamentals Design and Applications Elsevier Ed 2003 98 Bove R L P Experimental comparison of MCFC performance using three different biogas types and methane Journal of Power Sources 2005 Vol 145 p pp 588 593 150 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 99 100 101 102 103 104 105 106 107 108 109 110 111 112 113 114 115 116 Tomasi C B M Bosio B Arato E Baggio P Process analysis of a molten carbonate fuel cell power plant fed with a biomass syngas Journal of Power Sources 2006 Vol 157 p pp 765 774 Donolo G D S G Fermeglia M Steady state simulation of energy production from biomass by molten carbonate fuel cells Journal of Power Sources 2006 Vol 158 p pp 1282 1289 Kivisaari T B P Sylwan C Jacquinot B Jansen D De Groot A The feasibility of a coal gasifier combined with a high temperature fuel cell Chemical Engineering Journal 2004 Vol 100 p pp 167 180 Maggio G F S Cavallaro S Light alcohols methane fuelled molten carbonate fuel cells a comparative study Journal of Power Sources 1998 Vol 74 p pp 17 23 Seitarides T C Athanasiou and A Zabaniotou Modular bio
20. Infine si osservato che l attivit catalitica decresce lungo la serie CaO gt Ca OH 2 gt gt CaCO 153 Tabella 3 3 Catalizzatori eterogenei solidi inorganici nella produzione di biodiesel Catalizzatore Olio grasso Alcol Condizioni di Resa r Rif reazione Conversione c CaO Olio di soia MeOH T 65 C 93 r 153 Ca OH 2 12 CaCO 0 CaO Air 10 CaO Olio di frittura 99 Mordenite NaM Olio di girasole MeOH T 60 C 154 95 r Zeolite beta Naf Zeolite X NaX LiNO3 AlO3 Olio di guscio di MeOH T 60 C gt 93 r 155 palma NaNO ALO Olio di noce di cocco KNO3 AbO3 Ca NO3 2 A1203 94 Mg NO3 2 Al20 3 bassa Ossido di zirconio Tricaprilina MeOH T 120 C 84 c 156 solfato SZ EtOH p 6 8atm 45 SO ZrO2 nBuOH 37 WOs ZrO gt Acido oleico MeOH T 75 C 65 c 157 LiNO3 CaO Olio di colza MeOH T 60 C 90 c soprattutto 158 LiNO3 CaO NaNO3 CaO KNO3 CaO LiNO3 MgO LazO3 10 MCM 41 Olio di soia MeOH T 70 C 81 c 7 Na2O SiO2 76 CaO 67 CaO 14 w su SBA 15 Olio girasole MeOH T 333K 95 c 159 Olio di ricino MeOH 65 SAC 13 Nafion SiO2 Olio di girasole MeOH T 60 C 80 c 160 10 w di acido p ambiente palmitico L utilizzo di CaO o MgO come supporti per LINO3 NaNOs KNO ha permesso di ottenere dei catalizzatori eterogenei che nelle reazioni di metanolisi dell olio di colza portano a conversioni gt 90 dopo 3h di reazione
21. Per quanto concerne la Sardegna tenuto conto che un contributo significativo alla produzione di energia da biomasse potrebbe provenire dalla diffusione di coltivazioni energetiche dedicate appare dapprima opportuno e necessario intraprendere specifiche attivit di ricerca incentrate sulla valutazione degli aspetti agronomici di tali coltivazioni Tali aspetti sono evidentemente alla base di una qualunque analisi di fattibilit tecnico economica dell intera filiera di produzione energetica da biomasse Queste attivit di ricerca sulle quali sono gi operativi da tempo anche diversi ricercatori dell Universit di Sassari del CNR e dell agenzia Agris dovranno essere principalmente finalizzate ad ampliare le conoscenze nelle seguenti aree v specie pi adatte alle condizioni climatiche e alle caratteristiche dei suoli della Sardegna v metodi di coltivazione delle diverse specie in funzione dell areale N sistemi per il controllo delle malattie e delle infestanti v metodologia di ottimizzazione delle operazioni di taglio raccolta e stoccaggio Caratterizzazione delle biomasse residuali Analogamente specie per quanto riguarda le biomasse residuali appare opportuno ampliare le conoscenze in merito alla loro caratterizzazione ai fini di un possibile impiego energetico sia come combustibile sia come substrato per processi di digestione anaerobica In tal senso le biomasse potenzialmente utilizzabili a fini energetici in Sardeg
22. Ricerca Biomasse CRB di Perugia Il progetto prevede l adozione di un caldaia a griglia ad olio diatermico e di un sistema di generazione elettrica e termica a Thermal oil cycle Generator directiy coupled Thermal oil ECO Thermal oil boiler process Biomass Regenerator Evaporator Condenser Furnace Silicon oil A yX pump N A District Heating Combustion air pre heater Flue gas Economiser f Combustion air Diagram of a biomass combustion plant coupled to an ORC system Source BIOS Bioenergy Systems Austria 2003 400 kW ORC unit EU demonstration project in Admont Austria Source BIOS Bioenergy Systems Austria TURBODEN Srl Italy 2003 Fionra 2 4 Impianto ORC 24 Di EI campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA ciclo ORC L impianto prevalentemente orientato alla produzione di calore per grandi utenze termiche ad esempio teleriscaldamento mentre la produzione elettrica compresa tra 0 5 e 1 5 MW avente rendimenti peraltro non trascurabili fino al 15 18 rappresenta un introito supplementare che porta la redditivit di questa soluzione a valori superiori rispetto a quelli delle centrali di teleriscaldamento realizzate con generatori esclusivamente termici Parallelamente la compattezza la semplicit di controllo e l assenza di circuiti ad elevata pressione fa si che questo tipo di impianti facciano registrare dei costi di gestione rido
23. Venturi G 2005 Modificata Figura 2 2 Tecniche agronomiche te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA meccanici e o termici delle biomasse finalizzati a ridurne ed omogeneizzarne le dimensioni ed eventualmente a ridurne l umidit 12 13 In particolare i trattamenti pi complessi sono riservati alle biomasse utilizzate in impianti di riscaldamento di piccola taglia che utilizzano preferibilmente combustibili addensati come pellet e bricchette mentre minori trattamenti sono richiesti per le biomasse utilizzate nei generatori di vapore di medio grande taglia che utilizzano in genere cippato oppure nel caso delle biomasse erbacee trinciato o balle In ogni caso ai fini dell impiego in un processo di combustione le caratteristiche chimico fisiche delle biomasse pi importanti sono l umidit e il potere calorifico per quanto possano essere di non trascurabile importanza anche i tenori di ceneri cloro azoto e zolfo e il volume specifico L umidit e il potere calorifico oltre ad essere strettamente correlati fra loro assumono anche un ruolo determinante ai fini della effettiva valorizzazione energetica ed economica delle biomasse dal momento che condizionano fortemente i costi di raccolta trasporto e movimentazione da un lato e il rendimento del processo di combustione dall altro Infatti il componente utile dal punto di vista energetico costituito dalla sostanza secca l unico caratterizzato da u
24. a 60 C 158 70 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA In un recentissimo studio l utilizzo di zeoliti mordenite zeolite beta o zeolite X nella metanolisi dell olio di girasole a 60 C in presenza o meno di bentonite di sodio come legante ha fornito rese superiori al 90 La zeolite X ha manifestato maggiore attivit catalitica rispetto alle altre zeoliti 154 L utilizzo di Al2O3 come supporto per sali dei metalli alcalini LiNO3 NaNOs KNOs e alcalino terrosi Ca NO3 2 ha portato a rese gt 93 in esteri metilici La resa invece inferiore circa 10 se si usa un catalizzatore a base di Mg NO3 2 A120 155 Va sottolineato il fatto che tutti i catalizzatori precedenti zeoliti ossidi di zirconio ossidi di calcio e di alluminio nitrati dei metalli alcalini ecc devono essere attivati prima dell utilizzo mediante calcinazione ad elevate temperature gt 400 C Un eccezione rappresentata dalla resina Nafion supportata su silice SAC 13 che non necessita di attivazione e dopo 30h di reazione fornisce conversioni dell 80 160 E stato studiato il comportamento di alcuni catalizzatori a base di ossidi misti ZrO2 SiO2z KOH Zr02 Si0 C0203 Si02 Mo2O0s SiO2 Na2O SiO2 LazO3 MCM 41 MgO MCM 41 BaO MCM 41 CaO e MgO nella reazione di metanolisi dell olio di soia Le reazioni sono state condotte con un rapporto ponderale pari a 4 5 6 0 0 3 metanolo olio di soia cata
25. adozione di un circuito chiuso consente una scelta mirata del fluido operativo finalizzata alla ottimizzazione delle prestazioni Tra i diversi fluidi operativi che possono essere utilizzati oltre all aria sono compresi l elio il pi diffuso l idrogeno e l azoto Mentre i motori Stirling alimentati con gas naturale o con altri combustibili pregiati sono gi commercializzati WhisperTech in Nuova Zelanda Microgen Energy in Gran Bretagna Solo in Germania Enatec in Olanda quelli alimentati con biomasse sono attualmente ancora in uno stadio dimostrativo Ovviamente i motori Stirling possono anche essere alimentati con il gas di sintesi prodotto dalla gassificazione delle biomasse nonch con il gas 25 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA olio e finanche il char prodotto dalla pirolisi delle biomasse Peraltro l utilizzo di combustibili liquidi e gassosi riduce le problematiche del processo di combustione Nella maggior parte dei casi la produzione di energia elettrica viene considerata in associazione con la produzione di energia termica in sistemi di cogenerazione ed eventualmente di trigenerazione In questo caso l energia termica viene prodotta attraverso il recupero del calore di scarico del motore scambiatore freddo e dell entapia residua dei gas di scarico del combustore Per potenze dell ordine di 10 150 kWe il rendimento dei motori Stirling air pre heater air input hot heat excha
26. dal 30 all 85 SOSTANZA ORGANICA COMPLESSA PROTEINE CARBOIDRATI BATTERI IDROLITICI IDROLISI Py v AMMINOACIDI ZUCCHERI ACISI GRASSI FERMENTAZIONE ACIDOGENESI gt D BATTERI FERMENTANTI BATTERI ACETOGENICI ACETATO IDROGENO BATTERI METAGENICI METANOGENESI Figura 4 1 Fasi del processo di digestione anaerobica fonte CETA 90 i EI IC sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 1 2 Parametri di processo Considerata la complessit delle reazioni biochimiche che decorrono all interno del bioreattore anaerobico di grande importanza nella pratica di progettazione dei digestori fare ricorso ai diversi parametri che influenzano il comportamento dei microrganismi Analogamente fondamentale per una corretta gestione degli impianti in larga scala poter effettuare il controllo di diversi parametri di processo Pertanto qui di seguito si prende in esame questo aspetto della digestione anaerobica I parametri utilizzati per dimensionare valutare e gestire il processo di digestione anaerobica si possono suddividere in parametri per la gestione del bioreattore e parametri per la stabilit del processo 4 1 3 Parametri per la gestione del bioreattore I parametri per la gestione del bioreattore descrivono il funzionamento in termini di tempo di permanenza della massa introdotta nel bioreattore di concentra
27. de Lisboa Portugal S Pizza P Universit della Basilicata Italy V Godovikova and N Russian Academy of Sciences Russia Characterization of Kenaf Potential in Portugal as an Industrial and Energy Feedstock the Effect of Different Varieties Sowing Dates Plant Populations and Harvest Dates in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome Heinz A M Kaltschmitt R Stiilpnagel and K Scheffer Comparison of moist vs air dry biomass provision chains for energy generation from annual crops Biomass and Bioenergy 2001 20 3 p 197 215 Yoshikawa K R amp D Research and Development on distributed power generation from solid fuels Energy 2006 31 10 11 p 1656 1665 Hallam A I C Anderson and D R Buxton Comparative economic analysis of perennial annual and intercrops for biomass production Biomass and Bioenergy 2001 21 6 p 407 424 Venturi P and G Venturi Analysis of energy comparison for crops in European agricultural systems Biomass and Bioenergy 2003 25 3 p 235 255 146 Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 16 17 18 19 20 21 22 23 24 23 26 27 28 29 30 31 32 33 34 35 Monti A and G Venturi Comparison of the energy performance of fibre sorghum sweet sorghum and wheat monocultures in northern Italy European Journal of A
28. del potere calorifico i fenomeni di sinterizzazione e agglomerazione delle ceneri il miglioramento generale delle prestazioni 35 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA l incremento del livello di automazione e di affidabilit operativa nonch la riduzione generale dei costi di installazione e di esercizio Il problema principale dei gassificatori di piccola taglia rimane la formazione del TAR aspetto particolarmente importante nei processi a letto fisso e meno in quelli a letto fluido Il TAR infatti costituito da una miscela di idrocarburi pesanti inizialmente presenti in fase vapore nel syngas caldo e che condensano con il suo raffreddamento provocando lo sporcamento e il blocco delle apparecchiature interessate Le concentrazioni di TAR prodotte dai processi di gassificazione delle biomasse variano fra circa 0 5 g m e 100 g m essendo i valori pi elevati caratteristici di gassificatori a letto fisso updraft di piccola taglia Poich nella maggior parte dei casi la concentrazione massima di TAR tollerata dai sistemi di conversione integrati con il gassificatore inferiore a 0 05 g m3 si rende praticamente sempre necessario provvedere al controllo di questo composto 66 70 La composizione del syngas prodotto dal gassificatore e dunque anche il tenore di TAR dipende notevolmente dai suoi parametri operativi quali in particolare temperatura pressione rapporti ossigeno combustibile e vapore comb
29. della disponibilit locale e del prezzo sul mercato mondiale Ad esempio l olio di semi di soia usato soprattutto negli Stati Uniti mentre in Europa si usano 60 Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA gli oli di semi di colza di semi di girasole e l olio di palma Il prezzo di quest ultimo tuttora concorrenziale nonostante sia un prodotto di importazione proveniente dai paesi tropicali es Malesia La principale differenza tra questi oli data dalla loro differente composizione in acidi grassi i quali determinano le propriet della miscela finale di biodiesel La Tabella 3 2 riporta la composizione dei pi comuni oli usati per la produzione di biodiesel Gli acidi grassi pi abbondanti sono l acido palmitico stearico oleico e linoleico Tabella 3 2 Composizione in acidi grassi dei pi comuni oli grassi utilizzabili per la produzione di biodiesel Olio grasso Acido Acido Acido Acido Problemi Palmitico Stearico Oleico Linoleico C16 0 C18 0 C18 1 C18 2 Olio di soia 8 4 28 53 Stabilit all ossidazione Olio di palma 42 5 41 10 Basse temperature Olio di colza 4 1 60 20 Olio di 6 4 28 61 Stabilita girasole all ossidazione Sego 26 18 37 10 Basse temperature Olio di 12 8 7 3 44 8 34 Jatropha Le principali propriet fisiche e chimiche di un olio grasso dipendono dalla struttura chimica degli acidi grassi dei quali sono costituiti Figura 3 5 A questo riguardo un prob
30. delle biomasse ma anche a quello dell agri pellet o addirittura dell intero servizio calore per utenze particolari quali scuole edifici pubblici piccole aziende etc Inoltre le attivit di ricerca e sviluppo nel settore dei sistemi di produzione e combustione di questo pellet potrebbero portare alla nascita di piccole aziende manifatturiere operanti in questo settore Processi di gassificazione delle biomasse Come ampiamente discusso nei paragrafi precedenti la gassificazione delle biomasse consente di ottenere un combustibile gassoso adatto anche all alimentazione di impianti di generazione elettrica operanti anche in cogenerazione e in trigenerazione di piccola taglia turbine a gas motori a combustione interna celle a combustibile Il principale problema da risolvere in questo settore riguarda essenzialmente la qualit del syngas prodotto e pi in particolare la presenza di significativi tenori di TAR Gran parte delle attivit di ricerca in questo settore sono infatti volte verso lo studio di soluzioni per risolvere questo problema Lo sviluppo di una attivit di ricerca nel settore della gassificazione delle biomasse in Sardegna trova peraltro motivi di supporto ed elementi di sinergia nella presenza a Carbonia della Sotacarbo S p A societ partecipata al 50 dalla Regione Sardegna e per il restante 50 dall ENEA che opera nel settore delle tecnologie avanzate per l utilizzo del carbone e della gassificazione in particol
31. di differenti fattori A titolo d esempio si cita la formazione di acido azelaico e nonanoico dalla degradazione dell acido oleico In conclusione a dispetto delle effettive e selettive ossidazioni dei composti di inibizione nelle AV il pretrattamento con ozono non pare il processo pi adatto da abbinare al processo biologico per migliorarne le prestazioni In alternativa viene proposto l utilizzo di un sistema integrato per il trattamento delle AV Questo sistema prevede una fase di pretrattamento elettrochimico delle acque mediante la reazione elettro Fenton seguita dal bio trattamento anaerobico Il processo elettro Fenton rimuove il 65 8 dei composti fenolici totali e conseguentemente riduce la tossicit delle AV dal 100 al 66 9 col risultato di un complessivo miglioramento nelle prestazioni della digestione anaerobica 285 L ossidazione elettrochimica applicata agli effluenti digestati dei rifiuti lattiero caseari sottoposti a digestione anaerobica sono un altro esempio di trattamento combinato Il campione dell effluente digestato contenente i solidi sospesi viene sottoposto ad un pretrattamento di filtrazione prima del trattamento elettrochimico L influenza della ossidazione anodica diretta o indiretta viene valutata con l utilizzo del DSA Dimensionally Stable Anode e Ti PbO2 come anodo La diminuzione del COD risulta pi alta per l elettrodo di biossido di titanio rivestito piuttosto che per il DSA anche se il DSA risulta
32. di biomassa ci sono notevoli differenze nei Paesi dell Unione Europea dovute alle caratteristiche territoriali e alle condizioni climatiche infatti mentre nel Nord dominano le foreste al Centro Sud prevalgono i seminativi Quindi un attenta analisi porterebbe a diversificare le fonti tenendo conto delle realt locali 127 Le ricerche attuali mirano al miglioramento sia del trattamento della materia prima che delle tecnologie di processo 218 Particolare interesse riveste la scelta e lo sviluppo di microrganismi in grado di massimizzare la produzione di glucosio e quindi di bioetanolo oppure di particolari specie in grado di risolvere il problema della fermentazione degli zuccheri pentosi E stato osservato che lieviti come Pichia stipitis Candida shehatae e Pachysolen tannophilus possono assimilare i pentosi ma la produzione di bioetanolo da essi di almeno cinque volte inferiore a quello osservato per S cerevisiae Inoltre la loro tolleranza dell ossigeno e dell etanolo durante il processo di 2 4 volte inferiore 216 Gli impianti di produzione esistenti di bioetanolo da lignocellulose hanno tutti una capacit di circa 10 45MW si tratta di impianti pilota di piccole dimensioni Per soddisfare il bisogno interno dovrebbero avere una capacit di 100 500MW Occorre quindi migliorare le tecnologie e sviluppare nuovi sistemi Una soluzione potrebbe essere quella di utilizzare diverse materie prime nello stesso stabilimento
33. di natura anche molto diversa fra loro caratterizzati da una matrice di tipo organico prodotti da organismi viventi vegetali o animali e pertanto direttamente derivanti attraverso il processo di fotosintesi clorofilliana dall energia solare A seconda della provenienza le biomasse possono essere essenzialmente classificate in biomasse residuali e in biomasse derivanti da apposite coltivazioni energetiche Appartengono alla prima categoria i residui e gli scarti di origine forestale agricola e agro industriale nonch la frazione umida dei rifiuti solidi urbani Il recupero energetico delle biomasse residuali appare doppiamente vantaggioso in quanto da un lato riduce la dipendenza dai combustibili fossili mentre dall altro contribuisce ad alleggerire le problematiche ambientali legate allo smaltimento finale di tali residui per esempio noto che i processi naturali di degradazione delle sostanze organiche liberano metano un composto che contribuisce all aumento dell effetto serra in una misura di oltre 20 volte superiore a quella della CO2 Le biomasse derivanti da coltivazioni energetiche sono a loro volta classificabili in colture oleaginose come colza soia girasole palma ecc dalle quali si producono oli vegetali e biodiesel colture alcoligene come la canna da zucchero il sorgo zuccherino la barbabietola da zucchero il mais ecc dalle quali si produce l etanolo e da colture ligno cellulosiche che includono specie legnose
34. diversi cloni alle condizioni climatiche e alle caratteristiche dei suoli e produzione di materiale sufficiente per l avvio di sperimentazioni e coltivazioni su larga scala controllo delle malattie e delle infestanti ottimizzazione delle operazioni di taglio raccolta e stoccaggio valutazione dei bilanci energetici e ambientali della filiera e realizzazione di studi di fattibilit economica della filiera in diverse condizioni Nel settore delle biomasse ligno cellulosiche le sperimentazioni pi diffuse sono quelle che riguardano la canna comune Arundo Donax il panico Panicum Virgatum il miscanto Miscanthus Giganteus il sorgo da fibra 10 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Sorghum spp il pioppo Populus spp il salice Salix a l eucapipto Eucaliptus spp la robinia Robinia p ed altre Campi sperimentali di alcune fra queste specie in particolare la canna comune sono stati allestiti anche da Agris l agenzia regionale per la ricerca in campo agricolo e dal gruppo Sadam nell ambito del progetto di riconversione dell ex zuccherificio di Villasor Gli obiettivi fondamentali di queste attivit sono rappresentati dalla individuazione delle specie pi adatte ai diversi contesti al fine di massimizzare la produzione netta di energia tenendo anche conto dei costi energetici ed economici di coltivazione trasporto e stoccaggio Dalle attivit condotte fino a questo momen
35. energetico delle biomasse altre tecnologie invece non hanno ancora raggiunto un adeguato livello di maturit industriale e commerciale e sono pertanto oggetto di intense attivit di ricerca e sviluppo nel tentativo di trovare una soluzione alle numerose criticit ancora presenti In relazione anche ai risultati dell indagine ricognitiva nel settore delle biomasse in Sardegna nel prosieguo vengono illustrate le attivit di ricerca sulle quali appare opportuno concentrare gli sforzi 5 1 1 Problematiche comuni ai diversi settori di utilizzo energetico delle biomasse Indipendentemente dalla tipologia del processo di conversione impiegato numerose attivit di ricerca si occupano delle problematiche relative al reperimento delle biomasse coltivazione di specie ad uso energetico o semplice raccolta di residui e sottoprodotti al trasporto allo stoccaggio ed al pretrattamento dal momento che questi aspetti possono condizionare moltissimo l effettiva fattibilit soprattutto economica di un impianto alimentato con biomasse Analogamente rappresentano problematiche comuni ai diversi settori di utilizzo energetico delle biomasse le valutazioni sui bilanci energetici globali della filiera sulle emissioni inquinanti e di gas serra estese all intero ciclo di vita l analisi delle prospettive di redditivit e altre simili 131 Pi EI campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Studi agronomici sulle coltivazioni energetiche
36. formazione di l acido butirrico e acetico quali prodotti principali del processo stesso Nella fermentazione all acido propionico l acido propionico si converte in metano e si accumula nel reattore acidogenico durante il processo di fermentazione acidificando il sistema di trattamento anaerobico e determinando l esito negativo del processo di trattamento delle acque reflue Bhatia et al 1985 Hanaki et al 1994a b per questo motivo la fermentazione all acido propionico e quindi la formazione di acido propionico dovrebbe essere evitata sempre Nell ultimo tipo di fermentazione identificata all etanolo i liquidi prodotti sono etanolo ed acido acetico 282 4 8 2 Enterobacter Bacillus e Clostridium per la Produzione di Idrogeno Le colture pure di Enterobacter Bacillus e Clostridium sono in grado di produrre idrogeno a partire da carboidrati I Bacillus e i Clostridium sono caratterizzati dalla formazione di spore come risposta alla non favorevole condizione ambientale come la mancanza di nutrienti o l aumento della temperatura Alcune specie di clostridi sono capaci di degradare amido insolubile senza un pretrattamento mentre alcuni enterobatteri possono degradare solo amido in soluzione Per avere un processo tecnologico fattibile necessario utilizzare miscele di colture ottenute da fonti naturali capaci di operare in condizioni non sterili I fanghi di depurazione trattati termicamente rappresentano una fonte fac
37. fra i punti di maggiore forza un elevato grado di automazione Il combustibile utilizzato abbastanza standardizzato e si lavora soprattutto sul miglioramento delle prestazioni energetiche anche se il rendimento oramai paragonabile a quello dei sistemi convenzionali ed ambientali per ridurre ulteriormente le emissioni in atmosfera si lavora sullo sviluppo di sistemi di filtrazione dei gas e sistemi catalitici di riduzione delle concentrazioni di NOx CO e HC Ovviamente poi come in tutti i settori molte attivit sono finalizzate alla riduzione dei costi di produzione Interessanti prospettive in questo settore possono aprirsi con riferimento al possibile impiego di pellets di bassa qualit prodotti non pi a partire da segatura di legno ma da residui agricoli e forestali oppure da coltivazioni legnose ed erbacce dedicate il cosiddetto agri pellet Le paglie e i prodotti da coltivazioni erbacee possono essere utilizzati per la produzione di pellet senza grandi difficolt e con minori consumi energetici rispetto al legno Peraltro i pellet da colture foraggere sono gi prodotti per usi zootecnici In questo caso il pellet caratterizzato da una maggiore presenza di ceneri da meno dello 0 5 del legno a circa il 5 da un minore potere calorifico circa il 10 in meno da una maggiore friabilit e da una maggiore presenza di cloro potassio azoto e zolfo I sistemi di combustione di questo tipo di pellet devono essere in grado di adeg
38. futuro 3 3 2 5 Etanolo ed altri alcoli Il metanolo alcol pi usato nel processo di transesterificazione principalmente per ragioni di natura economica sebbene ci siano delle eccezioni in alcuni Paesi In Brasile ad esempio dove l etanolo disponibile in grandi quantit il biodiesel costituito dagli esteri etilici degli acidi grassi FAEE 130 L etanolo proviene in gran parte come sar descritto nei paragrafi seguenti da processi di fermentazione alcoolica di sostanze zuccherine o amidacee Per cui essendo prodotto da biomasse quindi da fonti rinnovabili viene attualmente denominato bioetanolo per distinguerlo da quello prodotto dall idratazione dell etilene proveniente a sua volta dal cracking di idrocarburi di origine fossile Per contro il metanolo viene prodotto principalmente da sorgenti di origine fossile quindi l utilizzo di bioetanolo per la transesterificazione dei trigliceridi permetterebbe di produrre un biodiesel interamente da fonti rinnovabili 127 Altri vantaggi nell utilizzo dell etanolo rispetto al metanolo derivano dalla sua minore tossicit che rende la produzione del biodiesel meno pericolosa per gli addetti ai lavori e dal fatto che abbia un atomo di carbonio in pi che aumenta leggermente il potere calorifico ed il numero di cetano del combustibile prodotto 151 L uso di altri alcoli C3 C5 lineari o ramificati come quelli presenti nell olio di flemma miscela di alcoli pesanti o
39. g COD 1 die a ca 40 C per acque di scarico di media intensit con sostanze organiche per lo pi solubili i fanghi anaerobici possono essere conservati per periodi prolungati senza l esigenza di alcuna alimentazione costi di costruzione relativamente bassi le esigenze di spazio per i trattamento anaerobici sono pi bassi di quelli dei sistemi convenzionali In conseguenza dei trattamenti anaerobici i composti biodegradabili sono effettivamente rimossi rilasciando nel digestato composti ridotti quali ammoniaca altri composti azotati solfuri composti organici del fosforo e patogeni Quindi in relazione all uso che si deve fare del digestato pu essere indispensabile che esso venga sottoposto ad un trattamento a valle 237 4 1 7 2 Gli svantaggi del trattamento anaerobico v alta sensibilit dei batteri metanogenici ad un ampio numero di composti chimici Va per detto che in molti casi gli organismi anaerobici sono capaci di adattarsi a questi composti il primo start up di un installazione anaerobica senza l utilizzo di un inoculo adeguato pu comportare lunghi periodi di latenza dovuti alla bassa resa in biomassa dei batteri anaerobici nel caso in cui l acqua di scarico contenga composti solforosi i trattamenti anaerobici possono portare alla produzione di sostanze odorigene a causa della formazione di solfuri Un efficace soluzione a questo problema l impiego di un post trattamento con uno step micro a
40. l effetto che il flusso di calore e la micro aerazione hanno nella fase preliminare del processo nonch l effetto della lisciviazione nel miglioramento della fase metanigena in modo da mettere a punto un processo combinato di digestione anaerobica L applicazione di condizioni micro aerazione durante la fase di pretrattamento permette di ottenere un miglioramento nel processo d idrolisi acidificazione Flussi della breve durata di cinque giorni con ridotti volumi d acqua 29 3 L kg TS permettono una vantaggiosa rimozione della materia organica dal letto di 111 i EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA rifiuti in previsione della fase metanigena E stata ottenuta una resa d idrolisi di 140g kg di TS che equivale al 30 di C rimosso dal letto dei rifiuti sotto forma di percolato e una resa di acidificazione di 180 gVFA kgTS L importanza della percolazione durante la fase metanigena stata attribuita all aumento nella produzione di biogas La micro aerazione durante il pre trattamento ha un effetto positivo nella fase metanogenica poich la parte attiva della fase metanogenica viene raggiunta prima rispetto ad altri reattori in cui non viene fatta la micro aerazione Questo potrebbe essere il risultato di una migliore idrolisi acidificazione durante lo start up della metanizzazione in quanto metterebbe a disposizione il substrato per i metanigeni in tempi pi brevi Cos la micro aerazione mostra un inequi
41. letto fisso soprattutto di tipo downdraft sono utilizzati per potenze fino a circa 5 10 MWt i gassificatori a letto fluido bollente sono utilizzati per potenze fino a circa 25 MWt mentre per potenze fino a circa 100 MWt vengono utilizzati i gassificatori a letto fluido circolante Nonostante si tratti di una tecnologia fondamentalmente poco diffusa sul mercato internazionale si riscontra un gran numero di gassificatori offerti a livello commerciale da una recente indagine sono emersi circa 50 costruttori di gassificatori a biomassa Tuttavia difficilmente i fornitori sono in grado di fornire precise garanzie su prestazioni costi emissioni e affidabilit Tali sistemi trovano pertanto maggiore spazio in paesi in via di sviluppo come India Cina etc ma non possiedono i necessari requisiti di sicurezza automazione ed emissioni richiesti per le applicazioni nei mercati occidentali La maggior parte dei gassificatori in commercio sono gassificatori di piccola taglia di tipo downdraft derivati in maniera pi o meno diretta dai primi gassificatori sviluppati fra gli anni 20 e 40 del secolo scorso Nonostante i miglioramenti introdotti in quasi un secolo di sviluppo l affermazione commerciale dei processi di gassificazione delle biomasse ancora subordinata alla risoluzione di problemi quali il miglioramento della qualit del syngas prodotto in termini soprattutto di contenuto di TAR polveri e altri inquinanti ma anche l incremento
42. migliore nel diminuire la quantit di azoto ammoniacale NH4 N dovuto all accumulo dell azoto nitrato NO3 N I risultati mostrano che la filtrazione dei solidi sospesi e l aggiunta di NaCl migliorano l efficienza dell ossidazione elettrochimica nella rimozione dell NH4 N nell effluente digestato 286 Un altro esempio di trattamento combinato prevede l utilizzo di sistemi convenzionali aerobici come i reattori a fanghi attivi FA i sistemi SBR Sequencing Batch Reactor e i sistemi aerobici a bio film come RBC Rotating Biological Contractor con sistemi anaerobici come UASB o filtri anaerobici ibridi Queste tecnologie permettono di lavorare con velocit di carico pi elevate e evitano il washing out della biomassa Il trattamento anaerobico aerobico di acque reflue di vinificazione un esempio di trattamento combinato Questo tipo di trattamento si adatta pi facilmente ai diversi carichi e flussi di prodotto durante le diverse fasi dell anno Permette di rimuovere un pi elevato carico di COD 98 5 99 2 rispetto 128 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA al solo trattamento aerobico 96 3 97 9 inoltre evidenzia rapidi tempi di recupero dopo periodi in cui si ha scarsit di reflui 287 Sempre nell ambito del trattamento combinato aerobico anaerobico un altro esempio viene dal trattamento di acque reflue industriali derivate da un processo Fischer Tropsch Queste acque di
43. minuti Le soluzioni zuccherine ottenute dal processo di idrolisi sono inviate ai fermentatori per la produzione dell etanolo La fase solida residua nei reattori di idrolisi contenente cellulosa e lignina viene usata come combustibile nelle caldaie per produrre energia elettrica e vapore Il National Renewable Energy Laboratory ha riportato i risultati relativi all idrolisi con acido diluito di legno 84 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA dolce nelle condizioni operative sopra elencate I risultati pi rimarchevoli sono resa dell 89 per il mannosio dell 82 per il galattosio e del 50 per il glucosio la fermentazione con Saccharomyces cerevisiae garantisce una resa in etanolo del 90 226 L idrolisi enzimatica rappresenta l innovazione tecnologica pi recente nel processo di produzione dell etanolo da biomassa Infatti mentre la sintesi degli zuccheri da sostanze legnose con metodi chimici vanta 200 anni di ricerca e 100 anni di sviluppo processistico l uso degli enzimi per l idrolisi della biomassa iniziato circa 50 anni fa Attualmente nonostante il processo sia piuttosto lento l idrolisi enzimatica molto utilizzata in quanto non si ottengono prodotti di degradazione del glucosio L idrolisi avviene ad opera dell enzima cellulasi ottenuto dal fungo Trichoderma viride noto anche come Trichoderma reesei 228 229 Il Trichoderma reesei rilascia una miscela di cellulasi 2 cel
44. per la produzione del biocarburante oppure utilizzare i prodotti di scarto per produrre biogas come fonte di energia interna 127 Tra le ricerche in corso vi quella dell ENEA presso il Centro Ricerche Trisaia finalizzato all ottimizzazione dei processi di pretrattamento delle biomasse via steam explosion dell idrolisi enzimatica e della fermentazione per rendere competitiva la produzione di etanolo mediante processi biologici 208 88 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 LA DIGESTIONE ANAEROBICA L obiettivo che tradizionalmemente si intende conseguire con l applicazione dei processi biotecnologici ambientali al trattamento dei reflui consiste nell eliminazione delle sostanze inquinanti in modo da generare un residuo liquido gassoso o solido che possa essere reintegrato nell ambiente naturale senza provocare effetti dannosi Dato l interesse crescente nell uso efficace delle risorse naturali col trattamento pu essere conveniente conseguire anche un secondo obiettivo il recupero di nutrienti specifici ad es azoto fosforo ecc o la produzione di prodotti organici specifici metano solventi organici ecc L aggiunta di un secondo obiettivo varia lo status dei differenti reflui generati dall agroindustria il rifiuto che diventa materia prima per la produzione di specifiche sostanze chimiche o addirittura un vettore energetico Da qui nasce un settore di ricerca che combina gli elementi
45. processo deve essere attentamente studiato e necessita di specifici catalizzatori dal momento che il bio olio presenta una spiccata tendenza alla formazione di depositi carboniosi 2 4 1 Produzione di energia Il principale prodotto della pirolisi l olio specie nella fast pirolisi La frazione gassosa e il char sono prodotti in minori quantitativi e comunque vengono solitamente utilizzati per produrre l energia termica richiesta dal reattore pirolitico L olio pirolitico pu sostituire egregiamente lolio combustibile di origine fossile come confermato da numerosi esperimenti in caldaie motori a combustione interna e turbine a gas 125 126 I motori a combustione interna e le turbine a gas appaiono di particolare interesse soprattutto perch sono disponibili unit anche di piccola potenza Fatta salva la produzione di energia termica per usi di riscaldamento l impiego in caldaie avviene in co combustione con carbone in impianti di grande taglia Dalle numerose sperimentazioni condotte sui motori a combustione interna a ciclo Diesel condotte fino ad oggi emerso che il sistema non appare ancora 50 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA pienamente affidabile Uno degli aspetti pi critici rappresentato dalla bassa qualit dell olio pirolitico che necessita infatti prima dell impiego in motori Diesel di una accurata depurazione dalle sostanze solide di una miglioramento delle caratteristiche di stabilit
46. progettazione e realizzazione dello scambiatore di calore Analogamente una notevole attivit di ricerca volta a minimizzare le problematiche di sporcamento e corrosione nel sistema di combustione delle biomasse nonch nella integrazione ottimale fra tale combustore e lo scambiatore di calore Al fine di migliorare le prestazioni globali dell impianto vengono anche attivamente studiate differenti modalit di recupero energetico dell energia termica allo scarico della turbina come per esempio i cicli evaporativi Ar Figura 2 6 Impianto EFGT 28 Di LI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Centrali Diesel ad olio vegetale L impiego degli oli vegetali grezzi per l alimentazione di motori a ciclo diesel di grande taglia 5 15 MWe con rendimenti netti del 45 47 destinati alla produzione di energia elettrica rappresenta un elemento di grande novit nel panorama mondiale con l Italia che in questo settore riveste peraltro un ruolo di primissimo piano Nel 2004 la ItalGreen Energy di Monopoli ha infatti realizzato il pi grande impianto a livello mondiale costituito da 3 motori diesel per un totale di 24 MWe La ItalGreen Energy nel 2007 ha poi installato altri sei motori da 17 MWe ciascuno per un totale di 100 MWe Altri impianti con potenze variabili fra 20 e 100 MWe sono operativi o in fase di realizzazione in Toscana Campania Marche Friu
47. rifiuti urbani biologici trattati meccanicamente l accumulo di metalli pesanti e di altri contaminanti inerti e l impatto di entrambi questi fattori sulla qualit finale dei fanghi Su vasta scala potrebbero essere richieste delle prove che permettono di valutare l impatto a lungo termine dei rifiuti sulla digestione anaerobica se questa dovesse essere perseguita Una migliore qualit del materiale di partenza dovrebbe essere in grado di favorire un aumento della resa del metano ma anche di ridurre le restrizioni nel riutilizzo del prodotto I miglioramenti nella raccolta e nel pre trattamento rappresentano la soluzione per ridurre questi ostacoli 263 La codigestione di rifiuti organici con i fanghi di depurazione pu aumentare la produzione di gas e permette di risparmiare sui costi di gestione globali dell impianto E stato condotto uno studio sul trattamento di un percolato di discarica contenente elevate concentrazioni di ammoniaca utilizzando un reattore anaerobico di tipo upflow Al fine di evitare l inibizione dei batteri anaerobici per l altissima concentrazione di ammoniaca l influente introdotto nei biofiltri stato diluito con le acque di vegetazione della molinatura delle olive AV e con 114 i sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA acqua di rete Il risultato stato positivo in quanto si ottenuta una efficiente rimozione del COD di circa il 50 264 Sempre nell ambito della co
48. scarichi acquosi dei frantoi oleari ammontano a circa trenta milioni di metri cubi all anno 268 Se non trattati questi reflui costituiscono una grossa minaccia per l ambiente dovuto all elevato carico organico ed alla forte richiesta chimica di ossigeno COD Va premesso che sono stati seguiti diversi approcci per superare questi problemi ad es la diluizione delle AV con acqua il ricorso a trattamenti chimico fisici o nel caso dei trattamenti biologici l aggiunta di urea come sorgente di azoto per sopperire alla scarsa presenza di questo elemento nelle AV Quindi il ricorso alla digestione anaerobica di tali reflui costituisce spesso il metodo di trattamento auspicabile in quanto determina una riduzione del COD distrugge i prodotti tossici presenti e porta alla produzione del biogas fonte di energia rinnovabile Dati sull utilizzo della degradazione anaerobica per il trattamento delle AV riportano riduzione del COD di circa 80 269 115 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA D altra parte l aggiunta d acqua per la diluizione porterebbe ad un non necessario aumento del volume dell effluente e l addittivazione di reagenti chimici non auspicabile ne dal punto di vista economico ne da quello ambientale 270 271 e quindi ad un ulteriore conferma della convenienza del trattamento con la digestione anaerobica Il modello di codigestione letame AV citato in precedenza stato utilizzato
49. sviluppati sono quelli basati sull immobilizzazione su aerogel di silice 204 su celite 142 su idrotalciti 205 e diversi tipi di zeoliti 205 206 75 Unione Europea amp SARDEGNA RICERCHE REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA La Tabella 3 5 riporta un elenco non esaustivo di alcuni lavori scientifici concernenti l uso di lipasi immobilizzate nella produzione di biodiesel Tabella 3 5 Lipasi immobilizzate utilizzate per la produzione di biodiesel Lipasi Nome Commerciale Produttore Supporto Rif SP435 Novo Resina acrilica 140 Candida antarctica Novozym 435 Novo Resina acrilica 184 Chromobacterium viscoum Asahi Celite 545 141 Porcine pancreatic Sigma Resina a scambio ionico 175 Pseudomonas cepacia PS Amano Matrice sol gel 181 PS D Amano Terra di diatomee 152 Pseudomonas fluorescens AK Amano Accurel MP1004 193 AK Amano Porous kaolinite 207 AK Amano Polipropilene EP100 172 Mucor Miehei Lipozyme IM60 Novo Resina a scambio anionico 140 Thermomyces lanuginosa Lipozyme TL IM Novo Resina acrilica 179 76 Ea te SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA RICERCHE 3 4 IL BIOETANOLO Il bioetanolo un combustibile derivato da materie prime rinnovabili quali barbabietola o canna da zucchero mais frumento paglia e legno Esso presenta delle caratteristiche chimico fisiche che lo rendono un carburante affine alla benzina alla quale pu
50. tradizionali della biotecnologia ambientale in termini di decontaminazione dei reflui con la biotecnologia industriale che mira alla massimizzazione del prodotto La digestione anaerobica il classico esempio di un processo che combina gli obiettivi della eliminazione dei composti organici da un refluo con la generazione di un prodotto di valore sotto forma di biogas contenente metano Lo sviluppo della tecnologia della digestione anaerobica stata attuata in Europa per i residui di cibo food residuals da oltre 30 anni sotto la spinta del problema della graduale diminuzione dello spazio per le discariche controllate Tre diverse fasi dello sviluppo della tecnologia sono avvenute durante queste tre decadi Primo i governi europei hanno finanziato la ricerca per dare inizio alla promozione della tecnologia della digestione anaerobica con la conseguenza di ampia attivit di sperimentazione durata circa dieci anni Secondo negli anni 80 e 90 sono stati sviluppati impianti pilota e dimostrativi Terzo questo lavoro ha portato alla fase di commercializzazione che iniziata negli anni 90 ancora in atto Nel corso degli ultimi 10 anni lo sviluppo della tecnologia della digestione anaerobica stato notevole in molti paesi europei tra cui l Italia Ha ottenuto crescente credibilit in seguito al successo della sua applicazione sia in campo industriale che in altri settori In relazione all uso tradizione della digestione anaerobica p
51. un letto ad alta concentrazione di biomassa separato dalla fase sovrastante blanket costituita da una fase liquida con una 104 i sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA modesta concentrazione di solidi in sospensione Non sono previsti sistemi di agitazione meccanica in quanto determinerebbero la rimozione del letto di fango La turbolenza e la miscelazione necessaria sono garantite dalla risalita del flusso liquido e del biogas che esercitano tra l altro una pressione selettiva sulla flora batterica realizzando cos la selezione delle specie che formano i granuli I solidi sospesi rimasti nell effluente possono essere recuperati in una zona di calma in testa al reattore e riciclati quindi nel sistema 244 Il principale problema di questo tipo di reattore determinato dalla scarsa conscenza del meccanismo di formazione dei granuli i quali si formano e si mantengono con difficolt eccetto che nel trattamento di particolari influenti Ne consegue che in particolari condizioni elevati carichi idraulici ed alte produzioni di gas si verifica la perdita di biomassa per wash out in particolare nella fase iniziale del processo quando la biomassa non ben aggregata Quindi il lungo periodo di avvio del processo necessario alla formazione di un adeguata quantit di granuli costituisce uno dei principali svantaggi di questo bioreattore Un altro aspetto negativo rappresentato dal fatto che l effluente da
52. utilizing inibitory substrates Biotechnology and Bioengineering 1969 10 p 707 723 Angelidaki I Ahing B K Ellegaard L Modelling anaerobic co digestion of manure with olive mill effluent Water Sci Technol 36 6 7 1997 p 263 270 Zouari N Ellouz R Toxic effect of coloured olive compounds on anaerobic digestion of olive oil mill effluent in UASB like reactors J Chem Tech Biotech 1996 66 p 414 420 Aveni A Biogas recovery from olive oil mill wastewater by anaerobic digestion ed F M P Rreffero G L and Naveau H 1984 Essex Elsevier Applied Science Pubblisher 489 491 Boari G Brunetti A Passino R and Rozzi A Anaerobic digestion of olive oil mill wastewaters Agricul Wastes 1984 10 p 161 175 Boari G Mancini I M and Trulli E Anaerobic digestion of olive oil mill effluent pretreated and stored in municipal solid waste sanitary landfills Water Science and Technology 1984 28 p 27 34 Holliger C The Anaerobic microbiology and biotreatment of chlorinated ethenes Current Opinion Biotechnol 1995 6 p 347 351 Mohn W W and Tiedje J M Microbial reductive dehalogenation Microbiol Rev 1992 56 3 p 482 507 Van Eekert M H A Gratuitous dechlorination of chloroethanes by methanogenic granular sludge Appl Microbiol Biotechnol 1999 51 p 46 52 Speece R E Anaerobic Biotechnology for Industrial Wastewaters ed A Press 1996 Nashville USA Grotenhuis J T C Plugge C M St
53. vapore sottoposto I I rendimenti di un impianto a ciclo combinato possono toccare il 55 60 nel caso di alimentazione con gas naturale Nel caso in cui esso venga alimentato con syngas derivante da processi di gassificazione in tal caso si parla di impianti IGCC Integrated Gasification Combined Cycle che nel caso delle biomasse sono spesso indicati anche con l acronimo BGCC Biomass Gasification Combined Cycle pu consentire rendimenti anche superiori al 45 Gli impianti IGCC di pi grande taglia 300 500 MWe sono attualmente alimentati con carbone o con TAR di raffineria e presentano rendimenti netti dell ordine del 42 45 Nel caso delle biomasse gli impianti BGCC sono di fatto proponibili solo per gli impianti di elevata potenza per ragioni economiche tali impianti appaiono giustificati solo per potenze superiori a circa 40 50 MWe In alternativa il syngas prodotto da piccoli 42 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA gassificatori potrebbe essere alimentato ad un impianto a ciclo combinato di grande taglia in miscela con gas naturale 90 92 Poich nel settore delle biomasse sono di notevole interesse soprattutto impianti di minore potenza la ricerca si sta indirizzando verso soluzioni meno complesse basate su turbine a gas in ciclo semplice o misto Come detto un impianto a ciclo combinato gas vapore integrato con una processo di gassificazione pu consentire rendimenti dell ordine del 45 50 Tutta
54. 006 sono state consumate 603 milioni di tonnellate di petrolio di cui il 47 nel settore dei trasporti su strada e l 8 nel trasporto aereo Figura 3 1 127 L industria dei carburanti utilizza quasi esclusivamente combustibili fossili circa il 98 e a differenza di quanto previsto per gli altri settori il consumo di petrolio per i trasporti avr il tasso di crescita pi elevato nei prossimi anni Questo dato unito alla rapidit con la quale le risorse energetiche fossili si stanno esaurendo sta portando ad un continuo aumento del prezzo del greggio e ad una conseguente diminuzione della sicurezza energetica Aviation 8 Non energy uses 14 Road Transport 47 Other 8 Industry 9 Households Electric 9 Power 5 Figura 3 1 Uso dei prodotti petroliferi per settore fonte Eurostat 2007 Inoltre il settore trasporti l unico che negli ultimi 15 anni ha dato luogo ad un incremento significativo delle emissioni di CO il pi importante gas serra in quanto responsabile del 95 delle emissioni dovute alle attivit umane 53 Esa te SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA RICERCHE Ci si attende che questo trend continui nei prossimi anni rendendo quindi difficile il raggiungimento degli obiettivi fissati dal protocollo di Kyoto In sintesi le prospettive di un incremento nell uso di carburanti nel settore trasporti porteranno sia ad un aumento della dipendenza dalle imp
55. 03 44 9 p 1465 1479 Baxter L Biomass coal co combustion opportunity for affordable renewable energy Fuel 2005 84 10 p 1295 1302 Hammerschmid A S I Obernberger G Bios Bioenergiesysteme Austria R Piatkowski and D IDEA Germany Demonstration and Evaluation of an Innovative Small Scale Biomass CHP Module Based on a 730 kWel Screw Type Steam Engine in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome 147 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 36 37 38 39 40 41 42 43 44 45 46 47 48 49 50 SI 52 53 54 55 Drescher U and D Br ggemann Fluid selection for the Organic Rankine Cycle ORC in biomass power and heat plants Applied Thermal Engineering 2007 27 1 p 223 228 Heinim J M YTI Research Centre Finland J P v Buijtenen G Tri O Gen The Netherlands J Backman F Lappeenranta University of Technology A Ojaniemi J Elomatic Papertech Engineering Finland H Malinen and F Mikkeli Polytechnic High Speed ORC Technology for Distributed Electricity Production in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome P T Thonhofer E R R I O Obernberger G Bios Bioenergiesysteme Austria M G Gaia B Turboden Italy M B Born and G Technische Universit t Bergakademie Freiberg
56. 1 Generalit sul processo alain 90 4 1 2 Parametri di PE OCSSS Oi scri iiin ai 91 4 1 3 Parametri di gestione del reattore sssssssssesessersesrsrerrsrresrsrsresrsrereees 91 4 1 4 Parametri di stabilit del Processo 92 4 1 5 Produzione potenziale di Metano inci 94 4 1 6 Requisiti per la digestione anaerobica eeeeseeeeeteeeeeeees 95 4 1 7 Vantaggi e svantaggi del trattamento anaerobico 96 1 DEG Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA a 4 2 REATTORI ANAEROBICI lla 98 4 2 1 Impianti Semplificati ssssssesssseeseeresestseeerrerrstsertststsrerrrrsrsrsrsrestsrereees 98 4 2 2 Reattori a Crescita Sospesa ina 99 4 2 3 Reattori podisti 104 4 2 4 Altri tipi ditesttortiblidi acii iii 106 4 3 SUBSTRATI UTILIZZABILI PER LA DIGESTIONE ANAEROBICA 107 44 Classificazione Biomasse ina 107 4 5 FRAZIONE ORGANICA DEI RIFIUTI SOLIDI URBANI FORSU 109 4 5 1 Composizione GEL Licata 109 4 5 2 Pre tratta merito nea 110 4 5 3 Problemi specifici per la digestione anaerobica nei RSU 111 4 5 4 Vantaggi della digestione anaerobica nei RSU 111 4 5 5 Effetto del Calore e della Microaerazione nella Digestione Ana robica della FORSU sora 111 4 5 6 Modellazione del Froeessdclaaaia ipa 113 4 6 CODIGESTIONE en 114 4 6 1 Modello Matematico Applicato alla Codigestione 115 4 7 DIGESTIONE ANAEROBICA DI COMPOSTI TOSSICI e EFFETTI PINB
57. 2 TeCA si forma 0 62 ppm di 1 1 DCE per ogni ppm di 1 1 1 2 TeCA degradato Questo significa che il 100 del 1 1 1 2 TeCA viene convertito in 1 1 DCE In accordo con questi risultati si possono individuare due vie di biodegradazione possibili v dicloroeliminazione v declorurazione e deidroclorazione riduttiva 118 fi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA In accordo con l assenza dell intermedio 1 1 2 TCA che non mai stato trovato e considerando che la deidroclorurazione avviene lentamente si pu assumere che la dicloroeliminazione sia la principale via di degradazione che pu avere luogo Tenendo conto che l eliminazione di due cloruri e la formazione di un doppio legame richiede l intervento di una donazione di elettroni i risultati suggeriscono che la donazione degli elettroni deriva dalla digestione endogena dei fanghi Per confermare questi risultati sono stati usati due reattori UASB e sono stati condotti due esperimenti con e senza cosubstrato La biotrasformazione dello 1 1 1 2 TeCA risultata completa nei due casi I risultati mostrano che questo composto facilmente e rapidamente biodegradato in condizioni anaerobiche metanogeniche anche in assenza di elettron donatori L 1 1 1 2 TeCA viene degradato a 1 1 dicloroetene 1 1 DCE per dicloroeliminazione riduttiva L 1 1 DCE viene biodegradato completamente solo in presenza di acido lattico come cosubstrato Bench 1 1 1 1 2 TeCA pot
58. 8 102 103 104 Nel caso di impiego del syngas le attivit di ricerca si concentrano sulla ottimizzazione della cella a combustibile e sulla ottimale integrazione dell intero impianto Infatti nel caso di impiego del syngas all interno della cella sia SOFC sia MCFC cambiano notevolmente i flussi termici in quanto si riduce la richiesta energetica per il reforming del combustibile che in questo caso gi una miscela di CO e H2 con poco metano e aumenta la portata di ossigeno richiesta con un minore fattore utilizzazione dell aria Inoltre la disponibilit di energia termica anche nella sezione di raffreddamento del syngas specie nei gassificatori a letto fluido e con depurazione a caldo accresce la necessit di una attenta integrazione termica fra le diverse sezioni 99 100 Le citate celle a combustibile ad alta temperatura accettano all ingresso combustibili di diverso tipo mentre altre tipologie come le celle ad acido 44 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA fosforico PAFC le celle alkaline AFC e le celle ad elettrolita polimerico PMFC richiedono in alimentazione idrogeno puro essendo peraltro il CO dannoso per la cella stessa 96 97 Evidentemente in questo caso l alimentazione di queste celle mediante il syngas prodotto dalla gassificazione delle biomasse cos come del carbone richiede la preventiva produzione di idrogeno Una delle pi invitanti opzioni per il futuro infatt
59. 9 26 Chen J W and W T Wu Regeneration of immobilized Candida antarctica lipase for transesterification J Biosci Bioeng 2003 95 p 466 469 Du W Y Xu J Zeng and D Liu Novozym 435 catalysed transesterification of crude soya bean oil for biodiesel production in a solvent free medium Biotechnol Appl Biochem 2004 40 p 187 190 Tuter M H A Aksoy E E Gilbaz and E Kursun Synthesis of fatty acid esters from acid oils using lipase B from Candida antarctica Eur J Lipid Sci Technol 2004 106 p 513 517 Chang H M H F Liao C C Lee and C J Shieh Optimized synthesis of lipase catalyzed biodiesel by Novozym 435 J Chem Technol Biotechnol 2005 80 p 307 312 155 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 198 199 200 201 202 203 204 205 206 207 208 209 210 211 212 213 214 215 216 217 Dossat V D Combes and A Marty Continuous enzymatic transesterification of high oleic sunflower oil in a packed bed reactor influence of the glycerol production Enzyme Microbial Technol 1999 25 p 194 200 Shieh C J H F Liao and C C Lee Optimisation of lipase catalyzed biodiesel by response surface methodology Biores Technol 2003 88 p 103 106 Pedersen S and M W Christensen Immobilized biocatalysts in Applied biocatalysis A J J Straathof and P Adlercreutz Editors 2000 Harwood Aca
60. AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 7 DIGESTIONE ANAEROBICA DI COMPOSTI TOSSICI E EFFETTI D INIBIZIONE 4 7 1 Composti Recalcitranti e Xenobiotici Gli idrocarburi alifatici clorurati CAH sono usati in una grande varieta di applicazioni 272 e vista la loro tossicita e cancerogenicita la maggior parte di essi inclusa nella List of the Council directive 76 464 EC e nella lista EPA USA dei principali inquinanti ambientali I composti che fanno capo a questo gruppo riscontrati in numerosi scarichi industriali sono citati come inibitori della digestione anaerobica 273 essendo considerati piti tossici per i microrganismi anaerobici che per quelli aerobici Gli idrocarburi alifatici clorurati vengono usati come solventi e come intermedi nelle sintesi chimiche Se rilasciati nell ambiente costituiscono un serio rischio per l ambiente per via della loro tossicit e elevata stabilit I CAH sono considerati composti xenobiotici bench alcuni specialmente i clorometani sono rilasciati da alghe funghi vulcani 274 Comunque la maggior parte dei CAH sono d origine antropogenica e vengono comunemente considerati recalcitranti alla biodegradazione La maggior parte delle informazioni disponibili sui composti clorurati legata alla degradazione ossidativa poich i processi aerobici sono sempre stati considerati i pi efficaci e di pi facile applicazione Informazioni aggiuntive sulla biotrasformazione dei CAH hanno provato che
61. Bioeng 2000 90 p 180 183 Du W Y Xu and D Liu Lipase catalysed transesterification of soya bean oil for biodiesel production during continuous batch operation Biotechnol Appl Biochem 2003 38 p 103 106 Xu Y W Du J Zeng and D Liu Conversion of soybean oil to biodiesel fuel using lipozyme TL IM ina solvent free medium Biocatal Biotransf 2004 22 p 45 48 Noureddini H X Gao and R S Philkana Immobilized Pseudomonas cepacia lipase for biodiesel fuel production from soybean oil Biores Technol 2005 96 p 769 777 Kaieda M T Samukawa T Matsumoto K Ban A Kondo Y Shimada H Noda F Nomoto K Ohtsuka E Izumoto and H Fukuda Biodiesel fuel production from plant oil catalyzed by rhizopus oryzae lipase in a water containing system without an organic solvent J Biosci Bioeng 1999 88 p 627 631 Watanabe Y Y Shimada A Sugihara and Y Tominaga Conversion of degummed soybean oil to biodiesel fuel with immobilized Candida antarctica lipase J Mol Catal B Enzym 2002 17 p 151 155 Shimada Y Y Watanabe T Samukawa A Sugihara H Noda H Fukuda and Y Tominaga Conversion of vegetable oil to biodiesel using immobilized Candida antarctica lipase J Am Oil Chem Soc 1999 76 p 789 793 Watanabe Y Y Shimada A Sugihara H Noda H Fukuda and Y Tominaga Continuous production of biodiesel fuel from vegetable oil using immobilized Candida antarctica lipase J Am
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63. Esa te SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA FASE B Definizione delle attivit di R amp S ANALISI DELLO STATO DELL ARTE DELLA RICERCA SCIENTIFICA NEL SETTORE DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA DA BIOMASSE RAPPORTO FINALE P O R SARDEGNA 2000 2006 MISURA 3 13 RICERCA E SVILUPPO TECNOLOGICO NELLE IMPRESE E NEL TERRITORIO Settembre 2008 di 7o m tact nv Igea euroconidac equilibrio possibile Servizi integrati per lo sviluppo locale Via della Maglianella 65 T 00166 Roma P zza Repubblica 4 Universita di Cagliari www igeam it 09125 Cagliari Via Universita 40 info igeam it Tel 07044813 09123 Cagliari tel 06 669911 Fax 070456263 www unica it fax 06 66991330 eurocontact eurocontact it De te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Daniele Cocco Antonio Lallai2 Giampaolo Mura Marcella Pinna Maria Cristina Pinna Andrea Salis e Vincenzo Solinas 1Dipartimento di Ingegneria Meccanica Dipartimento di Ingegneria Chimica Piazza D armi 09100 Cagliari CA 3Dipartimento di Scienze Chimiche Complesso Universitario SS 554 bivio Sestu 09042 Monserrato CA Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Indice 1 LE FILIERE DI CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE 4 2 IPROCESSI DI CONVERSIONE TERMOCHIMICA 9 2 1 PROBLEMATICHE COMUNI ALLE TRE FILIERE TERMOCHIMICHE lai 10 2 2 PROCESSI DI COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE sissds
64. H2 E importante perci stabilire il metabolismo dei batteri che danno come prodotto finale l acetato ed il butirrato La fermentazione dei prodotti finiti negli effluenti per la produzione di idrogeno necessit di una ulteriore fase Una resa elevata pu essere ottenuta mediante la fotofermentazione batterica 283 126 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 9 TRATTAMENTI COMBINATI L abbattimento completo delle sostanze inquinanti di certe acque reflue pu essere raggiunto con difficolt qualora si addotti un singolo metodo di trattamento biologico La combinazione di un trattamento biologico con un processo chimico o con un altro trattamento biologico consente in molti casi di ottimizzare il processo globale La scelta del secondo processo fatta per facilitare il primo e per ottenere un trattamento globale dei reflui pi efficace Si possono citare a titolo d esempio delle situazioni tipo in cui necessario procedere al trattamento dei rifiuti in due fasi v presenza di composti recalcitranti v presenza di composti recalcitranti che richiedono un trattamento chimico v presenza di inibitori v formazione di composti chimici e biologici di degradazione Ciascuno di questi rifiuti deve essere considerato separatamente per decidere quale trattamento chimico o biologico sia pi opportuno applicare in quale ordine e quanto estendere un trattamento prima di passare al successivo L acc
65. IDEA Germany Demonstration and Evaluation of an Innovative Small Scale Biomass CHP Module Based on a 730 kWel Screw Type Steam Engine in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome Demirbas A Combustion characteristics of different biomass fuels Progress in Energy and Combustion Science 2004 30 2 p 219 230 MclIlveen Wright D R B C Williams and J T McMullan A re appraisal of wood fired combustion Bioresource Technology 2001 76 3 p 183 190 Sondreal E A S A Benson J P Hurley M D Mann J H Pavlish M L Swanson G F Weber and C J Zygarlicke Review of advances in combustion technology and biomass cofiring Fuel Processing Technology 2001 71 1 3 p 7 38 Tillman D A Biomass cofiring the technology the experience the combustion consequences Biomass and Bioenergy 2000 19 6 p 365 384 Hus P J and D A Tillman Cofiring multiple opportunity fuels with coal at Bailly Generating Station Biomass and Bioenergy 2000 19 6 p 385 394 Wieck Hansen K P Overgaard and O H Larsen Cofiring coal and straw in a 150 MWe power boiler experiences Biomass and Bioenergy 2000 19 6 p 395 409 Sami M K Annamalai and M Wooldridge Co firing of coal and biomass fuel blends Progress in Energy and Combustion Science 2001 27 2 p 171 214 Demirbas A Sustainable cofiring of biomass with coal Energy Conversion and Management 20
66. IZIONE cn 117 4 7 1 Composti Recalcitranti e Xenobiotici n 117 4 7 2 Effetto di Composti Tossici in un Reattore UASB 119 4 7 3 Biodegradazione Anaerobica e Tossicit di Clorofenoli Trattati con Reattori Anaerobic a Letto FILIAIRORO igincssoseaieiietused sncetesassceysdsacehvndesaetnanene 120 4 7 4 Altri Inibitori e Composti TOSSICI 122 4 8 PRODUZIONE DI IDROGENO ine 123 4 8 1 TIPLOLISTMENTAZIONE scia 124 4 8 2 Enterobacter Bacillus e Clostridium per la Produzione di JAFO ZEN ese 125 49 TRATTAMENITCOMBINATIL nn 127 5 DETERMINAZIONE DELLE ATTIVITA GENERALI DA ATTIVARE PER UNA EFFICACE RICADUTA SUL TERRITORIO REGIONALE 130 51 ATTIVIT DI RICERCA NEL SETTORE DELLE BIOMASSE DA SVILUPPARE IN SARDEGNA siie aiaa aair 131 5 1 1 Problematiche comuni ai diversi settori di utilizzo energetico delle DIOMASSE orietan E EATE TROR OR NEEE EAE T 131 5 1 2 Processi di conversione termochimica 133 5 1 3 BIoCeGMDbLA IIa ia 135 esa te EG Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA a 5 1 4 Processi di digestione ANACTO Dica 139 5 2 FORMAZIONE DI PERSONALE ADDETTO ALLA RICERCA NEL SETTORE DELLE bIOMAesSE i 143 53 CONCLUSIONI lei 144 6 Bibliografia 146 esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 1 LEFILIERE DI CONVERSIONE ENERGETICA DELLE BIOMASSE Come ben noto con il termine biomassa si definisce una categoria di composti
67. Oil Chem Soc 2000 77 p 355 360 Abigor R D P O Uaudia T A Foglia M J Hass K C Jones E Okpefa J U Obibuzor and M E Bafor Lipase catalysed production of biodiesel fuel from some Nigerian lauric oils Biochemical Society Transactions 2000 28 p 979 981 K se O M T ter and H A Aksoy Immobilized Candida antartica lipase catalyzed alcoholysis of cotton seed oil in a sovent free medium Biores Technol 2002 83 p 125 129 Soumanou M M and U T Bornscheuer Lipase catalyzed alcoholysis of vegetable oils Eur J Lipid Sci Technol 2003 105 p 656 660 Kamini N R and H Iefuji Lipase catalyzed methanolysis of vegetable oils in aqueous medium by Cryptococcus spp S 2 Process Biochem 2001 37 p 405 410 Lai C C S Zullaikah R S Vali and Y H Ju Lipase catalyzed production of biodiesel from rice bran oil J Chem Technol Biotechnol 2005 80 p 331 337 Lee K T T A Foglia and K S Chang Production of alkyl ester as biodiesel from fractionated lard and restaurant grease J Am Oil Chem Soc 2002 79 p 191 195 Hsu A F K C Jones T A Foglia and W N Marmer Continuous production of ethyl esters of grease using an immobilized lipase J Am Oil Chem Soc 2004 81 p 749 752 Salis A M Pinna M Monduzzi and V Solinas Comparison among immobilised lipases on macroporous polypropylene toward biodiesel synthesis Journal of Molecular Catalysis B Enzymatic 2008 54 1 2 p 1
68. S sono pi adatti al trattamento di digestione anaerobica La composizione dei rifiuti influenza sia la resa del biogas che la qualit del compost 252 4 5 2 Pre trattamento Separazione alla fonte mediante raccolta differenziata dei rifiuti i materiali riciclabili vengono separati all origine dai rifiuti organici Separazione meccanica essa pu essere usata per separare la frazione organica dei rifiuti qualora fosse necessario La frazione ottenuta pi contaminata poich potrebbe contenere metalli pesanti e plastica In molti paesi il compost derivato dalla separazione meccanica non conforme alle norme necessarie per il suo utilizzo come condizionante del terreno 254 Una volta separati dai rifiuti i materiali riciclabili o quelli non desiderati il materiale organico deve essere tritato prima della sua immissione nel digestore Il materiale organico viene disperso in un liquido acque reflue acqua riciclata dal digestato o acqua grezza ad es per uso irriguo In alcuni sistemi un pretrattamento aerobico permette al materiale organico di essere parzialmente decomposto in condizioni aerobiche prima che venga immesso nella fase anaerobica 251 110 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 5 3 Problemi specifici per la digestione anaerobica nei RSU v La natura dei rifiuti organici pu variare in relazione all area geografica ed al periodo dell anno Nella stagione umida la quantit de
69. SCITA INGRESSO P LIQUAME UQUAME j Figura 4 4 Schema di reattore con flusso a pistone fonte CETA Processo in reattore con ricircolo o reattori per contatto Nelle tipologie impiantistiche gi descritte il tempo di permanenza idraulico risulta pari al tempo di permanenza della biomassa attiva i microrganismi all interno del reattore Se invece si ricircola al bioreattore parte della biomassa presente nell effluente si riesce ad aumentare il tempo di permanenza della biomassa attiva del reattore il che consente di realizzare pi elevate efficienze di degradazione della sostanza organica La separazione solido liquido sull effluente viene di norma realizzata con dei semplici sedimentatori BIOREATTORE SEPARAZIONE SOLIDO LIQUIDO INGRESSO EFFLUENTE LIQUAME CHIARIFICATO FANGO DI SUPERO Figura 4 5 Schema di reattore biologico con ricircolo 4 2 2 3 Reattori a Crescita Supportata o Biomassa Adesa In questi reattore la biomassa cresce adesa a supporti inerti di diverso tipo formando una pellicola sottile ma densa Questo permette al reattore di 101 Pi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA trattenere efficacemente la biomassa che si forma nel suo interno anche in presenza di flussi notevoli di gas e o di liquido Inoltre sono caratterizzati da una maggiore stabilit dovuta al formarsi nell ambito del biofilm di un microambiente avente caratteristiche ottimali di difficile perturb
70. TURA GASOMETRICA SV CIN USCITA Pi LIQUAME SCAMBIATORE DI CALORE INGRESSO LIQUAME Figura 4 3 Schema di reattore a miscelazione completa fonte CETA 4 2 2 2 Reattori con flusso a pistone plug flow Questi digestori sono caratterizzati dal flusso orizzontale del liquame essi sono dotati di sistema di riscaldamento di agitatori e gasometro In questo tipo di processi una delle dimensioni del reattore risulta maggiore dell altra di conseguenza si potranno avere reattori sviluppati di pi lungo l asse orizzontale o lungo quello verticale Nella Figura 4 4 riportata una rappresentazione schematica del reattore con flusso a pistone Il processo ideale prevede l alimentazione continua o semi continua da un lato del reattore e successivo avanzamento lungo uno degli assi del reattore 100 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA verso l uscita senza che avvenga mescolamento lungo questa direzione l unico mescolamento possibile quello in direzione ortogonale rispetto all asse di avanzamento della corrente in ingresso Inoltre il tempo di residenza di ogni elemento di liquido corrisponde effettivamente al tempo di residenza idraulico e la concentrazione dei composti lungo l asse di avanzamento sar quindi variabile Motivi di natura tecnica ed economica ne limitano la taglia a 300 400 m di volume AGITATORE SCAMBIATORE DI CALORE E BIOGAS gt Sala _ e f nad m r an U
71. a M J Negro P Manzanares and I Ballesteros Ethanol from lignocellulosic materials by a simultaneous saccharification and fermentation process SFS with Kluyveromyces marxianus CECT 10875 Process Biochemistry 2004 39 12 p 1843 1848 Ballesteros I J Oliva M Negro P Manzanares and M Ballesteros Ethanol production from olive oil extraction residue pretreated with hot water Applied Biochemistry and Biotechnology 2002 98 100 1 p 717 732 Hamelinck C N G v Hooijdonk and A P C Faaij Ethanol from lignocellulosic biomass techno economic performance in short middle and long term Biomass and Bioenergy 2005 28 4 p 384 410 Sun Y and J Cheng Hydrolysis of lignocellulosic materials for ethanol production a review Bioresource Technology 2002 83 1 p 1 11 Wooley R M Ruth D Glassner and J Sheehan Process design and costing of bioethanol technology A tool for determining the status and direction of research and development Biotechnology Progress 1999 15 5 p 794 803 Galbe M and G Zacchi A review of the production of ethanol from softwood Applied Microbiology and Biotechnology 2002 59 6 p 618 628 Lynd L R P J Weimer W H van Zyl and I S Pretorius Microbial cellulose utilization Fundamentals and biotechnology Microbiology and Molecular Biology Reviews 2002 66 3 p 506 Kumar A J B Cameron and P C Flynn Pipeline transport and simultaneous saccharification of corn
72. a gi citata glicerina gli altri sottoprodotti sono i mono e digliceridi ottenuti dall alcolisi parziale dei trigliceridi Questi sottoprodotti devono essere separati e rimandati al reattore Sono presenti inoltre acidi grassi liberi acqua ed il catalizzatore alcalino in eccesso Per ottenere un biodiesel che rispetti le specifiche imposte dagli standard internazionali sono necessari complicati processi di purificazione Quando l acidit della materia prima elevata si ha la formazione di sapone Figura 3 4b il quale essendo una sostanza tensioattiva d luogo alla formazione di schiume ed emulsioni che complicano il processo di separazione tra gli esteri ed il glicerolo In questa situazione si preferisce utilizzare come catalizzatore un acido generalmente H2504 Figura 3 4a e 3 4c Questo processo necessita per di temperature pressioni e tempi di reazione maggiori rispetto al processo alcalino A causa dell uso di catalizzatori omogenei acidi o basici gli impianti necessitano di reattori ed accessori resistenti a questi agenti aggressivi per di pi sono necessari elevati standard di sicurezza La presenza di questi svantaggi giustifica come sar riportato pi avanti l elevato interesse scientifico per la ricerca di metodi alternativi per la produzione del biodiesel 3 3 2 Materie prime utilizzate per la produzione di biodiesel 3 3 2 1 Oli Vegetali Le materie prime utilizzate per la produzione di biodiesel variano a seconda
73. a degli incentivi 51 52 Le ricerche nel settore dell utilizzo nei motori Diesel degli oli vegetali di diversa provenienza palma colza girasole jatropha deccan hemp oli usati etc puri o in miscela con gasolio sono attualmente molto attive 53 64 I risultati di questi studi evidenziano che l utilizzo degli oli vegetali in sostituzione dei combustibili fossili convenzionali non determina variazioni di rilievo nei confronti delle prestazioni dei motori a combustione interna anche se richiede implementazione di alcuni accorgimenti tecnici in relazione alle differenti caratteristiche del combustibile utilizzato Dal confronto emerge sostanzialmente che gli oli vegetali sono caratterizzati da un minore potere 29 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA calorifico una maggiore viscosit ed un minore numero di cetano Inoltre gli oli vegetali evidenziano anche minori contenuti di zolfo ma maggiori presenze di composti acidi L aspetto pi problematico degli oli vegetali rappresentato dalla elevata viscosit che rende pi difficile la polverizzazione del combustibile Inoltre la pi marcata tendenza alla polimerizzazione degli oli pu comportare occlusioni del sistema di alimentazione e di iniezione Il problema della elevata viscosit si pu risolvere attraverso il riscaldamento dell olio per avere viscosit confrontabili con quelle dell olio combustibile occorre riscaldare lolio vegetale almeno fin
74. a di alimentazione Ovviamente rimane da dimostrare la fattibilit tecnica ed economica sul lungo periodo di questa opzione Fra le altre attivit di ricerca tese a valutare le possibilit di impiego dell olio pirolitico ai fini della produzione di energia deve essere menzionato l utilizzo in motori Stirling di piccola potenza da 5 a 10 kWe L esperienza maturata fino ad oggi molto limitata e molto rimane ancora da fare Le principali aree di investigazione sono ancora una volta incentrate sulla pompa e sugli iniettori Nel complesso le maggiori attivit di ricerca nel settore dell utilizzo dell olio pirolitico ai fini della produzione di energia appaiono concentrate soprattutto sul miglioramento del livello qualitativo dell olio In particolare sono necessarie bassissime concentrazioni di solidi stabilit a lungo termine riduzione della viscosit e concentrazioni di acqua non troppo elevate 125 126 52 esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 3 IBIOCARBURANTI 3 1 LO SCENARIO DEI CONSUMI ENERGETICI NELL UNIONE EUROPEA L IMPORTANZA DEI BIOCARBURANTI I cambiamenti climatici l aumento del prezzo del petrolio e i timori per le forniture future hanno determinato un crescente interesse verso l utilizzo delle biomasse a fini energetici A livello europeo le importazioni di combustibili fossili coprono circa 1 80 dei consumi energetici ma si prevede che queste raggiungano il 94 nel 2030 Nel 2
75. a di media taglia 2 5 MWe Il lavoro svolto fino ad oggi ha dimostrato che lolio pirolitico pu essere utilizzato dai sistemi di combustione delle turbine a gas Anche in questo caso al fine di ridurre la x viscosit richiesto il preriscaldamento dell olio fino a circa 70 90 C Analogamente importante ridurre a monte la concentrazione di sostanze solide per prevenire danni alle palettature delle turbine Anche i materiali devono essere adeguatamente valutati a causa della maggiore acidit dell olio rispetto ai combustibili fossili convenzionali Ovviamente le diverse caratteristiche del combustibile richiedono una rivisitazione della camera di combustione soprattutto per quanto riguarda gli ugelli L avviamento e la fermata dell impianto deve essere effettuato utilizzando combustibili convenzionali Anche la tecnologia delle turbine a gas alimentate con olio pirolitico non si pu ancora ritenere matura dal punto di vista industriale e richiede ulteriori attivit di ricerca e sviluppo Queste ultime sono fondamentalmente concentrate sulla 51 Di EI campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA dimostrazione della fattibilita a lungo termine su turbine di taglia maggiore e operanti in ciclo combinato ma soprattutto su microturbine a gas La co combustione dell olio pirolitico con carbone e con gas naturale in caldaie di diversa potenza stata dimostrata con successo e richiede solo poche modifiche al sistem
76. a incrementata aumentando la velocit di riscaldamento fino a giungere a tempi di permanenza nel reattore di pochi secondi conseguibili con processi di flash pirolisi Anche in questo settore le ricerche si sono orientate verso lo sviluppo di differenti tipologie di sistemi quali la pirolisi in atmosfera di idrogeno Flash Hydro Pyrolysis la pirolisi con fornitura di energia mediante collettori solari a concentrazione Solar Flash Pyrolysis e la pirolisi sotto vuoto Vacuum Flash Pyrolysis Le temperature operative sono dell ordine di 400 600 C e a seconda del sistema utilizzato e della tipologia di biomassa alimentata le rese in olio arrivano fino al 65 70 mentre quelle in gas sono dell ordine del 10 15 Nonostante i processi di flash pirolisi e di pirolisi veloce riescano ad incrementare notevolmente la frazione di olio pirolitico quest ultimo risulta poco stabile nel tempo e scarsamente miscibile con i combustibili liquidi convenzionali per cui come meglio discusso nel seguito non pu essere utilizzato tal quale nel settore dei trasporti se non a prezzo di costosi trattamenti Una possibile alternativa viene fornita dagli sviluppi in atto nel 48 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA settore della pirolisi catalitica dove attraverso catalizzatori a base per esempio di zeoliti di allumina di ferro e cromo etc introdotti all interno del reattore unitamente al combustibile si riesce a produrre u
77. a oli estratti da microalghe Nella Figura 3 7 viene mostrato lo schema di un impianto per la produzione di oli da microalghe Il processo consta di due fasi la produzione di biomasse da alghe e l estrazione dell olio dalla biomassa La produzione di biomassa da microalghe generalmente pi costosa di quella ottenuta da colture vegetali Infatti necessita di luce biossido di carbonio sostanze nutrienti inorganiche quali nitrati fosfati ferro e alcuni elementi in tracce Spesso viene usata acqua di mare integrata con nitrati e fosfati per la produzione di microalghe marine Circa la met del peso secco della biomassa algale costituita da carbonio che in genere deriva dalla CO pertanto la produzione di 100 tonnellate di biomassa algale fissa circa 183 tonnellate di CO2 La CO deve essere fornita alle alghe in modo continuo durante il giorno perci diventa importante il collegamento con centrali che producono energia dalla combustione di fonti fossili La biomassa rimasta dopo l estrazione dell olio pu essere usata per l alimentazione animale alto contenuto proteico e per la produzione di fertilizzanti Ma la maggior parte della biomassa residua subisce processi di digestione anaerobica per la 66 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA produzione di biogas che viene utilizzato in parte come fonte di energia nello stesso processo di produzione delle biomasse algali e in parte venduta alla rete di distrib
78. a raggiunto da tempo la maturit industriale e commerciale Ai fini della produzione di energia elettrica le realizzazioni industriali sono finora concentrate essenzialmente su impianti di taglia dell ordine di 10 20 MWe basati su cicli a vapore dal momento che tale impianto mal si presta ad essere realizzato con taglie molto inferiori a causa di problemi tecnici ed economici Per questo motivo le attivit di ricerca nel settore della combustione sono finalizzate oltre che al miglioramento delle prestazioni degli impianti a vapore soprattutto verso lo sviluppo di sistemi di generazione elettrica di piccola taglia basati su cicli termodinamici diversi da quello a vapore d acqua come i motori a ciclo Stirling gli impianti a ciclo Rankine con fluidi organici ORC le turbine a gas a combustione esterna etc L impiego dei processi di gassificazione e di pirolisi appare molto interessante in una prospettiva futura in quanto la disponibilit di combustibili gassosi e liquidi di buona qualit pu consentire l utilizzo di sistemi di generazione elettrica di piccola taglia e ad alta efficienza come le 9 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA turbine a gas i cicli combinati e le celle a combustibile Tuttavia ad oggi tali tecnologie non hanno ancora raggiunto un adeguato livello di maturit industriale e commerciale per cui moltissime attivit di ricerca e sviluppo si concentrano proprio in questo settore nel tenta
79. a rottura dei legami idrogeno presenti nella struttura cristallina ordinata delle catene cellulosiche ad opera di un acido concentrato ottenendo una sostanza amorfa Successivamente si opera la diluizione dell acido con acqua sino ad una concentrazione del 20 30 quindi si esegue un riscaldamento per circa un ora che provoca il rilascio degli zuccheri Il gel ottenuto viene pressato per separare la soluzione di acido e zuccheri dal residuo solido il quale viene sottoposto ad ulteriore idrolisi Quindi si separa la lignina e si ottiene una nuova soluzione di acido e zuccheri che verr mescolata alla precedente La soluzione viene sottoposta a distillazione per separare gli acidi dagli zuccheri L acido viene concentrato in un evaporatore a triplo effetto mentre gli zuccheri principalmente xilosio e glucosio sono convertiti in etanolo tramite processi fermentativi ottenendo una conversione prossima all 85 e 92 rispettivamente 226 Nel secondo processo Vidrolisi con acido diluito avviene in due stadi per idrolizzare selettivamente l emicellulosa e la cellulosa Nel primo stadio si lavora in condizioni operative blande acido solforico 0 7 temperatura di 190 C tempo di permanenza di 3 minuti per massimizzare la resa nel trattamento dell emicellulosa che pi facilmente idrolizzabile Nel secondo stadio avviene l idrolisi della cellulosa che pi resistente con acido solforico 0 4 temperatura di 215 C tempo di permanenza di 3
80. abilit per i microorganismi Tra i principali inconvenienti di questo tipo di reattori va evidenziata da un lato la possibilit che possa intasarsi per effetto di un eccessivo sviluppo di biomassa che occlude gli spazi destinati al flusso del liquido e del gas e dall altro l insorgere della canalizzazione cio la formazione di canali di deflusso preferenziali per il liquido col risultato che una frazione della superficie di biofilm rimane inattiva perch non lambita dal liquido 4 2 2 4 Reattori a Letto Fisso I reattori stazionari a letto fisso sono costituiti da un contenitore in cui vengono inseriti dei mezzi di riempimento che fungono da supporto per l immobilizzazione della biomassa che crea un biofilm Il refluo da trattare pu essere alimentato con flusso ascendente Upflow Anaerobic Filter UAF o discendente Downflow Anaerobic Filter DAF Nel primo l ingresso dell influente avviene dal basso e la fuoriuscita dell effluente dall alto il secondo ha un funzionamento idraulico opposto Un altra distinzione tra i due tipi di filtri anaerobici pu essere fatta in base al tipo di riempimento utilizzato modulare o alla rinfusa Ancora si possono fare classificazioni a seconda della natura forma e caratteristiche del materiale di riempimento in passato costituito da pietrisco oggi costituito da pacchi lamellari di materiale plastico o appositi corpi di minore dimensione posti alla rinfusa la cui natura varia ampiamente ca
81. acido acetico Ac dipende dal particolare substrato organico trattato e varia tra 200 a 2000 mg Ac L In relazione alla stabilit del processo di digestione non tanto il valore di concentrazione registrato a dare un indicazione assoluta ma piuttosto la variazione di concentrazione In generale un aumento della concentrazione degli acidi volatili conseguente ad un incremento del carico di substrato dell influente Questo fatto determina l accelerazione dei fenomeni idrolitici ed acidogenici che a loro volta sbilanciano la catena trofica e danno luogo ad una variazione del sistema verso valori di pH bassi in conseguenza dell esaurimento della capacit tamponante del mezzo Va comunque osservato che per dare una corretta valutazione dello stato del processo i valori di concentrazione degli acidi grassi volatili vanno interpretati congiuntamente ai dati di produzione e composizione del biogas oltre che ai dati di pH ed alcalinit 93 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA v Produzione e composizione del biogas Quantit di biogas prodotto e sua composizione in termini di CH4 e CO2 sono due parametri essenziali per il controllo del processo di digestione anaerobica Infatti la costanza della produzione di biogas e della sua composizione si manifestano in corrispondenza della stabilit del processo Viceversa sia la diminuzione della produzione complessiva di biogas che della percentuale di CH4 a f
82. alutare i bilanci energetici e ambientali della filiera In particolare sembra opportuno integrare gli studi di fattibilit tecnico economica delle diverse filiere di produzione energetica da biomasse con analisi sul ciclo di vita Life Cycle Analysis LCA al fine di fornire ulteriori strumenti di valutazione ai decisori pubblici Esperienze di ricerca in questo settore sono presenti in Sardegna presso il Dipartimento di Ingegneria Meccanica dell Universit di Cagliari 5 1 2 Processi di conversione termochimica Per quanto concerne le tecnologie di impiego energetico delle biomasse basate su processi termochimici quelle basate sui processi di combustione specie se di grande taglia appaiono oramai caratterizzate da un sufficiente grado di maturit industrial ragion per cui non si intravvedono grandi spazi per una attivit di ricerca a livello regionale Poich la produzione di energia elettrica da biomasse appare interessante soprattutto se realizzata attraverso impianti di piccola taglia distribuiti sul territorio pi interessanti sembrano invece le attivit di ricerca nel settore dei processi di gassificazione e di pirolisi che pi facilmente possono essere integrati con sistemi di generazione elettrica di piccola potenza come turbine a gas motori a combustione interna e celle a combustibile Pure interessanti possono risultare le attivit di ricerca e sviluppo tecnologico nel settore degli impianti di riscaldamento a biomassa di picc
83. amente la separazione del TAR dal syngas pone il problema della conseguente perdita del suo contenuto energetico a meno che il TAR stesso non venga riutilizzato per esempio ricircolandolo al gassificatore 66 70 Le complesse strutture molecolari del TAR possono essere ricondotte a quelle di pi semplici composti attraverso il cracking termico operato ad elevata temperatura da circa 900 C a circa 1300 C con conseguenti elevati costi energetici Tuttavia le attivit sperimentali in questo settore hanno anche evidenziato che il TAR derivante dai processi di gassificazione delle biomasse risulta notevolmente refrattario alla decomposizione per semplice via termica se non a temperature molto elevate Per questo motivo le attivit di ricerca nel settore della depurazione del syngas sono pertanto attualmente concentrate soprattutto sui sistemi di conversione catalitica del TAR Ovviamente in questo caso il principale problema da risolvere rappresentato dalla individuazione di catalizzatori attivi nei confronti del TAR da biomasse resistenti ai fenomeni di sporcamento e sinterizzazione facilmente rigenerabili e poco costosi Fra i catalizzatori attualmente studiati sono compresi quelli a base di nickel molto simili a quelli utilizzati per il reforming del metano e degli idrocarburi nell industria petrolchimica di carbonati ossidi e idrossidi di metalli alcalini potassio sodio litio etc dolomite ovvero carbonato di calcio e magne
84. ams A J M and Zehnder A J B Hydrophobicities and electrophoretic mobilities of anaerobic bacterial isolates from methanigenic granular sludge App Environ Microbiol 1992 58 p 1054 1056 159 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 277 278 279 280 281 282 283 284 285 286 287 288 Navarrete M Rodriguez N Amils R and Sanz J L Effect of 1 1 1 2 TetraChloroEthane on the performance of upflow anaerobic sludge bed UASB reactors Water Sci amp Tech 1999 40 8 p 153 159 Lallai A Mura G Piredda M Degradazione di clorofenoli mediante colture anaerobiche miste in Atti del Congresso GrICU 1998 Ferrara Italy Vallecillo A Garcia Encina P A Pena M Anaerobic biodegradability and toxicity of chlorophenols Water Science Technology 1999 40 8 p 161 168 Lallai A Mura G Onnis N The effects of certain antibiotics on biogas production in the anaerobic digestion of pig waste slurry Biotechnology and Bioresource 2002 82 p 205 208 Kapdan I K Kargi F Bio hydrogen production from waste materials Enzyme and Microbial Technology 2006 38 p 569 582 Ren N Q Chuab H Chan S Y Tsang Y F Wang Y J Sin N Assessing optimal fermentation type for bio hydrogen production in continuous flow acidogenic reactors Bioresource Technology 2006 Hawkes F R Dinsdale R Hawkes D L Hussy I Sustainable fermentative hydrogen production c
85. are Presso il Centro Ricerche Sotacarbo attualmente in esercizio una articolata piattaforma sperimentale di gassificazione attraverso la quale possibile sperimentare la produzione di syngas a partire da diversi combustibili e operando in differenti condizioni di funzionamento Il syngas prodotto una volta depurato pu anche essere privato dell anidride carbonica ai fini della produzione di idrogeno Fra l altro una tra le diverse opzioni allo studio in questo settore rappresentata dalla co gassificazione delle biomasse con carbone che consente di limitare i problemi legati alla reperibilit di sufficienti quantitativi di biomasse ed ai fattori di stagionalit migliorando nel contempo anche il livello qualitativo del syngas Nel settore della gassificazione operano 134 Ea Da amp RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA da molto tempo anche diversi gruppi di ricerca delle Universita di Cagliari e di Sassari In particolare i gruppi di ricerca afferenti ai Dipartimenti di Ingegneria Chimica e di Ingegneria Meccanica dell Universita di Cagliari oltre ad operare da tempo nel settore della gassificazione sono anche partner della Sotacarbo S p A in diversi progetti di ricerca finanziati attraverso la legge 297 99 e il FIRB Processi di pirolisi delle biomasse Anche la pirolisi di biomasse pu essere applicata ad impianti di piccola taglia distribuiti sul territorio In realt questa tecnologia di trasforma
86. as mobilis ATCC 10988 grown on the media containing glucose and fructose Biochemical Engineering Journal 2000 4 3 p 217 227 156 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 218 219 220 221 222 223 224 225 226 227 228 229 230 231 232 233 234 235 236 237 Sanchez O J and C A Cardona Trends in biotechnological production of fuel ethanol from different feedstocks Bioresource Technology 2008 99 13 p 5270 5295 Baltz R A A F Burcham O C Sitton and N L Book The recycle of sulfuric acid and xylose in the prehydrolysis of corn stover Energy 1982 7 3 p 259 265 Castro F B P M Hotten and E R rskov The potential of dilute acid hydrolysis as a treatment for improving the nutritional quality of industrial lignocellulosic by products Animal Feed Science and Technology 1993 42 1 2 p 39 53 Sokhansanj S A Turhollow J Cushman and J Cundiff Engineering aspects of collecting corn stover for bioenergy Biomass and Bioenergy 2002 23 5 p 347 355 Kim S and B E Dale Life cycle assessment of various cropping systems utilized for producing biofuels Bioethanol and biodiesel Biomass and Bioenergy 2005 29 6 p 426 439 Theander O in Fundamentals of thermochemical biomass conversion R Overand T Mile and L Mudge Editors 1985 Elsevier Applied Science Publisher New York Ballesteros M J M Oliv
87. aso di sistemi che operano in cogenerazione attraverso il recupero termico dai gas combusti dall acqua di raffreddamento e dall olio lubrificante pu raggiungere invece valori dell 80 85 In Europa esistono numerosi esempi di impianti di gassificazione integrati con motori a combustione interna caratterizzati da differenti taglie da poche centinaia di kWe ad oltre 5 MWe e differenti tipologie di gassificatore letto fisso e letto fluido Le attivit di ricerca in questo settore sono principalmente indirizzate verso l ottimizzazione del funzionamento del motore con combustibili diversi da quelli convenzionali e con composizione spesso variabile in relazione alla tipologia delle biomasse alimentate al gassificatore 87 89 Molto pi ampia l attivit di ricerca e sviluppo nel settore dell impiego del syngas per l alimentazione di turbine a gas Infatti uno dei principali vantaggi delle turbine a gas legato al fatto che l energia termica non convertita in energia meccanica dal ciclo viene tutta riversata nell ambiente sotto forma di gas di scarico ad alta temperatura Il recupero pi o meno spinto di questa energia termica consente di aumentare in misura talvolta anche notevole il rendimento elettrico del sistema ben noto infatti che gli impianti di generazione elettrica attualmente pi efficienti sono gli impianti combinati gas vapore nei quali l energia termica allo scarico della turbina a gas viene utilizzata in un ciclo a
88. ate sviluppate diverse esperienze nel settore degli impianti di turbina a gas a combustione esterna Peraltro molte di tali esperienze sono relative proprio ad impianti EFGT alimentati con biomasse 44 46 Gli impianti EFGT alimentati a biomasse solide sono fondamentalmente basati su un gruppo turbocompressore simile a quello delle microturbine a gas a 27 Di EI campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA combustione interna caratterizzate da potenze nette dell ordine di 30 150 kWe e rendimenti con alimentazione a gas naturale del 25 30 Nel caso degli impianti EFGT la camera di combustione presente nei sistemi a combustione interna viene sostituita dallo scambiatore primario ad alta temperatura La massima temperatura operativa dello scambiatore necessariamente di circa 100 150 C pi elevata della temperatura di ingresso in turbina 800 1000 C nelle recenti microturbine a gas Inoltre vista la presenza di flussi gassosi su entrambi i lati i bassi coefficienti di scambio termico comportano la necessit di superfici di scambio notevolmente estese con conseguenti ingombri elevati specie in confronto alle piccole dimensioni dell unit motrice Con temperature massime dell ordine di 900 1000 C il rendimento di questi sistemi dell ordine del 23 28 Le principali aree di ricerca e sviluppo nel settore delle turbine a gas a combustione esterna sono concentrate nei settori dei materiali per le alte temperature e nella
89. atterizzare la composizione del TAR in relazione alle condizioni operative ed alla tipologia del gassificatore 79 I gassificatori di piccola taglia per ragioni economiche sono generalmente alimentati con aria e vapore cosicch la diluizione operata dall azoto riduce moltissimo il potere calorifico del syngas con il 50 circa di azoto il potere calorifico del syngas dell ordine di 3 6 MJ Nm e potrebbe essere circa doppio senza la presenza dell azoto Molte attivit di ricerca in questo settore si stanno indirizzando verso lo studio della gassificazione con aria arricchita in ossigeno in vapore e in CO2 Altri programmi di ricerca sono rivolti allo studio della gassificazione con solo vapore e o CO In questi ultimi casi per necessario fornire dall esterno il calore necessario per lo svolgimento delle reazioni endotermiche di gassificazione La gassificazione con vapore in grado di incrementare notevolmente il potere calorifico del syngas mentre la gassificazione con CO2 consente di ridurre notevolmente la presenza di TAR char e CH incrementando nel contempo la concentrazione di H2 e CO 70 80 81 Le problematiche inerenti la sinterizzazione e l agglomerazione delle ceneri consistono nei fenomeni di deposito erosione corrosione e talvolta blocco del gassificatore stesso Tali problematiche nascono dalla presenza nelle biomasse di composti alcalini come il potassio che reagiscono con il silicio formando 37 Di LI
90. avore della CO2 possono indicare fenomeni di inibizione a danno dei microrganismi metanigeni provocati ad esempio dall eccessiva concentrazione di acidi grassi volatili E questo il motivo principale per cui nella gestione degli impianti anaerobici l analisi di produzione e di composizione del biogas deve associarsi al controllo di altri parametri quali la concentrazione degli acidi grassi volatili e l alcalinit del mezzo v Tossicit dell ambiente di crescita tra i fattori che possono influire sul processo microbico nel senso di inibire o limitare la crescita dei microrganismi e la resa di trasformazione del substrato organico in biogas sono da citare oltre che lo stesso substrato anche eventuali elementi inibenti quali metalli pesanti sali azoto ammoniacale NH4 residui di pesticidi e prodotti farmaceutici detergenti e disinfettanti solventi inibitori da trattamenti chimici per la conservazione di cibi ecc Questi fattori possono esplicare i loro effetti negativi in particolare sui batteri metanigeni quelli comunemente considerati pi sensibili di tutto il consorzio batterico deputato alla conversione anaerobica delle sostanze organiche a metano in quanto caratterizzati da una bassa velocit di crescita 4 1 5 Produzione potenziale di metano Il COD Chemical Oxygen Demand viene usato per quantificare la quantit di materiale organico presente nel refluo e predire il potenziale per la produzione del biogas L ossige
91. ble oils for the production of biodiesel Catalysis Today 2008 131 1 4 p 238 243 MacLeod C S A P Harvey A F Lee and K Wilson Evaluation of the activity and stability of alkali doped metal oxide catalysts for application to an intensified method of biodiesel production Chemical Engineering Journal 2008 135 1 2 p 63 70 153 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 159 160 161 162 163 164 165 166 167 168 169 170 171 172 173 174 175 176 177 Albuquerque M C G I Jim nez Urbistondo J Santamaria Gonza lez J M M rida Robles R Moreno Tost E Rodrfguez Castell 6n A Jim nez L pez D C S Azevedo C L Cavalcante Jr and P Maireles Torres CaO supported on mesoporous silicas as basic catalysts for transesterification reactions Applied Catalysis A General 2008 334 1 2 p 35 43 Ni J and F C Meunier Esterification of free fatty acids in sunflower oil over solid acid catalysts using batch and fixed bed reactors Applied Catalysis A General 2007 333 1 p 122 130 Suppes G K Bockwinkel S Lucas J Botts M Mason and J Heppert Calcium carbonate catalyzed alcoholysis of fats and oils Journal of the American Oil Chemists Society 2001 78 2 p 139 146 Leclercq E A Finiels and C Moreau Transesterification of rapeseed oil in the presence of basic zeolites and related solid catalysts Journal o
92. buranti su larga scala non sostenibile per due motivi e la limitata disponibilit di materie prime e glialti costi di produzione 54 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA A breve e medio termine i biocarburanti necessiteranno ancora di aiuti pubblici es sgravi fiscali Al fine di andare verso un pieno sfruttamento dei benefici dei biocarburanti e renderli socialmente ed economicamente sostenibili nel lungo termine le nuove tecnologie di produzione stanno andando verso la differenziazione delle materie prime utilizzabili e la riduzione dei costi di produzione Nel presente capitolo dopo aver brevemente ricordato quali sono i processi e le materie prime attualmente in uso nella produzione dei biocarburanti principalmente biodiesel e bioetanolo ci si occuper in modo sintetico di indicare in quali direzioni sta attualmente volgendo la propria attenzione la ricerca scientifica 128 3 1 1 I Biocarburanti Biodiesel bioetanolo oli vegetali I biocarburanti attualmente in uso sono il biodiesel il bioetanolo e gli oli vegetali Solo i primi due sono usati nel settore trasporti in quanto compatibili coi motori diesel e benzina delle autovetture gli ultimi invece vengono usati principalmente per la produzione di energia elettrica al posto di oli combustibili di origine fossile par 2 3 e par 3 2 In Europa i biocarburanti vengono generalmente venduti in miscela con i comuni combustibili in misura d
93. ca il 7 di etanolo nella benzina Le miscele che contengono percentuali elevate di etanolo richiedono invece maggiori modifiche dei motori 127 3 4 1 Processi di produzione di bioetanolo Il bioetanolo etanolo o alcool etilico un liquido limpido e incolore ottenuto mediante un processo di fermentazione di carboidrati semplici glucosio saccarosio mannosio o di polisaccaridi amido cellulosa emicellulosa La Figura 3 10 mostra lo schema di processo di produzione del bioetanolo e dell ETBE a partire da diverse biomasse residui per calore di processo isobutiene RG 001 AZIONE BENZINE mangimi COMBUSTIONE DIRETTA 5 gt PRODOTTO PROCESSI MI DESTINAZIONE MI REAGENTE Figura 3 10 Processo di produzione del bioetanolo e dell ETBE da diverse biomasse 78 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 3 4 1 1 Materie prime Secondo la loro natura le materie prime possono essere classificate in tre tipologie distinte e Materiali zuccherini sostanze ricche di saccarosio come la canna da zucchero la barbabietola il sorgo zuccherino ecc e Materiali amidacei sostanze ricche di amido come il grano il mais l orzo il sorgo da granella e la patata e Materiali lignocellulosici sostanze ricche di cellulosa come la paglia lo stocco di mais gli scarti legnosi ecc Per quanto riguarda le coltivazioni ad hoc quelle pi sperimentate e diffuse sono la canna da zucch
94. carbone e con TAR di raffineria tre di questi ultimi impianti operano in Italia di cui uno presso la raffineria Saras di Sarroch Combustibile gt Ossidante Sezione di Syngas Sezione di Syngas Sezione di Vapore gassificazione Condizionamento conversione Ceneri TAR Polveri Energia elettrica NH3 etc Figura 2 7 Impianto di gassificazione Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA In un impianto di conversione dell energia basato su di un processo di gassificazione si possono individuare tre sezioni principali la sezione di gassificazione che include oltre al gassificatore vero e proprio anche i sistemi di ricevimento e trattamento del combustibile e nel caso i sistemi di produzione dell ossigeno e del vapore la sezione di condizionamento del syngas prodotto che include le apparecchiature per la depurazione il raffreddamento e o il riscaldamento ed eventualmente la compressione del syngas e la sezione di conversione finale dell energia impianto motore termico o cella a combustibile Si tratta pertanto di un impianto tendenzialmente complesso che di conseguenza risulta anche costoso da realizzare e impegnativo da gestire e che pu trovare giustificazione solo se in grado di garantire elevati valori di rendimento Ci richiede l ottimizzazione delle prestazioni delle singole sezioni ma anche una ottimale integrazione energetica fra le stesse Come meglio evidenziato nel prosieguo ciasc
95. che 350 450 C e 250 500 bar e sulla pirolisi veloce 107 112 Nonostante i vantaggi derivanti dallo sviluppo di un sistema energetico basato su un largo impiego dell idrogeno appaiano rilevanti la sua implementazione richiede un notevolissimo sforzo tecnologico oltre che sul fronte delle tecnologie di produzione anche e soprattutto sul fronte delle infrastrutture necessarie a trasportare l idrogeno a lunga distanza ed a conservarlo per lunghi periodi di tempo In quest ottica numerose attivit di ricerca e sviluppo sono focalizzate sullo studio di vettori energetici alternativi all idrogeno come il metanolo il dimetiletere DME l etanolo e i combustibili liquidi di sintesi i prodotti Fischer Tropsch L impiego di questi vettori energetici pu risultare 45 Esa te SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA RICERCHE competitivo nei confronti dell idrogeno per la generazione distribuita di energia e per il settore dei trasporti in un ottica di medio breve periodo Infatti il grande vantaggio di questi vettori energetici rappresentato dal fatto che essi possono essere prodotti a partire da una vasta gamma di combustibili primari gas naturale carbone biomasse etc attraverso processi di gassificazione o di reforming integrati con processi di sintesi chimica Questi vettori energetici possono anche essere maneggiati con facilit rispetto all idrogeno essi sono infatti liquidi a temperatura ambiente e so
96. cocco 1 butanolo Pseudomonas Batch 40 c cepacia Olio di ricino Etanolo Rhizomucor miehei Batch 98 c 143 Alcoli Candida antarctica Batch 91 5 187 Olio di semi di primari e metanolo cotone secondari 73 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Olio Alcol Lipasi da Tipo di Conversione c o Rif Grasso processo resa r mol o m Metanolo Rhizomucor miehei Batch gt 90 c 188 Olio di crusca di Metanolo Cryptococcus spp Batch 80 2 r 189 riso 5 2 Metanolo Candida antarctica Batch 98 c 190 Olio di Jatropha Etanolo Chromobacterium Batch 92 5 141 viscoum Olio alimentare Metanolo Candida antarctica Reattore a 90 5 139 di scarto letto impaccato Sego Alcoli Mucor Miehei Batch gt 90 r 140 primari Metanolo Pseudomonas Batch 98 r 138 cepacia Grasso da Metanolo Candida antarctica Batch 96 c 191 ristorazione Etanolo Burkholderia Reattore a gt 96 r 192 cepacia letto impaccato Lardo Metanolo Candida antarctica Batch 58 c 191 La ricerca in questo settore ha attraversato quattro fasi Nelle prime due i ricercatori hanno effettuato accurati screening al fine di verificare la fattibilit del processo a partire da diverse fonti di trigliceridi e alcoli Contemporaneamente sono state ricercate le lipasi microbiche pi adatte a catalizzare la reazione di transesterificazione dei trigliceridi Successivamente si passati dallo studio dei process
97. come il pioppo la robinia l eucaliptus ecc specie erbacce poliennali come la canna comune e il miscanto oppure specie erbacee annuali come il sorgo da fibra impiegate per produrre sostanza secca combustibile Per quanto i possibili e auspicabili contributi energetici derivanti dalle biomasse residuali possano risultare apprezzabili appare del tutto evidente che un contributo significativo al bilancio energetico mondiale pu provenire solamente dalla diffusione di coltivazioni energetiche dedicate Le motivazioni alla base del recente impulso impresso alle attivit di valorizzazione energetica delle biomasse sono di diversa natura Infatti potendo essere accumulate in maniera relativamente facile le biomasse non soffrono dei problemi di aleatoriet e discontinuit che invece penalizzano la produzione di energia da altre fonti rinnovabili come l eolico il solare e l idroelettrico ad acqua fluente Le biomasse inoltre in relazione alle loro caratteristiche possono essere impiegate per produrre una vasta gamma di combustibili solidi cippato pellets bricchette liquidi etanolo oli vegetali biodiesel e gassosi biogas gas di sintesi a loro volta utilizzabili come vettori 4 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA energetici per produrre energia elettrica e o termica o come sostituti dei combustibili fossili nel settore dei trasporti I benefici ambientali consistono essenzialmente in una riduzione d
98. ction Biomass and Bioenergy 2008 32 7 p 573 581 Kinoshita C M Y Wang and J Zhou Tar formation under different biomass gasification conditions Journal of Analytical and Applied Pyrolysis 1994 29 2 p 169 181 Knight R A Experience with raw gas analysis from pressurized gasification of biomass Biomass and Bioenergy 2000 18 1 p 67 77 Kumabe K T Hanaoka S Fujimoto T Minowa and K Sakanishi Co gasification of woody biomass and coal with air and steam Fuel 2007 86 5 6 p 684 689 de Jong W J Andries and K R G Hein Coal biomass co gasification in a pressurised fluidised bed reactor Renewable Energy 1999 16 1 4 p 1110 1113 Valero A and S Us n Oxy co gasification of coal and biomass in an integrated gasification combined cycle IGCC power plant Energy 2006 31 10 11 p 1643 1655 Sutton D B Kelleher and J R H Ross Review of literature on catalysts for biomass gasification Fuel Processing Technology 2001 73 3 p 155 173 149 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 77 Rabou L P L M Biomass tar recycling and destruction in a CFB gasifier Fuel 2005 84 5 p 577 581 78 Bhattacharya S C A H M Mizanur Rahman Siddique and H L Pham A study on wood gasification for low tar gas production Energy 1999 24 4 p 285 296 79 Li C and K Suzuki Tar property analysis reforming mechanism and model for biomass gasification An overview R
99. d Europa o negli Stati Uniti si hanno potenze elettriche dell ordine di 50 60 MWe Rendimenti pi elevati confrontabili con quelli delle centrali termoelettriche a vapore alimentate con carbone 40 44 potrebbero essere conseguiti solo con impianti di taglia molto maggiore 300 400 MW di fatto improponibili in relazione alla pratica impossibilit di approvvigionamento delle biomasse entro raggi di raccolta ragionevoli Laddove percorribile la soluzione migliore per valorizzare le biomasse attualmente rappresentata dall utilizzo in centrali termoelettriche di grande taglia in co combustione con i combustibili fossili convenzionali carbone in quanto garantisce vantaggi in termini economici energetici e logistici La co combustione di carbone con biomasse trova diverse applicazioni industriali in quanto facilmente implementabile anche in impianti esistenti Su questo fronte le attivit di ricerca sono pertanto tese a individuare le migliori condizioni di alimentazione e di utilizzo delle biomasse particolarmente importante appare l individuazione della dimensione ottimale delle biomasse alimentate dal momento che ci si trova spesso a intervenire su generatori di vapore esistenti e non specificatamente progettati per questo tipo di impiego Data la natura dispersa delle biomasse sul territorio la necessit di evitare trasporti di materiali a bassa densit energetica su lunghe distanze porta a preferire soluzioni impiantistiche di picco
100. da residui ricchi di olio proteine e fibre noti come DDGs Dried Distiller s Grain with Soluble che sono destinati alla preparazione di mangimi zootecnici 218 3 4 1 4 Bioetanolo da materiali lignocellulosici I materiali lignocellulosici sono costituiti principalmente da cellulosa emicellulosa e lignina Soltanto la cellulosa e l emicellulosa sono costituite da zuccheri fermentabili e quindi possono essere usate per produrre bioetanolo Le lignocellulose vengono sottoposte a processi di separazione della lignina dalla cellulosa ed emicellulosa es steam explosion idrolisi della cellulosa ed emicellulosa e fermentazione degli zuccheri cos ottenuti a bioetanolo Figura 3 12 219 222 81 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Schema generale per la produzione di bioetanolo da lignocellulosa Separazione e raccolta a pretrattamento cellulosa emicellulosa Idrolisi Zuccheri semplici Fermentazione Distillazione bioetanolo Figura 3 12 Produzione di bioetanolo da lignocellulosa x un polimero organico costituito esclusivamente da unit di glucosio anidro legate insieme da legami fp 1 4 in una gigantesca catena La cellulosa lineare Figura 3 11 L emicellulosa un polisaccaride a basso peso molecolare di composizione irregolare Figura 3 13 scarsamente solubile in acqua strettamente associato alla cellulosa dalla quale pu essere estratta A differenza del
101. dalle biomasse Le tecnologie i vantaggi per i processi produttivi i valori economici e ambientali 2006 Trieste Consorzio per l AREA di ricerca scientifica e tecnologica di Trieste AREA Science Park Piraccini M and F P Ausiello Bioetanolo da canna da zucchero mais e lignocellulosa ARPA Rivista 2006 p 58 59 INRA TEAGSC Crop Research Center McALoon NREL 2000 Demirbas A Progress and recent trends in biofuels Progress in Energy and Combustion Science 2007 33 1 p 1 18 Sheoran S B S Yadav P Nigam and D Singh Continuous ethanol production from sugarcane molasses using a column reactor immobilized Saccharomyces cerevisiae HAU 1 Journal of basic microbiology 1999 38 p 123 128 Bullock G E Ethanol from Sugarcane 2002 Sugar Research Institute Australia p 192 Goyes A and G Bolafios Un estudio preliminar sobre el tratamiento de vinazas en agua supercritica in XXIII Congreso Colombiano de Ingenieria Quimica 2005 Manizales Colombia Carrascosa A V Production of ethanol under high osmotic pressure conditions comprises a microorganism for fermentation of molasses must 2006 Claassen P A M J B van Lier A M Lopez Contreras E W J van Niel L Sijtsma A J M Stams S S de Vries and R A Weusthuis Utilisation of biomass for the supply of energy carriers Applied Microbiology and Biotechnology 1999 52 6 p 741 755 Lee W C and C T Huang Modeling of ethanol fermentation using Zymomon
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103. digestione vengono riportati i risultati ottenuti col trattamento di AV mediante due filtri anaerobici con alimentazione dal basso Come materiale di supporto della crescita microbica sono stati utilizzati anelli Raschig corrugati in PVC Sono state ottenute elevate rimozioni del COD 81 e 85 con produzione di biogas prossima al massimo valore teorico La misura dei principali parametri ambientali e di esercizio effettuate anche a diverse altezze del bioreattore consente di ottenere una migliore conoscenza del funzionamento dei filtri anaerobici 265 La conoscenza dei parametri funzionali dei reattori utilizzati e una conveniente miscela dei diversi tipi di rifiuti costituiscono la base della efficienza del sistema anaerobico che richiede una gestione attenta La capacit di predire il comportamento del processo quando si alimentano nuovi rifiuti pu costituire un importante mezzo per ottimizzare i risultati A questo proposito negli ultimi 30 anni sono stati sviluppati numerosi modelli matematici 266 4 6 1 Modello Matematico Applicato alla Codigestione Un modello matematico che descrive la degradazione anaerobica combinata di materiali organici complessi come letame ed AV stato sviluppato sulla base di un modello esistente 267 Il corretto smaltimento delle AV assume una notevole importanza in relazione all elevata quantit di questi reflui che vengono prodotti nei paesi del bacino del Mediterraneo Infatti in quest area gli
104. dirizzate verso impianti di cogenerazione di medio piccola taglia anche al fine di poter pi facilmente incrociare la contemporanea presenza di un carico elettrico e termico Nel prosieguo verranno approfondite le principali attivit di ricerca e sviluppo attualmente in corso nei settori sopra descritti 2 2 1 Produzione di energia termica Essendo la combustione un processo tecnologicamente ormai maturo e consolidato dal punto di vista industriale e commerciale le attivit di ricerca e sviluppo in questo settore sono fondamentalmente concentrate nell ulteriore miglioramento delle prestazioni specie nel caso di impiego di combustibili non convenzionali o di miscele di differenti combustibili e nella riduzione delle emissioni inquinanti Dal punto di vista dell impiego come combustibile le biomasse offrono diversi vantaggi come l elevata volatilit e l elevata reattivit Di contro rispetto ai combustibili fossili convenzionali le biomasse sono caratterizzate da un minore rapporto carbonio ossigeno e conseguentemente da un minore potere calorifico La velocit di combustione delle biomasse notevolmente pi elevata di quella del carbone 26 28 Le biomasse vengono pertanto diffusamente utilizzate come combustibile primario in sistemi di combustione dedicati come stufe caldaie per riscaldamento domestico e generatori di vapore Inoltre le biomasse possono essere utilmente utilizzate in co combustione con carbone realizzando in tal
105. ds Sanz J L Rodriguez N Amils R Effect of chlorinated aliphatic hydrocarbons on the acetoclastic methanogenic activity of granular sludge Appl Microbiol Biotechnol 1997 47 p 324 328 Gelleti R J R Mauro G Migliardi D Picco D Pin M Tomasinsig E Tommasoni L Energia dalle biomasse Le tecnologie i vantaggi per i processi produttivi i valori economici e ambientali 2006 Consorzio per AREA di ricerca scientifica e tecnologica di Trieste AREA Science Park Progetto Novimpresa Trieste p 1 261 Mata Alvarez J Mace S Llabr s P Anaerobic digestion of organic solid wastes An overview of research achievements and perspectives Bioresource Technology 2000 74 p 3 16 Nguyen P H L Kuruparan P Visvanathan C Anaerobic digestion of municipal solid waste as a treatment prior to landfill Bioresource Technology 2007 98 p 380 387 Tilche A Malaspina F C Biogas production in Europe in Paper presented at the 10th European Conference Biomass for Energy and Industry 1998 Wurzburg Germany RISE AT Review of Current Status of Anaerobic Digestion Technology for Treatment of Municipal Solid Waste 1998 Regional Information Service Center for South East Asia on Appropriate Technology Institute of Science and Technology Research and Development Chiang Mai University Chiang Mai p 1 30 Verma S Anaerobic digestion of biodegradable organics in municipal solid wastes in Department of Earth amp Environmental
106. ducibili alla sezione di preparazione e alimentazione della biomassa al gassificatore In effetti la biomassa che giunge all impianto risulta raramente idonea ad essere direttamente introdotta nel gassificatore ma pu richiedere processi essiccazione e di riduzione delle dimensioni Essa inoltre deve essere introdotta nel gassificatore che talvolta opera in pressione Uno dei principali problemi che devono essere risolti spesso proprio quello della essiccazione delle biomasse dal momento che la maggior parte dei gassificatori non accettano materiale troppo umido l ideale spesso una umidit del 10 20 mentre molte biomasse fresche di taglio hanno tenori di umidit del 50 60 L essiccazione un processo fortemente energivoro che pu ridurre notevolmente l efficienza globale del sistema ragion per cui le attivit di ricerca in corso cercano di individuare soluzioni che utilizzino flussi energetici di recupero all interno dello stesso impianto gas di scarico della turbina o del motore syngas caldo etc Peraltro anche possibile pensare a soluzioni integrate con essiccazione delocalizzata delle biomasse ed utilizzo delle stesse in un impianto centralizzato minimizzando i costi di trasporto e le perdite energetiche 83 38 Di EI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA In sintesi le maggiori aree di ricerca e sviluppo nel settore dei processi di gassificazione delle biomasse sono rivolte alla risoluzion
107. durre la viscosit del bio olio intrisecamente maggiore di quella dei combustibili liquidi di origine fossile con la conseguente necessit di un riscaldamento per ridurne il valore I combustibili liquidi derivanti dai processi di pirolisi contengono inoltre rilevanti quantitativi di ossigeno dell ordine del 35 40 con una conseguente ulteriore riduzione del potere calorifico Inoltre la presenza di cos elevati quantitativi di ossigeno rende il bio olio di fatto non miscibile con i combustibili fossili convenzionali La non miscibilit dell olio pirolitico viene aggravata dal fatto di presentare una ampia gamma di temperature di vaporizzazione Ancora il bio olio presenta una elevata concentrazione di sostanze acide con conseguente tendenza ad amplificare i fenomeni corrosivi ed una notevole instabilit chimica Peraltro anche le ceneri sebbene presenti in concentrazioni non superiori a quelle dei combustibili liquidi fossili provocano problemi di erosione e corrosione a causa della presenza di composti alcalini come sodio potassio e vanadio In relazione a tali caratteristiche un efficace utilizzo dell olio ai fini della produzione di energia richiede molto spesso un adeguato 49 te amp RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA pre trattamento Un gran numero di attivita di ricerca sono attive proprio nel settore del trattamento degli oli prodotti dai processi di pirolisi 122 124 Fra i processi studiati vi
108. e alchilbenzeni Il bioetanolo rapidamente biodegradato se viene disperso nell ambiente Il biodiesel da luogo ad una minore fumosit dei gas di scarico nei motori diesel 70 e conseguentemente ad una minore emissione di particolato 20 60 Inoltre non contiene sostanze quali gli idrocarburi aromatici benzene toluene ed omologhi o policiclici aromatici PAH estremamente pericolose per la salute umana in quanto aventi effetti citotossici cancerogeni mutageni e respiratori cronici Per quanto riguarda il bioetanolo opinione corrente che l emissione di particolato e di idrocarburi volatili sia significativamente ridotta Tuttavia anche con miscele a bassa percentuale di etanolo gli idrocarburi volatili possono aumentare a causa della maggiore pressione di vapore del biocarburante Le emissioni di alcuni degli inquinanti pi tossici come il benzene l 1 3 butadiene il toluene e lo xilolo diminuiscono utilizzando etanolo Il biodiesel non contiene metalli nocivi quali Cd Pb e V riduce i pericoli nelle fasi di trasporto e stoccaggio grazie alla minore infiammabilit punto di infiammabilit gt 100 C ha un elevato potere lubrificante che diminuisce l usura del motore L ossigeno contenuto nei biocarburanti mediamente il 10 nel biodiesel contro il 2 nel gasolio favorisce la combustione e diminuisce le emissioni di CO 35 per il biodiesel 20 40 per il bioetanolo Il monossido di carbonio indice di cattiva comb
109. e Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Metodi innovativi di produzione del biodiesel La ricerca di metodi innovativi di produzione del biodiesel tende principalmente allo sviluppo di un catalizzatore che permetta di sostituire quelli attuali basati sulla catalisi omogenea basica o acida e che presentano diversi svantaggi tra cui i costi elevati che vanno in parte a ridurre i benefici che si hanno con l impiego dei biocarburanti I nuovi processi in studio utilizzano catalizzatori eterogenei che possono essere quindi recuperati e riutilizzati per diversi cicli produttivi Inoltre essi consentono di operare in processi continui con reattori PFR o CSTR Per esempio presso il Dipartimento di Scienze Chimiche dell Universit di Cagliari sono in fase di studio due diversi tipi di catalizzatori eterogenei solidi inorganici basici e biocatalizzatori lipasi immobilizzate Il processo enzimatico sebbene pi costoso permette di lavorare a temperatura ambiente con conseguente risparmio energetico senza dar luogo alla formazione di sottoprodotti indesiderati es saponi Queste ricerche sono state finanziate sia da enti pubblici che da imprese private Per minimizzare i costi complessivi del processo data la grande quantit di glicerolo prodotto presso lo stesso gruppo di ricerca sono in atto delle ricerche il cui scopo la valorizzazione del glicerolo con la sua trasformazione in derivati ad alto valore aggiunto Il prezzo attuale de
110. e acque reflue e i fanghi Inoltre il trasporto del substrato negli aggregati di fango molto migliore se comparato alle situazioni dove l intensit della miscelazione pi bassa 245 La velocit di carico massima realizzabile col sistema EGSB leggermente superiore rispetto a quella del sistema UASB specialmente quando nelle acque reflue presente una debole concentrazione di acidi grassi volatili VFA e si opera ad una temperatura inferiore a quella ambiente 241 4 2 4 Altri tipi di reattori ibridi Altri reattori che appartengono alla classe dei reattori ibridi sono UASF Upflow Anaerobic Sludge Filter e SBAF Sludge Bed Anaerobic Filter Questo tipo di reattori pu essere identificato come un UASB con la parte superiore dotata di impaccamento In realt il materiale di riempimento non da un contributo significativo alla attivit di digestione giacch ritiene modesti quantitat di biomassa l azione del materiale di riempimento piuttosto quella di separare le fasi gas liquido solido i fiocchi di biomassa dalle bolle del gas consentendo il loro trattenimento all interno del reattore Si pu affermare quindi che il reattore SBAF un reattore di tipo UASB in cui il sistema di separazione gas liquido solido costituito da materiale di riempimento di norma impiegato nei filtri anaerobici Dal punto di vista delle prestazioni queste sono assimilabili a quelle dei reattori UASB Pi recente stata la sperimenta
111. e di problemi quali e miglioramento del livello di automazione flessibilit operativa e affidabilit e miglioramento del rendimento di conversione rendimento di gas freddo e limitazione della concentrazione di TAR e particolato e riduzione dei problemi di sinterizzazione e agglomerazione delle ceneri e riduzione dei costi 2 3 2 La sezione di condizionamento del syngas Nel syngas prodotto dai processi di gassificazione si ritrovano tutta una serie di composti indesiderati che devono essere eliminati prima della utilizzazione finale I principali elementi indesiderati sono il TAR e il particolato mentre nel caso delle biomasse assume minore rilevanza la presenza dei composti dello zolfo La presenza di TAR pu essere ridotta in misura solo marginale agendo sui parametri operativi del processo di gassificazione anche se in questo settore come detto vi una intensa attivit di ricerca L eliminazione del TAR cos come del particolato passa pertanto attraverso lo sviluppo di efficienti e affidabili processi di depurazione Nei sistemi convenzionali la depurazione del syngas avviene generalmente mediante processi di filtrazione e di lavaggio con acqua ovvero con sistemi a freddo Poich per il syngas viene prodotto dal gassificatore a temperatura medio alta da circa 200 300 C nel caso dei gassificatori a letto fisso fino ad oltre 800 C nel caso di quelli a letto fluido evidente che il raffreddamento del syngas introd
112. e e gli agenti gassificanti vengono introdotti dall alto mentre il syngas viene estratto dal basso e quelli di tipo updraft dove invece il combustibile viene introdotto dall alto gli agenti gassificanti dal basso e il syngas estratto dall alto In tutti i casi nei gassificatori a letto fisso la temperatura interna limitata dalla temperatura di fusione delle ceneri la temperatura del gas prodotto bassa solitamente inferiore a 300 C si ha un modesto consumo di ossigeno ed un elevato consumo di vapore Tali gassificatori non sono particolarmente adatti ad accettare biomasse molto eterogenee in quanto presentano precisi limiti nella accettabilit dei fini ovvero della frazione di combustibile di minori dimensioni hanno tipicamente una bassa potenzialit e producono syngas con elevate percentuali di TAR anche se con ridotte concentrazioni di particolato I gassificatori a letto fluido realizzano invece una intensa fluidificazione della zona di reazione grazie alla immissione opportunamente localizzata degli agenti gassificanti ed all impiego di un mezzo inerte come la sabbia In relazione a tali condizioni operative essi presentano una distribuzione uniforme di temperatura lungo il reattore con valori inferiori alla temperatura di fusione delle ceneri a causa dei problemi legati alla agglomerazione Essi evidenziano moderati consumi di ossigeno e di vapore producono syngas con limitato contenuto di TAR ma con una elevata concentrazione d
113. ea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA elevata tolleranza e acclimatazione all 1 1 1 2 tetracloroetano L attivit del reattore R1 registra un efficienza di circa il 90 sottoposto ad aggiunta continua di 1 1 1 2 TeCA inizia a sentire gli effetti negativi quando si arriva a concentrazioni superiori a 100 mg L Da sottolineare che negli esperimenti in batch fatti in precedenza l IC50 era di 18 mg L Per concentrazioni di 140 mg L l efficienza del reattore diminuisce sino al 40 espressa come COD rimosso e sino al 5 espressa come CH4 prodotto Utilizzando il reattore per tre mesi con questa concentrazione si ha il pieno recupero dell attivit in 3 4 giorni in seguito all eliminazione del 1 1 1 2 TeCA dall influente Il reattore R2 stato capace sopportare dosi slug di 1 1 1 2 TeCA previste nell arco di 24 ore ad una concentrazione superiore a 120 mg L senza effetti sull attivit Per dosi slug superiori a 250 mg L la sua efficienza scende al 50 circa e il recupero si ottiene in soli 1 3 giorni Per concentrazioni sino a 400 mg L di 1 1 1 2 TeCA il reattore in grado di recuperare completamente la sua attivit in 5 6 giorni Visto il recupero dell attivit del reattore dopo l eliminazione dei composti tossici si pu ipotizzare che 1 1 1 1 2 TeCA eserciti un effetto batteriostatico sulla popolazione microbica dei granuli anaerobici I batteri acetogenici e i metanogeni acetoclastici archaea sono i microorganis
114. ecca L altro importante filone di ricerca in questo settore riguarda il miglioramento della meccanizzazione agricola specie per quanto concerne la messa a dimora delle piantine e la raccolta della biomassa Altre importanti aree di ricerca e sviluppo si occupano dei diversi trattamenti Tab 2 Tecnica agronomica delle colture da energia Sorgo da fibra Su fila 20 uu di N 100 200 Fine settembre Falcia trincia Sorgo Tra file 45 P20s 60 80 ottobre caricatrice precisione zuccherino Erbacee Poliennali A file continue Soccorso 300 600 Tra file 40 con seminatrice Impianto solo A ana Sfalcio o NO all impianto loa e imballatura P20s 70 100 Sufila 1m Trapianto K20 100 150 da dicembre Tra file 1m rizomi Produzione a febbraio Canna Comune Falcia trincia caricatrice Su fila 50 Trapianto N 60 100 da dicembre Tra file 1m rizomi dal 2 anno in Cardo Su fila 1m Semina pini ng Tra file 1m a postarelle 9 Arboree SRF a febbraio agosto File singole Impianto Pioppo 0 40 0 60 m x NO Sai lan ton ian i Cippatrici o taglio ta 8 10 La Prodin a canes i Robinia File binate trapiantatrici N70 80 niente nici 0 75 m fra file dal 2 anno in Eucalipto 2 m fra bine poi alla ripresa 0 75 m su file vegetativa Solo in caso di situazioni di carenza Trapianto di rizomi o talee in febbraio marzo semina di panicum e cardo in aprile maggio Da Bonari E 2004 Monti A
115. ecnologie convenzionali e disponibili da tempo sul mercato essendo il bioetanolo gi prodotto in consistenti quantitativi in Paesi come il Brasile e gli Stati Uniti Un altra filiera gi disponibile a livello industriale e quindi facilmente implementabile quella di produzione del biodiesel o anche dei meno raffinati oli vegetali grezzi a partire da colture oleaginose Anche in questo caso esiste un ampia esperienza in Europa e in molti altri Paesi con consistenti produzioni di biodiesel destinato soprattutto alla sostituzione del gasolio nei motori a combustione interna e nelle caldaie per riscaldamento Tuttavia ai fini della produzione di energia elettrica possono essere facilmente impiegati anche i pi 6 te i RICERCHE RnS DOPEN REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA A 4 n Fermentazione Etanol Zuccheri e distillazione ea Esterificazione Biodies oli vegetali gt rr E Oli vegetali Zuccheri Fermentazione PL e distillazione Zuccherine Canna Sorso Amidacee Mais Patate Frumento Oleaginose Colza Soia Girasole Etanol _ gt Pellet Cippato ecc oS Energia A Ciclo a vapore termicay pore eS STA Syngas Turbina a gas fuel cell etc Olio Syngas Turbina a gas fuel cell etc ESS Figura 1 2 Principali filiere di conversione energetica delle biomasse Ligno cellulosiche Pioppo frazione umida RSU Reflui
116. ecola di amilosio pu contenere sino a 1000 residui di glucosio L amilopectina invece un polimero ramificato che presenta catene di base simili a quelle dell amilosio ma che si dispongono a formare una struttura ramificata Ogni 24 30 unit di glucosio infatti si innestano catene laterali attraverso legami a 1 6 Quando si utilizza un cereale amidaceo come materia prima per produrre bioetanolo il processo inizia con la selezione e macinatura dei semi poi si ha la conversione degli amidi in zuccheri fermentabili ad opera dell enzima a amilasi ottenuto da batteri termoresistenti come il Bacillus licheniformis 218 80 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA In starch all the glucose repeat units are oriented in the same direction But in cellulose every other repeat unit is rotated 180 degrees around the axis of the backbone relative to the previous repeat unit Cellulose 3 ui Figura 3 11 Confronto fra la struttura dell amido e quella della cellulosa Il processo viene condotto a 60 C e la resa in zuccheri fermentabili dell 80 Dopo l idrolisi enzimatica si effettuano nell ordine la fermentazione la distillazione e la disidratazione per ottenere il bioetanolo anidro Il mais 60 70 di amido la materia prima principale per la produzione industriale del bioetanolo a livello mondiale Il principale sottoprodotto del trattamento dei materiali amidacei costituito
117. el 5 Miscele con percentuali maggiori di biocarburanti vengono usate talvolta nel settore del trasporto pubblico autobus e mezzi pubblici Il biodiesel deriva dalla transesterificazione degli oli vegetali ottenuti principalmente da colture oleaginose es colza soia e girasole Il bioetanolo invece viene prodotto tramite processi di fermentazione e distillazione di materiali zuccherini o amidacei 3 1 1 1 Vantaggi ambientali I biocarburanti vengono definiti CO2 neutri infatti essendo prodotti da materie prime di origine vegetale danno luogo ad un ciclo chiuso della CO2 Sebbene possano esserci emissioni di CO2 associate alla loro produzione dovute all utilizzo di fertilizzanti trattori trasporto e trattamento tuttavia queste sono inferiori a quelle prodotte dai tradizionali combustibili fossili 1 kg di gasolio sostituito con il biodiesel permette di risparmiare 2 5 kg di CO2 Nel caso di oli vegetali la riduzione indicativa di emissioni di CO2 compresa fra I 80 ed il 96 I biocarburanti possiedono un elevata biodegradabilit Il biodiesel viene facilmente attaccato dai microorganismi 99 in 21 giorni Al contrario il 55 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA gasolio di origine fossile risulta in generale tossico per i microorganismi in quanto oltre a numerosi alcani a catena lunga Cio C20 privi di ossigeno contiene anche idrocarburi ciclici alifatici idrocarburi policiclici aromatici
118. elle emissioni inquinanti e di gas serra nonch dei quantitativi di residui avviati a discarica In relazione all incremento dei costi delle fonti fossili convenzionali l utilizzo delle biomasse porter anche benefici sul fronte economico attraverso la riconversione di una parte del settore agricolo la riduzione dei costi di approvvigionamento energetico dall esterno e la valorizzazione di residui rifiuti e sottoprodotti A seconda delle caratteristiche intrinseche delle biomasse composizione chimica umidit densit ecc e della tipologia di utilizzo finale combustibile per autotrazione per la produzione di energia termica di energia elettrica ecc le filiere di conversione energetica possono presentare configurazioni anche molto diverse fra loro Come schematicamente mostrato nello schema di figura 1 la composizione delle biomasse ha una influenza fondamentale sulla scelta del processo di conversione Infatti nel caso di biomasse ricche di sostanze nutritive azotate rapporto carbonio azoto C N minore di 30 e con elevata umidit superiore al 30 circa i processi di conversione pi adatti sono quelli di tipo biochimico come la fermentazione alcolica nel qual caso di fondamentale importanza il contenuto di zuccheri o di amidi la digestione anaerobica e la digestione aerobica nei quali le trasformazioni chimiche sono attivate dall azione di microrganismi originariamente presenti nei vegetali in presenza di opportune condizi
119. energetico di filiera chiuso in attivo rappresenta l irrinunciabile presupposto ai fini della effettiva garanzia di sostenibilit ambientale A tal proposito si possono reperire in letteratura un gran numero di lavori aventi per oggetto analisi di tipo LCA Life Cycle Analysis pi o meno dettagliate delle filiere di conversione energetica delle biomasse Come noto la LCA una metodologia che quantifica gli impatti ambientali potenziali di un prodotto o un servizio lungo l intero ciclo della sua vita dall estrazione delle materie prime a tutte le fasi di produzione uso e manutenzione fino alla dismissione del prodotto stesso Attraverso un inventario dei flussi in entrata ed in uscita dal sistema input di materia energia uso del suolo emissioni in acqua aria suolo ecc la LCA permette di quantificarne le performance ambientali mediante l uso di opportuni indicatori di impatto effetto serra diminuzione dello strato di ozono acidificazione consumo di energia primaria ecc In termini del tutto generali nell ambito di una determinata filiera gli studi LCA considerano le seguenti voci di input v i combustibili direttamente consumati dalle macchine agricole dai mezzi di trasporto e dall impianto di trasformazione dei prodotti agricoli in ogni caso riportati sotto forma di energia primaria ovvero includendo la spesa energetica per l estrazione delle fonti 14 Di EI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA
120. enewable and Sustainable Energy Reviews 2008 In Press Corrected Proof 80 Garcia L M L Salvador J Arauzo and R Bilbao CO2 as a gasifying agent for gas production from pine sawdust at low temperatures using a Ni Al coprecipitated catalyst Fuel Processing Technology 2001 69 2 p 157 174 81 Pfeifer C and H Hofbauer Development of catalytic tar decomposition downstream from a dual fluidized bed biomass steam gasifier Powder Technology 2008 180 1 2 p 9 16 82 Pletka R R C Brown and J Smeenk Indirectly heated biomass gasification using a latent heat ballast 1 experimental evaluations Biomass and Bioenergy 2001 20 4 p 297 305 83 Cummer K R and R C Brown Ancillary equipment for biomass gasification Biomass and Bioenergy 2002 23 2 p 113 128 84 Hasler P and T Nussbaumer Gas cleaning for IC engine applications from fixed bed biomass gasification Biomass and Bioenergy 1999 16 6 p 385 395 85 Houben M P H C de Lange and A A van Steenhoven Tar reduction through partial combustion of fuel gas Fuel 2005 84 7 8 p 817 824 86 Raskin N J Palonen and J Nieminen Power boiler fuel augmentation with a biomass fired atmospheric circulating fluid bed gasifier Biomass and Bioenergy 2001 20 6 p 471 481 87 Sridhar G P J Paul and H S Mukunda Biomass derived producer gas as a reciprocating engine fuel an experimental analysis Biomass and Bioenergy 2001 21 1 p 61 72
121. ento a v Utilizzo di materie prime alternative per la produzione di trigliceridi quali in particolare microalghe oleaginose v Metodi innovativi di produzione del biodiesel v Valorizzazione del glicerolo Il settore della digestione anaerobica appare particolarmente interessante in Sardegna sia per il numero di impianti esistenti sia per le potenzialit di estensione Tuttavia diversi impianti realizzati negli anni passati sono inattivi oppure operano con basse prestazioni Tenuto conto di tale situazione gli argomenti di ricerca nel settore della digestione anaerobica di interesse per la Sardegna includono sostanzialmente v Analisi del funzionamento degli impianti esistenti v Inventario delle biomasse disponibili e dei siti inquinati v Studio e sperimentazione di processi ad elevata efficienza e di co digestione Infine per quanto concerne la formazione del personale addetto alla ricerca nel settore delle biomasse si possono percorrere i classici canali dei Master e dei corsi di formazione per ricercatori destinati a personale laureato specie nel caso in cui sia necessario formare uno staff di ricerca per un laboratorio tematico o un centro di ricerca dedicato alle coltivazione delle biomasse ed al loro utilizzo industriale In un ottica di pi ampio respiro la formazione di ricercatori esperti nel settore pu essere pi efficacemente realizzata attraverso il finanziamento di borse di studio per la frequenza di corsi di dott
122. er acque di scarico con alta concentrazione di solidi sospesi e per i sistemi che non sono idraulicamente limitati 236 HRT CODssin X R 1 H SRT 2 in cui CODssin COD dei solidi sospesi nell influente g L X concentrazione del fango nel bioreattore g VSS L 1 g VSS 1 4 g COD R frazione di CODss rimossa H frazione di CODss rimossa che viene idrolizzata col SRT fisso 4 1 7 Vantaggi e svantaggi del trattamento anaerobico 4 1 7 1 I vantaggi del trattamento anaerobico sono numerosi e possono essere cos riassunti v disponibilit di una fonte d energia per effetto del recupero del metano v bassi consumi di energia nel pompaggio e nel riciclo dell effluente a temperatura ambiente la richiesta di energia dell ordine di 0 05 0 1 kWh m v riduzione dei solidi da trattare infatti la produzione dell eccesso di fango in relazione alla frazione di COD biodegradabile e nei 96 Ea Da Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA x amp S lt v v RICERCHE trattamenti anaerobici decisamente inferiore rispetto ai processi aerobici facilitazione nella disidratazione del fango stabilizzazione del rifiuto grezzo prodotti finali praticamente privi di odore recupero quasi completo dei nutrienti nel digestato azoto fosforo e potassio per la fertirrigazione operativit dei sistemi anaerobici con carichi organici molto elevati gt 30 g COD 1 die a ca 30 C e sino a 50
123. er il trattamento dei reflui acquosi sussistono evidenti vantaggi del trattamento anaerobico rispetto a quello aerobico per la degradazione dei substrati organici 89 te amp RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 1 IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA 4 1 1 Generalit sul processo di digestione anaerobica La digestione anaerobica un processo biologico complesso che avviene in assenza di ossigeno disciolto libero in cui il materiale organico decomposto da batteri anaerobici e facoltativi in una miscela gassosa biogas costituita prevalentemente da metano e anidride carbonica Nella Figura 4 1 illustrato il processo di digestione anaerobica Esso avviene in tre fasi successive per l azione di diversi gruppi batterici che operano in serie Nella prima fase idrolisi i batteri idrolitici decompongono i composti organici complessi ad es carboidrati proteine e grassi in sostanze pi semplici Nella fase successiva fermentazione i batteri acidificanti acetogeni ed omoacetogeni trasformano tali sostanze dapprima in acidi organici e quindi in acetato anidride carbonica e idrogeno Nell ultima fase quella pi delicata metanogenesi i batteri metanigeni trasformano i prodotti formatisi nella fase precedente in metano CHa ed anidride carbonica CO2 Complessivamente quindi la componente organica viene degradata liberando l energia chimica in essa contenuta sotto forma di biogas in misura variabile
124. ero il grano ed il mais Ci sono poi altre colture quali il sorgo zuccherino il topinambur ed altre che rimangono ancora in fase sperimentale La quantit di etanolo che si pu ricavare con le tecnologie standard per ettaro di coltura sono riportate in Tabella 3 7 Tabella 3 7 Quantit di etanolo ottenibile per ettaro di coltura mediante tecnologie standard 210 Coltura t omn etanolo ha all anno Canna da zucchero 7 Mais 3 Barbabietola da zucchero 4 Patata 3 3 4 1 2 Bioetanolo da materiali zuccherini Il bioetanolo pu essere prodotto da una gran variet di carboidrati di formula CH20 n Dal punto di vista tecnologico il processo prevede l estrazione degli zuccheri da barbabietola o canna da zucchero la loro fermentazione e la distillazione dell etanolo La reazione coinvolge l idrolisi enzimatica del saccarosio ad opera dell enzima invertasi presente nel lievito Saccharomyces cerevisiae con formazione di glucosio e fruttosio C12H22011 H20 C6H1206 C6H1206 Successivamente l enzima zymasi presente nel lievito trasforma il glucosio ed il fruttosio in etanolo 211 79 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA C6H1206 2C2H50H 2CO2 La fermentazione viene effettuata in bioreattori riproducendo le condizioni ideali per favorire il metabolismo anaerobico temperatura tra i 5 e 25 C e pH tra 4 8 e 5 0 212 In seguito alla distillazione si ottiene etanolo al 95 in peso con
125. erophilic per convertire il solfuro a zolfo elementare 237 97 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 2 REATTORI ANAEROBICI I bioreattori utilizzati nella digestione anaerobica sono di diversi tipi e si distinguono per forma dimensioni processo adottato materiali ed accessori impiegati Una prima differenziazione quella tra reattori tradizionali e reattori di tipo avanzato La differenza sostanziale sta negli accorgimenti o dispositivi di cui sono dotati i secondi che consente di ridurre al minimo la fuoriuscita della biomassa dal reattore realizzando cos una separazione tra il tempo medio di ritenzione idraulica HRT ed il tempo medio di ritenzione dei fanghi SRT risolvendo in questo modo due dei principali problemi che caratterizzano la digestione anaerobica la ridotta velocit di crescita della biomassa ed il relativamente lungo tempo di digestione Di seguito verranno descritte le principali tipologie impiantistiche dei reattori anaerobici pi diffusi e frequentemente applicati per il trattamento di reflui zootecnici e la stabilizzazione dei fanghi provenienti da impianti di trattamento delle acque di fogna urbana e industriale Seguono quindi le tipologie ad elevato contenuto tecnologico che meglio si prestano al trattamento di reflui industriali filtri anaerobici reattori UASB ecc Secondo la modalit di crescita della biomassa i reattori si possono distinguere in reattori a cr
126. escita sospesa reattori a crescita supportata e reattori Mentre nei primi reattori la crescita della biomassa avviene in sospensione nella fase liquida nei secondi la biomassa si sviluppa su un materiale di supporto posto all interno del reattore formando film sottili detti biofilm In questo modo il tempo di ritenzione della biomassa risulta decisamente superiore al tempo di ritenzione idraulico ed per questo motivo che i reattori a biomassa adesa fanno parte della categoria dei reattori avanzati Infine i reattori ibridi sono il frutto della combinazione dei due 4 2 1 Impianti Semplificati Queste tipologie di impianto trovano frequente applicazione nel settore zootecnico grazie alla semplicit costruttiva e gestionale Essi infatti sono costituiti da una vasca di stoccaggio dotata di copertura gasometrica I sistemi pi semplici sono quelli psicrofili che sono caratterizzati da rendimenti variabili in relazione alla stagione dell anno e da tempi di permanenza elevati 60 giorni o pi indicativamente per un liquame suino le produzioni annuali di biogas sono circa 25 m 100 kg di peso vivo 98 Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Invece i bioreattori dotati di sistema di riscaldamento consentono di mantenere la condizione di mesofilia 35 37 C e di ottenere rendimenti pi elevati e costanti durante tutto l arco dell anno con tempi di ritenzione intorno a 20 giorni In questo caso le produzioni medie di bioga
127. essenzialmente dalla CO2 presente nel mezzo liquido in pratica dalla sua pressione parziale nel biogas e quindi dipende dalla composizione di quest ultimo e dai valori di concentrazioni di acidi volatili grassi e ammoniaca Va rilevato che il pH in grado di indicare condizioni di squilibrio del sistema ma solo con un certo ritardo rispetto all evoluzione dell effetto tampone del mezzo v Alcalinit rappresenta la capacit di un sistema di neutralizzare l acidit essa viene di norma espressa in termini di concentrazione di carbonato di calcio Valori di alcalinit tipici per i digestori anaerobici che operano in condizioni stabili sono dell ordine di 3000 5000 mg CaCOs L v Il rapporto C N un altro importante parametro che stabilisce la relazione tra le quantit di carbonio e azoto presenti nei materiali organici Un rapporto C N di 20 30 considerato ottimale per le condizioni di digestione anaerobica Se il rapporto C N molto alto l azoto sar consumato rapidamente dai batteri metanigeni per soddisfare il loro fabbisogno di proteine Come conseguenza di ci la quantit di gas prodotta sar bassa Se il rapporto C N molto basso l azoto verr liberato e accumulato nella forma di ammoniaca aumentando il pH del materiale v Acidi grassi volatili sono rappresentati dalla formula generale R COOH R un gruppo alchilico del tipo CH3 CH2 n La concentrazione degli acidi volatili di norma espressa in termini di
128. essere miscelato 0 mediante opportuni accorgimenti tecnici sostituto nell alimentazione degli autoveicoli Nella Tabella 3 6 sono poste in evidenza le principali caratteristiche energetiche del bioetanolo in confronto a quelle della benzina Tabella 3 6 Confronto tra le propriet del bioetanolo e della benzina 115 116 Parametri Unit di misura Bioetanolo Benzina p c i kcal kg 6 500 10 500 Flashpoint C 13 21 Temperatura di Cadlatm 78 105 ebollizione In Brasile negli Stati Uniti e in Svezia per citare solo i principali paesi circolano da anni auto flexfuel che possono essere utilizzate virtualmente con qualunque miscela di etanolo e benzina L utilizzo del bioetanolo nei motori a benzina ha diverse importanti motivazioni 208 Innanzitutto possiede una forte valenza ambientale in quanto riduce l emissione di gas serra in percentuali che variano dal 25 etanolo da mais al 90 etanolo da canna da zucchero Una produzione significativa di etanolo potrebbe inoltre contribuire a ridurre la dipendenza dalle importazioni petrolifere Il prezzo europeo dell etanolo ancora pi alto di quello della benzina Tuttavia prevedibile che il prezzo dell etanolo sia destinato a scendere con il progressivo affinarsi dei processi produttivi mentre quello dei carburanti fossili sia in continua crescita Nel contesto europeo il principale fattore limitante alla produzione di etanolo la ridotta disponibilit di ter
129. esti impianti sono caratterizzati dal fatto di utilizzare fluidi operativi diversi dall acqua per realizzare un ciclo Rankine e vengono solitamente proposti con potenze nette da circa 300 400 kWe fino a circa 1 2 1 5 MWe e rendimenti netti dell ordine del 15 20 I fluidi organici impiegati sono caratterizzati da temperature critiche inferiori a quelle dell acqua cosicch a parit di pressione si hanno minori temperature di vaporizzazione La successione delle trasformazioni del fluido quella solita dei cicli Rankine semplici ovvero vaporizzazione e surriscaldamento in caldaia o in uno scambiatore di calore espansione in turbina condensazione e compressione Nel caso molto frequente di impianti destinati ad operare in cogenerazione la condensazione del fluido operativo consente di produrre l energia termica per le utenze Le caratteristiche termo fluidodinamiche dei fluidi organici sono tali da garantire un buon rendimento della turbina anche con ridotte potenze contrariamente alle turbine a vapore le turbine a fluido organico mantengono infatti elevati rendimenti anche con ridotte dimensioni ed evitano le perdite energetiche ed i danneggiamenti derivanti dal tratto di espansione nella zona del vapore umido Gli impianti ORC sono utilizzati soprattutto per lo sfruttamento di risorse energetiche a bassa temperatura dell ordine di 200 300 C come per esempio fluidi caldi di processo o fluidi geotermici L interesse per il settore delle
130. etc Considerazioni analoghe dovrebbero essere fatte a proposito dell uso di bioreattori al alta efficienza volte alla individuazione delle condizioni ottimali di utilizzo Infine un altra attivit sperimentale dovrebbe riguardare la possibilit di combinare i processi di digestione anaerobica o con altri processi biologici o con processi chimico fisici per trattare reflui particolari ad elevato carico organico con presenza di sostanze tossiche etc Alcuni di questi temi di ricerca sono gi stati sviluppati a livello di indagine di base dalle unit operativa dei Dipartimenti di Ingegneria Chimica e Materiali e di Ingegneria Ambientale dell Universit di Cagliari nonch da un gruppo di ricerca dell Universit di Sassari si ritiene che ai fini di un approfondimento di queste tematiche possano essere costruttivi gli scambi e ancor meglio la cooperazione col Laboratorio biomasse di Sardegna Ricerche in considerazione anche del maggior livello di scala del bioreattore presente in detto centro 142 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 5 2 FORMAZIONE DI PERSONALE ADDETTO ALLA RICERCA NEL SETTORE DELLE BIOMASSE Nel settore della produzione di energia da biomassa e della sua trasformazione in biocarburanti operano da tempo diversi gruppi di ricerca delle Universit di Cagliari e di Sassari con evidenti riflessi anche sul fronte della formazione Alle attivit didattiche curricolari presso le Facol
131. eve realizzarsi il massimo contatto 95 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA v Anche i minimi problemi di trasporto dovrebbero essere verificati sperimentalmente in relazione ai composti alimentati ai prodotti intermedi ed a quelli finali Alla base del progetto di un sistema di digestione anaerobica c lo stadio pi lento della digestione di solito costituita dalla conversione dei solidi organici biodegradabili in composti solubili Questo processo comunemente descritto come idrolisi fortemente dipendente dalla temperatura Il tempo di ritenzione del fango Sludge Retention Time SRT un parametro molto importante Quando troppo breve la metanogenesi non avviene e il contenuto del reattore tender ad acidificarsi Un SRT di almeno 15 giorni necessario per assicurare sia la metanogenesi che una sufficiente idrolisi e acidificazione dei lipidi a 25 C Temperature di digestione pi basse richiedono SRT pi lunghi dal momento che la velocit di crescita dei metanigeni e la constante d idrolisi diminuiscono con la temperatura Nei sistemi completamente miscelati SRT eguale all HRT mentre nei sistemi con ritenzione insita del fango l SRT maggiore del HRT Per il particolare sistema anaerobico UASB Upflow Anaerobic Sludge Bed il volume del reattore richiesto per assicurare un sufficiente SRT viene calcolato in accordo alla equazione 2 Quest equazione viene applicata p
132. f the American Oil Chemists Society 2001 78 11 p 1161 1165 Pinto A C L L N Guarieiro M J C Rezende N M Ribeiro E A Torres W A Lopes P A d P Pereira and J B de Andrade Biodiesel an Overiview J Braz Chem Soc 2005 16 p 1313 1330 Vicente G A Coteron M Martinez and J Aracil Application of the factorial design of experiments and response surface methodology to optimize biodiesel production Industrial Crops and Products 1998 8 1 p 29 35 Kaita J T Mimura N Fukuoka and Y Hattori Catalyst for transesterification in US patent 2001 US Jaeger K E and T Eggert Lipases for biotecnology Curr Opin Biotechnol 2002 13 p 390 397 Pandey A S Benjamin C R Soccol P Nigam N Krieger and V T Soccol The realm of microbial lipases in biotechnology Biotechnol Appl Biochem 1999 29 p 119 131 Vermue M H and J Tramper Biocatalysis in non conventional media medium engineering aspects Pure Appl Chem 1995 67 p 345 373 Salis A M Monduzzi and V Solinas Enzymes for biocatalysis in non aqueous media in Biocatalysis Chemistry and Biology A Trincone Editor 2005 Research Signpost Kerala p 29 53 Salis A M Monduzzi and V Solinas Use of lipases for the production of Biodiesel in Industrial Enzymes J Polaina and A P MacCabe Editors 2007 Springer Dordrecht Mittlebach M Lipase catalyzed alcoholysis of sunflower oil J Am Oil Chem Soc 1990 67
133. ficazione Altri additivi in corso di sperimentazione sono 36 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA minerali a base di magnesio ossidi di ferro e silice ossidi di vanadio cromo cobalto nickel rame molibdeno etc In linea di massima l iniezione di additivi nel gassificatore appare in grado di ridurre il contenuto di TAR e aumentare la concentrazione di H2 CO e CO2 I maggiori problemi incontrati sono relativi alle severe condizioni operative che portano spesso alla deattivazione degli additivi utilizzati ed al trascinamento di fini nel syngas 72 76 Anche il tipo di gassificatore assume una importanza fondamentale tanto che numerose attivit di ricerca sono finalizzate a sviluppare nuove tipologie di reattori nei quali le zone di pirolisi e di gassificazione sono separate da una zona intermedia nella quale i gas prodotti dal processo di pirolisi vengono parzialmente ossidati Anche la ripartizione dell ossidante in un flusso primario e in un flusso secondario si dimostrata benefica nei confronti della riduzione della concentrazione di TAR cos come il ricircolo al gassificatore del TAR separato 71 72 77 78 Poich ai fini della successiva rimozione o conversione non risulta importante solamente il quantitativo ma anche la natura chimica del TAR esso una complessa miscela di idrocarburi policiclici aromatici alchilati aromatici e composti fenolici altri gruppi di ricerca si occupano di car
134. flow anaerobic filters in Proceedings of the European Meeting on Chemical Industry and Environment 1996 Alghero Italy Kennedy J L D R L Startup of anaerobic downflow stationary fixed film DSFF reactors Biotechnology and Bioengineering 1985 27 p 1152 65 Van den Berg L Kennedy K J Samson R Anaerobic downflow sttionary fixed film reactor performance under steady state and non steady conditions Water Science and Technology 1985 17 1 p 89 102 Rajeshwari K V Balakrishnan M Kansal A Lata K Kishore V V N State of the art of anaerobic digestion technology for industrial wastewater treatment Renewable and Sustainable Energy Reviews 2000 4 p 135 156 Perez M Romero L I Sales D Comparative performance of high rate anaerobic thermophilic technologies treating industrial wastewater Water Research 1998 32 3 p 559 64 Collivignarelli C Urbini G Farneti A Bassetti A Barbaresi U Economic removal of organic and nutrient substances from municipal wastewater with full scale UASB fluidized and fixed bed reactors Water Science and Technology 1991 24 7 p 89 95 Lettinga G Design operation and economy of anaerobic treatment in Proceeding of a specialized seminar of the IWAPRC 1982 Copenhagen Denmark Lettinga G Anaerobic reactor technology in Lecture notes by Prof G Lettinga in Interational Course on Anaerobic Wastewater Treatment 1995 Wageningen Agriculture University Delft the Netherlan
135. glie pu arrivare a valori del 10 15 Risulta inoltre importante valutare la 13 Di EI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA temperatura di fusione delle ceneri che di solito risulta inferiore a quella delle ceneri da carbone 1200 1250 C contro 1350 1450 C Uno fra gli argomenti di maggiore attualit nell ambito delle attivit di ricerca e sviluppo nel settore della produzione di energia da biomasse riguarda la valutazione sulle migliori opzioni di filiera 14 21 Come noto tale scelta non pu basarsi esclusivamente su criteri di tipo economico aspetto tuttora estremamente critico soprattutto sul fronte della remunerazione per gli agricoltori e pertanto anch esso oggetto di numerosi studi e approfondimenti ma dovrebbe anche considerare gli aspetti ambientali le minori emissioni inquinanti o di gas serra ed energetici la maggiore produzione di energia per unit di superficie coltivata o il maggiore rapporto fra output e input energetici Infatti se vero che l energia chimica delle biomasse rappresenta una sofisticata forma di accumulo dell energia solare altrettanto vero che per coltivare raccogliere e trasformare tale biomassa in una forma adatta all utilizzatore finale combustibile energia elettrica energia termica occorre impiegare un quantitativo pi o meno elevato di energia e di materiali e quindi emettere anche sostanze inquinanti nell ambiente Appare infatti evidente che un bilancio
136. gronomy 2003 19 1 p 35 43 Venturi P J K Gigler and W Huisman Economical and technical comparison between herbaceous Miscanthus x giganteus and woody energy crops Salix viminalis Renewable Energy 1999 16 1 4 p 1023 1026 Lettens S B Muys R Ceulemans E Moons J Garcia and P Coppin Energy budget and greenhouse gas balance evaluation of sustainable coppice systems for electricity production Biomass and Bioenergy 2003 24 3 p 179 197 Pehnt M Dynamic life cycle assessment LCA of renewable energy technologies Renewable Energy 2006 31 1 p 55 71 Monti A S Fazio V Lychnaras P Soldatos and G Venturi A full economic analysis of switchgrass under different scenarios in Italy estimated by BEE model Biomass and Bioenergy 2007 31 4 p 177 185 Cocco D Comparative study on energy sustainability of biofuel production chains J Power and Energy Part A 2007 221 p 637 648 McKendry P Energy production from biomass part 1 overview of biomass Bioresource Technology 2002 83 1 p 37 46 McKendry P Energy production from biomass part 2 conversion technologies Bioresource Technology 2002 83 1 p 47 54 http www wds worldbank org external default WDS ContentServer WDSP IB 2006 04 24 000160016_200 60424 184752 Rendered PDF esm300005 1 BiomassOEnergy01PUBLIC1 pdf 2005 A Hammerschmid A S I Obernberger G Bios Bioenergiesysteme Austria R Piatkowski and D
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138. he il fenolo sono stati indagati in relazione alla loro biodegradabilit in condizioni anaerobiche ed alla possibile azione tossica nei confronti dei microorganismi L utilizzo di un reattore a letto fluidifizzato ha permesso di ottenere la loro degradazione mediante trattamento anaerobico continuo di reflui contenenti composti clorofenolici Il pentaclorofenolo e il DCP rispetto ai composti testati sono risultati i composti pi tossici per i batteri anaerobici L aggiunta di una sorgente esterna di carbonio permette di stimolare il processo di declorurazione e di assicurare un apporto sufficiente di biomassa Dopo un periodo di circa 75 ore di acclimatazione dei fanghi stata osservata un elevata velocit di eliminazione del substrato ed anche del effetto tossico 279 121 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 7 4 Altri Inibitori e Composti Tossici Oltre alle gi citate classi di composti possibile citarne altre i cui composti appartenenti risultano tossici per il processo microbico limitandone lo sviluppo o inibendo l attivit dei batteri Tra gli altri particolare importanza viene data ai pesticidi disinfettanti prodotti farmaceutici etc 4 7 4 1 Antibiotici In particolare nell ambito dei prodotti farmaceutici una classe importante quella degli antibiotici Sono stati condotti degli studi su alcuni antibiotici comunemente utilizzati nel trattamento dei suini Amoxicillina triid
139. i che sfruttano la luce per produrre alghe Il flusso d acqua all interno del fotobioreattore garantito da particolari pompe che evitano un agitazione turbolenta A differenza dei sistemi aperti forniscono un prodotto incontaminato da agenti esterni non si hanno variazioni di salinit in seguito 65 E te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA alle piogge n perdite di ingenti quantitativi d acqua in seguito ad evaporazione Richiedono per una periodica pulizia e sterilizzazione e una zona di degasaggio per allontanare l ossigeno ed i gas prodotti dal brodo algale 144 Studi sull utilizzo di vasche raceway sono stati finanziati dal Dipartimento dell Energia degli USA Questo metodo sicuramente il pi economico anche se d luogo all ottenimento di basse rese di biomassa In Italia il Dipartimento di Biotecnologie Agrarie dell Universit di Firenze ha attivato linee di ricerche sulla produzione di combustibili da microalghe mediante fotobioreattori Particolare attenzione stata rivolta all efficienza fotosintetica e ai sistemi di coltura 147 Water nutrients EXE Il II Biodiesel co production recovery extraction CO Power to biomass process Power to Biogas M NESSTA digestion Power generation Animal feed Effluent Other products Fertilizer Irrigation TRENDS in Biotechnology Figura 3 7 Schema del processo di sintesi del biodiesel d
140. i come noto basata su un largo impiego dell idrogeno in sistemi di conversione dell energia ad elevata efficienza e bassissime emissioni inquinanti come le citate celle a combustibile e specifici cicli con combustione di idrogeno con ossigeno puro per esempio L idrogeno rappresenta un vettore energetico piuttosto che una fonte primaria e in uno scenario di lungo periodo dovrebbe essere prodotto essenzialmente da energia nucleare e da fonti rinnovabili Tuttavia in uno scenario di medio termine la produzione di idrogeno da processi di reforming del metano o da gassificazione di carbone o biomasse con conseguente separazione della CO e la sua segregazione fuori dall atmosfera appare l opzione pi facilmente percorribile In effetti nel settore dei grandi impianti BGCC la prospettiva di rimuovere la CO dal syngas previo processo di CO shift conversion con conseguente produzione di idrogeno e riduzione delle emissioni di gas serra che in questo caso vista l origine delle biomasse potrebbero addirittura divenire negative appare molto interessante Ovviamente la separazione della CO2 introduce notevoli penalizzazioni sul rendimento globale valutabili in circa 8 10 punti di rendimento 105 106 Tuttavia la produzione di idrogeno da biomasse viene attivamente studiata perseguendo anche altre strade fra le quali quelle ritenute pi interessanti sono basate sul trattamento diretto delle biomasse con acqua in condizioni supercriti
141. i appaiono invece le attivit di ricerca nel settore dei processi di gassificazione e di pirolisi che pi facilmente possono essere integrati con sistemi di generazione elettrica di piccola taglia distribuiti sul territorio Pure interessanti possono risultare le attivit di ricerca e sviluppo tecnologico nel settore degli impianti di riscaldamento a biomassa di piccola taglia alimentati con pellets di bassa qualit In sintesi le attivit di ricerca da privilegiare appaiono quelle incentrate sui seguenti ambiti v Impianti di riscaldamento di piccola taglia alimentati con pellets di bassa qualit v Processi di gassificazione integrati con sistemi di generazione elettrica di piccola taglia v Processi di pirolisi integrati con sistemi di generazione elettrica di piccola taglia 144 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Nel settore dei biocombustibili liquidi solo gli oli ed il biodiesel sembrano avere possibilit di sviluppo effettivo nel territorio sardo mentre per quanto riguarda il bioetanolo sembra esserci una carenza sia nel settore della ricerca che in quello industriale almeno a breve periodo Inoltre mancano ancora risultati definitivi per quanto riguarda le materie prime e le lavorazioni necessarie per sviluppare il bioetanolo di seconda generazione Si pu quindi ragionevolmente sostenere che il trasferimento tecnologico avverr nel settore dei bio oli e del biodiesel con particolare riferim
142. i composti xenobiotici clorurati sono biodegradabili anche in condizioni anaerobiche 273 275 La declorazione anaerobica pu essere suddivisa in due gruppi di reazioni una mediata biologicamente e l altra no La dealogenazione riduttiva principalmente idrogenolisi e dicloro eliminazione la via pi importante per la biodegradazione anaerobica e richiede la donazione di un elettrone La dealogenazione abiotica in genere ha una cinetica di reazione estremamente lenta Tra i CAH stato scelto come composto modello 1 1 1 1 2 tetracloroetano 1 1 1 2 TeCA da un lato perch vi sono scarse fonti letterarie dall altro perch ampiamente utilizzato come solvente nei processi di fabbricazione ma anche per la sua tossicit verso i microorganismi nei sistemi metanogenici animali e non 246 117 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 7 1 1 Biodegradazione di 1 1 1 2 tetracloroetano in condizioni metanogeniche in un reattore UASB E stato studiato l effetto di differenti co substrati sulla degradazione anaerobica dell 1 1 1 2 tetracloroetano 1 1 1 2 TeCA in fanghi granulari ed stato ipotizzato il suo percorso degradativo La biomassa usata come inoculo una miscela di fanghi anaerobici granulari conservata a 4 C Il contenuto di solidi sospesi volatili VSS di 9 1 e la sua attivit specifica iniziale di gCOD gVSS d Nell esperimento di controllo fatto con la biomassa ste
143. i considerano solo le fasi della fermentazione dell acetogenesi e quella metanogenica 258 259 113 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 6 CODIGESTIONE La codigestione una tecnologia sempre pi richiesta per il trattamento di differenti tipi di rifiuti solidi e liquidi miscelati e trattati assieme in un unico digestore I principali vantaggi di questa tecnologia sono i miglioramenti nelle rese di metano dovute al contenuto di nutrienti del co digested e un uso pi efficiente delle attrezzature e la ripartizione dei costi di funzionamento dell impianto di trasformazione 260 In generale la quantit e qualit dei rifiuti organici generati potrebbe non essere sufficiente per avere una digestione con rapporto costo efficienza favorevole L applicazione della codigestione offre molti vantaggi rispetto al trattamento separato Negli impianti di biogas le economie sono spesso marginali e perci la codigestione viene adottata sempre pi spesso come metodo per migliorare l economia del trattamento 261 L utilizzo della codigestione permette quindi di superare alcuni ostacoli quali la non disponibilit di substrati adeguati nell arco dell intero anno 262 Molti impianti di trattamento di rifiuti urbani nei Paesi industrializzati processano attualmente i fanghi di depurazione in un unico grande digestore I maggiori problemi sono legati alle caratteristiche fisiche della composizione dei
144. i di turbina a gas a combustione esterna ma anche su impianti a vapore basati su motori alternativi a vapore in sostituzione delle classiche turbine a vapore Infine una recente novit nel settore della produzione di energia elettrica da biomasse costituita dallo sviluppo specie in Italia delle centrali elettriche ad olio vegetale basate sull uso di grandi motori a ciclo Diesel pal te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Motori volumetrici a vapore Nei convenzionali impianti a vapore d acqua a ciclo Rankine il limite inferiore di potenza dato soprattutto dalla difficolt di realizzazione di turbine a vapore efficienti e di piccole dimensioni Una possibile alternativa alla turbina a vapore costituita dai motori alternativi a vapore a pistoni e a vite In entrambi i casi si tratta di macchine volumetriche nelle quali il volume della camera di lavoro cambia ciclicamente Un impianto a Radiation and heat losses 18 Steam boiler and superheater Thermal output 70 Biomass primary Screw type engine Electricity output energy input NCV 10 100 2 Heat and electric losses 7 6 screw type engine Figure 4 Section drawing of a screw type engine Figure 5 Energy flow chart of the biomass CHP 1 live steam inlet 2 exhaust steam outlet plant in Hartberg 3 male rotor 4 shaft seal 5 synchronisation gearwheels 6 friction type bearing 7 output shaft
145. i discontinui a quello dei processi in continuo solitamente pi convenienti dal punto di vista economico Un elenco sintetico dei principali risultati ottenuti da questi studi riportato in Tabella 3 4 Recenti studi hanno mostrato che le lipasi prodotte da ceppi batterici di Pseudomonas Pseudomonas cepacia e Pseudomonas fluorescens sono le pi adatte a catalizzare la reazione di alcolisi dei trigliceridi in quanto questi enzimi sembrano essere i pi resistenti all azione inibitoria degli alcoli principalmente metanolo 142 181 193 Il motivo di queste migliori perfomance catalitiche va ricercato nella particolare struttura di questi enzimi Figura 3 9 anche se allo stato attuale nessuno studio riuscito a razionalizzare i risultati sperimentali 74 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Figura 3 9 Struttura della lipasi proveniente dalla Pseudomonas cepacia Nella quarta fase attualmente in corso i ricercatori stanno studiando l effetto di diversi supporti per l immobilizzazione delle lipasi I primi studi hanno utilizzato preparazioni enzimatiche liofilizzate sospese nel mezzo di reazione Infatti la sintesi enzimatica del biodiesel avviene in un mezzo non acquoso costituito da trigliceridi e alcool solvent free In questo mezzo l enzima non solubile e l aggiunta di piccole quantit di acqua al fine di aumentare l attivit catalitica favorisce l aggregazione dell enzima con c
146. i particolato Presentano inoltre maggiore potenzialit rispetto ai gassificatori a letto fisso Anche nell ambito della famiglia dei gassificatori a letto fluido si incontrano diverse tipologie di sistemi i pi importanti dei quali sono i gassificatori a letto 34 Esa te amp RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA fluido circolante CFB Circulating Fluidized Bed e a letto fluido bollente BFB Bubbling Fluidized Bed I gassificatori a letto trascinato operano con un flusso in equicorrente tra il combustibile che deve essere introdotto in pezzatura molto fine ossigeno e vapore in maniera molto simile ad un convenzionale sistema di combustione Tali processi di gassificazione operano generalmente ad alta temperatura e in pressione e presentano pertanto un elevato consumo di ossigeno e un basso consumo di vapore I gassificatori a letto trascinato hanno una elevata potenzialita e producono syngas praticamente privo di idrocarburi pesanti e di metano In relazione alle caratteristiche sopra citate i gassificatori a letto fisso presentano potenze notevolmente inferiori rispetto a quelle dei gassificatori a letto trascinato Per questo motivo per il settore delle biomasse sono di interesse soprattutto i processi a letto fisso e fluido mentre quelli a letto trascinato sono di interesse soprattutto per gli impianti IGCC di grande taglia alimentati con carbone o con TAR di raffineria In particolare i gassificatori a
147. ia che comunque appaiono di poco preferibili alla produzione di biodiesel In merito alla filiera di produzione dell etanolo gli studi LCA evidenziano in generale la scarsa convenienza dell impiego della barbabietola da zucchero e del mais mentre potrebbe essere interessante l implementazione di una filiera basata sulla coltivazione del sorgo zuccherino molto simile a quella della canna da zucchero Tuttavia occorre evidenziare il fatto che dall analisi dei risultati degli studi LCA non sempre possibile stabilire in assoluto se una categoria di combustibile rinnovabile o fossile sia pi o meno vantaggiosa dell altra in particolare se si vuole compiere una valutazione su base scientifica Le difficolt metodologiche e la frequente mancanza di indicatori affidabili richiedono un ulteriore sforzo di ricerca per approfondire l applicazione della LCA al caso delle biomasse per energia e fornire ulteriori strumenti di valutazione al decisore pubblico 15 esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 2 2 PROCESSI DI COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE La combustione diretta stata la prima modalit di utilizzo delle biomasse a fini energetici Altre tecnologie di conversione termochimica delle biomasse come la pirolisi e la gassificazione sono certamente note ed utilizzate da tempo ma oltre a rappresentare un opzione minoritaria si stima che oltre il 96 97 della produzione di energia da biomasse derivi attualmen
148. ia da biomasse soprattutto in relazione all elevata efficienza ad alla ampia versatilit risultando in grado di fornire sia energia elettrica e o termica sia combustibili di sintesi di pregio soprattutto gassosi e liquidi Come anticipato la conversione termochimica delle biomasse include sostanzialmente tre diversi processi la combustione la gassificazione e la pirolisi Il principale elemento di caratterizzazione di questi tre processi relativo all apporto di ossigeno La combustione richiede infatti un apporto di ossigeno in quantit almeno pari a quella stechiometricamente necessaria per la completa ossidazione del carbonio dell idrogeno e dello zolfo nella pratica si utilizzano eccessi del 10 30 rispetto allo stechiometrico La gassificazione si realizza invece attraverso una serie di reazioni che si sviluppano in carenza di ossigeno rispetto ai quantitativi stechiometrici pertanto una sorta di combustione parziale cosicch i prodotti finali sono costituiti da una miscela gassosa composta principalmente da CO H2 CO H20 CH etc il cosiddetto syngas La pirolisi infine un processo che avviene in assenza di ossigeno attraverso il semplice riscaldamento della biomassa con fornitura di calore dall esterno e la sua decomposizione in una frazione gassosa una liquida e una solida Fra i processi termochimici la combustione tramite caldaie e generatori di vapore in sostituzione di combustibili fossili convenzionali h
149. ia del loro forte impatto ambientale In concomitanza di ci si avuto un incremento notevole della raccolta differenziata dei rifiuti solidi urbani I trattamenti biologici sembrano costituire un alternativa abbastanza sostenibile per lo smaltimento della frazione differenziata dei rifiuti putrescenti Questa tecnologia pu essere massimizzata riciclando e recuperando i componenti dei rifiuti Fra i trattamenti biologici la digestione anaerobica quella che ha il miglior rapporto costo efficienza dovuto all elevato recupero di energia legato al processo e al limitato impatto ambientale La produzione di biogas nell intera Europa potrebbe raggiungere oltre i 15 milioni di m di metano 250 In letteratura la diversit degli articoli sulla digestione anaerobica dei rifiuti solidi riflette l elevato numero di argomenti relativi a questo settore 248 4 5 1 Composizione dei rifiuti Solo i rifiuti di origine organica possono essere processati in un digestore anaerobico Essi costituiscono il 30 60 dei rifiuti domestici e per questo motivo un loro dirottamento dalle discariche costituisce un grosso beneficio per l ambiente 251 Una prima classificazione suddivide la componente organica dei rifiuti in Frazione organica digeribile materiale organico facilmente biodegradabile per es scarti di cucina residui di cibo tagli d erba rami di alberi etc Frazione combustibile materiale organico scarsamente digeribile come leg
150. iche L avviamento del processo stato effettuato mediante modifica del pH e aggiunta dell inoculo Una fase metanigena attiva stata evidenziata dalla presenza di circa il 50 di metano nel biogas prodotto e un valore di pH attorno a 7 La percolazione durante la fase metanigna potrebbe portare all aumento della produzione di biogas 112 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Fase finale Una fase matura del reattore viene raggiunta dopo 60 giorni dopodich viene fatta flussare dell aria per rimuovere metano e anidride carbonica ancora intrappolati per poi procedere a scaricare il reattore 249 4 5 6 Modellazione del Processo Sono stati intrapresi vari studi fondamentali sulla digestione dei rifiuti solidi Un settore di ricerca molto attivo quello della modellazione del processo La disponibilit di un robusto modello di digestore anaerobico permette di lavorare con i migliori parametri operativi indispensabili per la definizione di un controllo ottimale 248 Deve essere evidenziato che si incontrano molte difficolt nella definizione di un modello affidabile per la digestione anaerobica della FORSU La difficolt deriva dal fatto che il modello dovrebbe tener conto delle diverse fasi del processo e dei differenti tipi di micro organismi implicati ed inoltre il substrato complesso Molti dei modelli riportati in letteratura si riferiscono alla cinetica dei substrati solubili e cos s
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152. idi inorganici quali zeoliti argille ossidi e resine a scambio ionico per la produzione di biodiesel Alcuni risultati riguardanti il loro utilizzo sono riportati in Tabella 3 3 I catalizzatori eterogenei basici pi usati sono gli ossidi gli idrossidi e i carbonati dei metalli alcalini e alcalino terrosi NazCO3 NaHCOs K2COs KHCOs K 0 CaCOs CaO BaO Ba OH 2 Tra questi il CaCO sembra essere molto promettente visto che risulta facilmente reperibile e di basso costo La transesterificazione dell olio di soia con etanolo in presenza di carbonato di calcio a 260 C ha fornito conversioni superiori al 95 dopo 18 min di reazione E stato osservato che questo catalizzatore non subisce riduzione della sua attivit neanche dopo alcune settimane di utilizzo 161 Anche l idrossido di bario si mostrato particolarmente efficace dando rese del 96 dopo 1h di reazione a 65 C con un rapporto molare olio di colza MeOH 1 6 162 L utilizzo di CaO con olio di soia e metanolo ha fornito rese elevate in esteri metilici dopo 1h di reazione 153 L utilizzo di oli di frittura esausti nelle stesse condizioni operative ha prodotto rese elevate 99 dopo 2h In questo caso per in presenza di acidi grassi liberi una parte del CaO ha dato luogo alla formazione di saponi con conseguente perdita di catalizzatore e un 69 Unione Europea amp SARDEGNA RICERCHE REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA peggioramento nella separazione dei prodotti
153. ilmente disponibile di miscela di microflora per la produzione di idrogeno E necessario per liberarsi della presenza di organismi che utilizzano l idrogeno Questa condizione pu essere realizzata per valori di pH bassi e o con tempi di ritenzione brevi dal momento che i metanigeni sono sensibili alla diminuzione di pH e hanno una crescita pi lenta rispetto agli organismi fermentativi La maggior parte degli studi di laboratorio sono stati concentrati su substrati puri quali amido e cellulosa in processi in batch Se l inoculo porta alla formazione di spore possibile che la crescita su amido puro o cellulosa possa incontrare difficolt non presenti con materie prime complesse poich la germinazione di spore potrebbe richiedere specie di nutrienti specifici 125 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Una valida tecnologia in un processo in continuo necessita di materie prime organiche fermentabili e non sterili per es rifiuti solidi urbani e i rifiuti delle industrie alimentari Le condizioni del processo incluso l inoculo hanno un effetto significativo sulla resa dell idrogeno in quanto influenzano la fermentazione dei prodotti finiti La fermentazione di esosi ad acetato o butirrato produce H2 e CO2 La fermentazione a propinato o lattato invece non produce idrogeno I prodotti di fermentazione ridotti come l etanolo e altri alcoli contenenti H addizionali danno basse rese di
154. ine EFGT power plants integrated with direct biomass dryers Energy 2006 31 10 11 p 1459 1471 Schulte Fischedick J V DreiBigacker and R Tamme An innovative ceramic high temperature plate fin heat exchanger for EFCC processes Applied Thermal Engineering 2007 27 8 9 p 1285 1294 Distributed Generation A future for bio oils Power Engineering International 2004 Vol 12 N 1 Palm pilot leads the way Power Engineering International 2006 Vol 14 p N 7 Sioli G Italian liquid biofuel fired plant a commercial succes W rtsil Energy News 2005 Vol 21 p pp 30 31 Stenger W Biofuels plants Spouting up all over Twentyfour7 2007 Vol 2 p pp 30 34 Legge 222 del 29 11 2007 Conversione in legge con modificazioni del decreto legge 1 ottobre 2007 n 159 recante interventi urgenti in materia economico finanziaria per lo sviluppo e l equit sociale 2007 G U 279 Legge 244 del 24 12 2007 Disposizioni per la formazione del bilancio annuale e pluriennale dello Stato legge finanziaria 2008 2007 G U 300 del 28 12 2007 Ahnger A ECC with internal combustion engines Twentyfour7 2007 Vol 2 p pp 4 6 Agarwal K Biofuels alcohol and biodiesel applications as fuels for internal combustion engines Progress in Energy and Combustion Science 2007 vol 33 p pp 233 271 Altin R C S Yucesu H S The potential of using vegetable oil fuels as fuel for diesel engines Energy Conve
155. ione dell energia di tipo convenzionale turbine a gas e motori a combustione interna o avanzata celle a combustibile o sistemi ibridi oppure anche per la produzione di idrogeno e di altri combustibili di sintesi In tal senso i processi di gassificazione delle biomasse sono oggetto di notevole attenzione in quanto potenzialmente in grado di assicurare maggiori rendimenti globali di conversione rispetto ai processi di combustione abbinati a impianti motori termici Peraltro nonostante l interesse nei confronti dei processi di gassificazione appaia recente occorre ricordare come essi abbiano in realt origini ben pi lontane il loro sviluppo iniziale risale infatti alla seconda met del XVII secolo Dopo una fase di forte interesse per queste tecnologie che intorno fra gli anni 20 e 40 del secolo scorso che port ad un notevole sviluppo dei sistemi di gassificazione seguito un lungo periodo di stasi La necessit di operare una diversificazione delle fonti energetiche primarie ha condotto poi ad un rinnovato interesse nei riguardi delle attivit di ricerca e sviluppo applicate ai processi di gassificazione del carbone delle biomasse e di altri combustibili di bassa qualit residui della raffinazione del petrolio greggi pesanti rifiuti etc il caso di ricordare che a livello mondiale sono attualmente operativi numerosi impianti IGCC Integrated Gasification Combined Cycle di grande taglia 300 600 MWe alimentati con
156. isi lenta si produce un gas combustibile che pu essere utilizzato per produrre energia elettrica e un char che pu essere combusto per sostenere termicamente la pirolisi Si prospetta inoltre interessante lo studio della pirolisi veloce per massimizzare la produzione di combustibile liquido da utilizzare in loco o anche all esterno dell impianto 5 1 3 Biocombustibili Sulla base dell analisi delle attivit di ricerca attualmente in corso o in fase di avvio nei centri di ricerca universitari e privati nel settore dei biocombustibili 135 i sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA bioetanolo oli vegetali e biodiesel possibile individuare alcuni settori di intervento nei quali la ricerca scientifica pu dare luogo ad una efficace ricaduta sul territorio regionale della Sardegna Bioetanolo La produzione di etanolo dallo zucchero e dall amido una tecnologia matura attraverso la quale si ottengono attualmente quantitativi di prodotto dell ordine di milioni di tonnellate anno Le prospettive di sviluppo in questo settore sono pertanto fondamentalmente legate agli avanzamenti tecnologici che consentano di ottenere sostanze zuccherine a partire da materiali maggiormente disponibili quali le biomasse cellulosiche e lignocellulosiche bioetanolo di seconda generazione in modo economico Per quanto concerne la Sardegna non si intravedono significative prospettive di sviluppo industriale per il bioetanolo in quanto a
157. l glicerolo molto basso a causa del surplus di produzione Le ricerche indirizzate in questa direzione potrebbero contribuire se pur in maniera indiretta a migliorare l economicit dei processi di produzione del biodiesel 5 1 4 Processi di digestione anaerobica Dall indagine sullo stato dell arte della ricerca nel campo della digestione anaerobica emerge un quadro molto interessante in rapporto sia alla situazione attuale che alle tendenze future Per quel che riguarda il ricorso alla digestione anaerobica per la produzione di energia rinnovabile si pu operare una distinzione fra le ricerche finalizzate alla produzione di solo biogas e quelle che mirano invece alla produzione di idrogeno Relativamente al primo punto si assiste ad un aumentato interesse per l utilizzo della componente organica dei rifiuti solidi urbani come biomassa da avviare alla digestione anaerobica Riguardo alla produzione di idrogeno emerge chiaramente come questo filone costituisca uno degli aspetti innovativi della ricerca negli ultimi anni L utilizzo del processo di digestione anaerobica per fini ambientali evidenzia particolare interesse per le ricerche sulla degradazione di composti organici 139 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA comunemente considerati biorefrattari e o tossici per i batteri anaerobici A parte gli studi relativi alla ricerca di base si pu constatare come molte ricerche siano state indirizzate
158. la cellulosa le emicellulose sono costituite sia da esosi mannosio glucosio galattosio che da pentosi xilosio arabinosio Hanno una struttura ramificata e non fibrosa Attualmente si conoscono tre tipi di emicellulose i gli xilani tegumento dei chicchi dei cereali crusca ii i galattani arabinolattani iii 14 5 mannani glucomannani 211 o A ul af j vi ata Hot a ia HO fe Nel e a pnp ra g yai m sa co 9 Figura 3 13 Struttura dell emicellulosa 82 Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Cellulosa ed emicellulosa sono i costituenti delle fibre vegetali sostanze commestibili di origine vegetale che di norma non vengono idrolizzate dagli enzimi secreti dall apparato digerente umano Il processo di produzione di bioetanolo da cellulosa ed emicellulosa prevede prima la loro idrolisi ad opera di funghi o batteri poi gli zuccheri prodotti vengono fatti fermentare mediante lieviti o altri microbi 223 I processi industriali attuali fanno costare il bioetanolo da cellulosa tre volte quello ottenuto da canna da zucchero 218 Il costo non dovuto alla materia prima ma al suo processo di trasformazione in bioetanolo Uno dei punti critici di questo processo la separazione fisica di cellulosa ed emicellulosa dalla lignina Ci pu essere effettuato mediante e trattamenti chimico fisici steam explosion con vapore saturo a 180 290 C e 0 69 4 85MPa Figura 3 14 224 225 e trattamen
159. la di esteri alchilici di acidi grassi Le specifiche tecniche del biodiesel sono molto simili a quelle del gasolio per autotrazione come si evince dal confronto fra le loro propriet Tabella 3 2 Tabella 3 2 Confronto tra le propriet come carburanti del biodiesel e del gasolio 113 Propriet Unit di misura Biodiesel Gasolio p c i kcal kg 8 900 10 200 Flashpoint C 85 178 63 Viscosit a 38 C mm s 4 78 3 12 Numero di cetano 48 56 54 Densit kg m 885 839 Le specifiche internazionali standard per il biodiesel sono fissate nella norma ISO 14214 negli Stati Uniti dalla norma ASTM D6751 e nell UE dalla EN 14214 Il biodiesel pu essere usato puro o in miscela Il Biodiesel puro BD100 in Europa o B100 negli Stati Uniti pu essere utilizzato dopo aver apportato delle opportune modifiche nei motori diesel Se invece utilizzato in miscela al 5 col gasolio BD5 non necessario apportare alcuna modifica 127 3 3 1 Processi industriali per la produzione di biodiesel Il biodiesel prodotto industrialmente mediante reazione di transesterificazione a partire da trigliceridi e alcoli in presenza di un catalizzatore Il metanolo l alcol pi economico sul mercato e perci il pi usato 131 In realt si possono utilizzare anche altri alcoli a catena pi lunga sia lineare che ramificata etanolo iso propanolo butanolo ecc i quali permettono di ottenere un biocarburante con migliori propriet alle bas
160. la taglia ovvero le cosiddette filiere corte Gli impianti basati su cicli a vapore d acqua per motivazioni di carattere economico ed energetico mal si prestano ad impianti di piccole dimensioni orientativamente sotto i 5 7 MWe un impianto a vapore non risulta conveniente Nell ambito del panorama scientifico internazionale possibile rilevare un ampio fronte di attivit di ricerca finalizzate ad individuare alternative al classico ciclo a vapore Le soluzioni pi frequentemente proposte sono essenzialmente basate su cicli ORC su motori Stirling su cicli di turbina a gas a combustione esterna ma anche su impianti a vapore basati su motori alternativi a vapore in sostituzione delle classiche turbine a vapore Infine come in tutti i sistemi di conversione dell energia basati su cicli termodinamici la soluzione ottimale per massimizzare l indice di sfruttamento 17 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA energetico delle biomasse rappresentata dall utilizzo in impianti per la produzione combinata di energia elettrica e termica impianti di cogenerazione o CHP Combined Heat and Power Ovviamente tale soluzione presuppone la presenza di una contemporanea richiesta di energia elettrica e di energia termica per usi di riscaldamento di processo o anche per l azionamento di macchine ad assorbimento per la produzione di freddo Anche in questo caso le attivit di ricerca e sviluppo nel settore sono in
161. lema frequente del biodiesel la stabilit all ossidazione L ossidazione dei composti insaturi procede a diverse velocit a seconda del numero e della posizione dei doppi legami 135 Negli oli di semi di colza girasole e soia l elevato contenuto di acido linoleico conferisce bassa stabilit all ossidazione a causa della presenza di due doppi legami L olio di palma ed i grassi animali sego contengono percentuali elevate di acidi grassi saturi acido palmitico e stearico che conferiscono una maggiore stabilit all ossidazione alla miscela finale di biodiesel D altro canto questi stessi acidi grassi sono responsabili delle scarse propriet alle basse temperature quali l elevato punto di intorbidimento cloud point e di scorrimento pour point del biodiesel 136 Ci pu costituire un problema nelle regioni del centro e nord Europa nei periodi invernali In realt il problema principale che l uso dei soli oli vegetali nella produzione dei biocarburanti non consente di soddisfare gli obiettivi dell UE a causa dei 61 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA costi elevati di produzione e della limitata disponibilit delle materie prime Inoltre il fatto che si utilizzino colture alimentari mais soia sta portando ad un aumento dei prezzi dei prodotti alimentari e ad una conseguente non accettazione dei biocarburanti da parte dell opinione pubblica Per questi motivi in accordo con quan
162. li Veneto e Sardegna tanto che entro il 2008 saranno operativi circa 700 MWe di impianti di generazione elettrica alimentati con olio vegetale Importanti progetti sono in corso di realizzazione anche in Belgio Germania Regno Unito e India 47 50 Praticamente tutti gli impianti italiani operano in filiera lunga essendo stati progettati per essere alimentati con olio di palma di importazione anche se non esistono particolari problemi ad utilizzare oli vegetali grezzi di colza girasole e soia residui della lavorazione di oli alimentari di oliva o di sansa oppure oli di frittura usati La realizzazione di questi impianti con il forte aumento della richiesta di olio di palma importato dalla Malesia e dall Indonesia che insieme producono oltre 1 85 dell olio di palma a livello mondiale ha peraltro attirato l attenzione circa i possibili effetti ambientali derivanti dalle estese deforestazioni operate in questi paesi per incrementare le superfici coltivate a palma Con l aumento della richiesta si anche determinato un fortissimo aumento dei prezzi dell olio di palma sui mercati internazionali con quotazioni di quasi 1000 t ad inizio 2008 pi che raddoppiate rispetto a quelle medie del biennio 2005 2006 quanto la quotazione era di circa 450 t In relazione a tali aspetti la tendenza attuale dovrebbe essere quella di favorire lo sviluppo degli impianti in filiera corta anche in virt dell evoluzione in questo senso della politic
163. li acidi grassi wl 3 ed altri componenti possono essere usati per produrre sostanze nutrizionali 104 La produzione di biodiesel da microalghe tecnicamente possibile per alcuni aspetti vanno migliorati quali e l economicit del processo e l aumento della produzione di olio da alghe ricorrendo all ingegneria genetica e l innovazione tecnologica dei fotobioreattori e sviluppo di metodi pi efficaci per il recupero della biomassa e per la estrazione degli oli 67 i EI IC sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Spesso i risultati di laboratorio non sono applicabili a produzioni su vasta scala soprattutto per quanto riguarda la crescita delle alghe Inoltre i singoli impianti produttivi vanno dimensionati e studiati a seconda della zona geografica tenendo conto dell irraggiamento solare In un documento del National Renewable Energy Laboratory NREL americano sono stati riportati alcuni inconvenienti relativi all utilizzo delle microalghe come la necessit di fare gorgogliare la CO2 nelle vasche ed il problema di riscaldare le vasche di coltura nel deserto durante la notte 150 Comunque la produzione di olio e quindi di biodiesel ottima e si ottiene una quantit decisamente superiore rispetto alle comuni specie oleaginose Tabella 3 4 Anche se per il momento la produzione di biodiesel da microalghe piuttosto bassa ipotizzabile che questa acquister una grandissima importanza nel prossimo
164. lizzatore a 70 C per 8 ore I risultati migliori sono stati ottenuti con La2O3 10 MCM 41 NazO SiO2 e CaO con conversioni rispettivamente pari a 81 76 e 67 163 I catalizzatori acidi pi usati per le reazioni di alcolisi sono resine a scambio cationico contenenti preferibilmente gruppi solfonici liberi 164 E stato dimostrato che con questi catalizzatori in condizioni blande di reazione si ottengono bassi valori di conversione Sono stati utilizzati a questo scopo anche gli orto fosfati di alluminio gallio o ferro che per danno buoni risultati solo ad alte temperature e dopo alcuni giorni di reazione 165 3 3 3 2 Lipasi immobilizzate Gli enzimi catalizzatori delle reazioni chimiche negli organismi viventi operano in condizioni blande di temperatura e pressione con un elevata selettivit Il loro utilizzo come catalizzatori biotecnologici offre una valida alternativa ai processi catalitici tradizionali 166 167 Le lipasi triacilglicerol acilidrolasi EC 3 1 1 3 sono enzimi Figura 3 5 che in natura catalizzano l idrolisi dei trigliceridi Esse conservano la loro attivit catalitica anche in mezzi non convenzionali a basso contenuto d acqua come solventi organici liquidi ionici sistemi solvent free e fluidi supercritici 71 Fi EI canprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA L importanza dell utilizzo di lipasi nei mezzi non convenzionali dovuta alla possibilit che questo enzima ha di ca
165. ll UASB spesso richiede un ulteriore trattamnto biologico a valle prima di essere scaricato nel corpo idrico ricettore In compenso il reattore UASB che in particolare indicato per il trattamento di reflui con substrati organici solubili in presenza di buona granulazione in grado di operare con tempi di ritenzione idraulica molto ridotti e carichi organici volumetrici rilevanti Il carico massimo potenziale del sistema a letto di fanghi flocculanti compreso nel range 1 4 kgCOD m al giorno 241 I reattori UASB sono stati ampiamente usati per trattare reflui acquosi di diversa provenienza distillerie processi di trasformazione alimentare concerie e reflui urbani 4 2 3 2 Reattore EGSB Un altro esempio di digestore ad elevata efficienza l EGSB Expanded Granular Sludge Bed che rappresenta una forma modificata del reattore UASB nel quale la velocit di flusso applicata al liquido superficiale leggermente superiore 5 10 m h per reflui solubili e 1 1 25 m h per reflui parzialmente solubili rispetto a 3 m h per il reattore UASB 245 A causa dell elevata velocit di flusso i principali granuli di fango saranno trattenuti nel sistema EGSB invece una notevole parte del letto di fango granulare sar ampliata o 105 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA potrebbe trovarsi in uno stato fluidizzato nelle immediate vicinanze del letto L effetto risultante un eccellete contatto tra l
166. ll Universit di Cagliari Inoltre fra il Dipartimento di Scienze Chimiche dell Universit di Cagliari il Dipartimento di Scienze della Vita dell Universit di Messina alcuni centri di ricerca pubblici e privati e diverse PMI operanti in Sardegna e in altre regioni italiane in corso di costituzione una partnership per la sperimentazione di un metodo innovativo di produzione di microalghe che porti ad una resa maggiore in trigliceridi ed a un costo minore con la possibilit di realizzare un processo integrato di recupero della CO e di utilizzo di sostanze di risulta da reflui industriali L approccio alla ricerca potr essere incentrato su due principali linee rispettivamente il metodo produttivo da impiegare e la scelta dei substrati da fornire Nella prima linea sar eseguito uno studio inerente l impianto da utilizzare che tender ad ottimizzare i sistemi produttivi esistenti oppure ad allestire un sistema produttivo innovativo Relativamente alla seconda linea verr considerata la possibilit di utilizzare materiali organici di scarto delle lavorazioni dell industria alimentare come acque di vegetazione e oli alimentari esausti Lo scopo da un lato garantire la produzione di trigliceridi utilizzando l eterotrofia delle microalghe dall altro aumentare il valore del processo accoppiando alla produzione di trigliceridi un processo di smaltimento di rifiuti organici e di utilizzo della CO 138 Ea te RICERCHE Union
167. lle piante orticole tagliate sono superiori rispetto alla stagione secca Questo pu portare ad una variazione nel rapporto C N e pregiudicare la produzione di gas v L inadeguata miscelazione di rifiuti con acque reflue pu influenzare l efficienza del sistema v L otturazione dei tubi pu essere causata dall immissione nel sistema di grossi pezzi di rifiuti questo causa problemi in particolare nei sistemi continui 4 5 4 Vantaggi della digestione anaerobica nei RSU v Rende pi semplice la gestione delle discariche eliminando i problemi citati provocati dai rifiuti organici v I sistemi chiusi ad es i reattori anaerobici permettono la captazione totale del biogas prodotto invece nelle discariche viene raccolto solo il 30 40 del gas generato Questo aspetto importante ai fini ambientali in quanto come gi detto il metano un gas ad effetto serra v Viene ottenuto un prodotto finale il digestato che pu essere usato come condizionatore del suolo 4 5 5 Effetto del Calore e della Microaerazione nella Digestione Anaerobica della FORSU La digestione anaerobica della FORSU stata oggetto di studio negli ultimi decenni cercando di sviluppare una tecnologia che offre la stabilizzazione dei rifiuti con il recupero delle risorse Nel complesso del processo di digestione anaerobica l idrolisi acidificazione e la metanogenesi sono considerate come fasi limitanti della velocit del processo 249 E stato studiato
168. lo il DME deve essere portato in pressione per poter liquefare a temperatura ambiente ed alimentati a sistemi energetici avanzati Le caratteristiche chimico fisiche di questi vettori energetici sono molto simili a quelle dei principali combustibili convenzionali essendo peraltro privi di zolfo metalli pesanti e altre impurit Di converso essi presentano generalmente minori valori del potere calorifico In letteratura si ritrovano diversi studi aventi per oggetto la produzione di questi combustibili da gassificazione o da pirolisi delle biomasse 113 121 Le soluzioni proposte sono spesso differenziate per quanto riguarda la configurazione e la tecnologia della sezione di gassificatore o di pirolisi di depurazione del syngas a caldo o a freddo e di sintesi chimica finale sistemi dedicati o di tipo once trough Dall analisi di tali studi emerge la necessit di una consistente attivit di ricerca e sviluppo tecnologico prima dell affermazione di una simile filiera In ogni caso i risultati degli studi in corso prospettano il raggiungimento di una soglia di convenienza entro orizzonti temporali non immediati 25 20 anni anche se fortemente dipendenti dalle dinamiche dei mercati dei combustibili fossili 46 esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 2 4 I PROCESSI DI PIROLISI DELLE BIOMASSE Un processo di pirolisi costituito dall insieme delle trasformazioni chimico fisiche attraverso le quali si ot
169. lobioidrolasi 5 endoglucanasi beta glucosidasi e emicellulasi le quali agiscono in modo diverso sulla cellulosa Sono stati utilizzati anche altri ceppi microbici tra cui alcuni batteri anaerobici Clostridium spp e Ruminococcus spp alcuni attinomiceti Cellulomonas spp e Thermobifida spp e alcuni funghi Humicola insolens 230 La fermentazione degli zuccheri avviene ad opera dell enzima presente nel lievito Saccharomyces cerevisiae che agisce sugli esosi ma non sui pentosi derivanti dall emicellulosa Questo rappresenta uno dei principali problemi legati alla produzione di bioetanolo da materiali lignocellulosici Infatti la resa complessiva in bioetanolo con questo processo chiamato SHF Separate Hydrolysis and Fermentation un elemento di elevata criticit Sono previsti reattori diversi per la produzione della cellulasi l idrolisi enzimatica della cellulosa ed emicellulosa saccarificazione la fermentazione degli esosi e quella dei pentosi Una caratteristica importante dei SHF che ogni singolo stadio pu essere effettuato nelle condizioni ottimali Per migliorare il processo sono in fase di studio alcuni microrganismi da utilizzare in alternativa al tradizionale Saccharomyces cerevisiae tra cui Thermoanabacter mathranit ed Escherichia coli Valide soluzioni possono essere fornite dall ingegneria genetica 218 La complessit di questi stadi ha portato gli studiosi a cercare di ottimizzare alcune soluzioni e semplifica
170. lume occupato dalla grande quantit di materiale di riempimento e dall elevato costo di questo 4 2 2 5 Reattori Anaerobici a Letto Espanso e Fluidizzato I reattori del tipo a letto espanso e a letto fluidizzato sono dei particolari reattori a biomassa adesa in cui il materiale di supporto costituito da particelle fini 0 1 1 mm di diametro di materiale inerte caratterizzato da elevata area superficiale viene tenuto in sospensione allo stato fluidizzato Il materiale di supporto permette la formazione del biofilm e ne facilita la crescita L elevata area superficiale consente di ottenere un elevato carico di biomassa e favorisce l ottenimento di un sistema efficiente e stabile Questo sistema particolarmente utile nel caso di pi elevati carichi organici e offre maggiori garanzie in presenza di sostanze inibitrici 241 Il materiale di supporto pu essere costituito da sabbia granuli di carbone particelle di materiale plastico zeoliti sepiolite etc Al fine di favorire la crescita del biofilm attorno alle particelle e di evitare la sedimentazione e l impaccamento delle stesse indispensabile operare con un flusso idraulico sufficiente a mantenere le particelle del materiale in sospensione La differenza fra letto espanso e letto fluidizzato sta nel grado di espansione del letto Nel letto espanso il diametro delle particelle leggermente pi grande rispetto a quello usato nei letti fluidificati nei primi il volume del letto e
171. marca in Finlandia tanto che la prima unita pilota di un motore Stirling alimentato con biomasse solide stata realizzata attraverso una cooperazione austriaca danese BIOS Bioenergy Systems e la Technical University of Denmark nel 2003 Altre unit sono attualmente operative in Giappone Austria e Svezia Turbine a gas a combustione esterna Le turbine a gas di piccola potenza le cosiddette microturbine a gas hanno trovato una notevole diffusione commerciale negli ultimi anni essenzialmente in virt dei ridotti costi di investimento e dei notevoli progressi conseguiti sul fronte delle prestazioni Al fine di evitare il pericolo di danneggiamenti e corrosioni le turbine a gas non possono essere direttamente alimentate con biomasse solide ma solo con combustibili gassosi da esse derivati L attivit di ricerca nel settore pertanto fondamentalmente indirizzata verso lo sviluppo di configurazioni impiantistiche integrate con processi di gassificazione pirolisi digestione anaerobica o con sistemi a combustione esterna impianti EFGT Externally Fired Gas Turbine o EFCC Externally Fired Combined Cycle Nel caso delle biomasse si privilegiano le configurazioni impiantistiche pi semplici impianti EFGT e meno costose le minori temperature operative consentono l utilizzo di scambiatori realizzati con materiali metallici in luogo di quelli ceramici anche se caratterizzate da minori rendimenti Negli Stati Uniti e in Europa sono gi st
172. mass gasification based solid oxide fuel cells SOFC for sustainable development Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 12 5 p 1251 1276 Karellas S J Karl and E Kakaras An innovative biomass gasification process and its coupling with microturbine and fuel cell systems Energy 2008 33 2 p 284 291 Rhodes J S and D W Keith Engineering economic analysis of biomass IGCC with carbon capture and storage Biomass and Bioenergy 2005 29 6 p 440 450 Corti A and L Lombardi Biomass integrated gasification combined cycle with reduced CO2 emissions Performance analysis and life cycle assessment LCA Energy 2004 29 12 15 p 2109 2124 Saxena R C D Seal S Kumar and H B Goyal Thermo chemical routes for hydrogen rich gas from biomass A review Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 12 7 p 1909 1927 Lv P Z Yuan L Ma C Wu Y Chen and J Zhu Hydrogen rich gas production from biomass air and oxygen steam gasification in a downdraft gasifier Renewable Energy 2007 32 13 p 2173 2185 Ishida Y K Kumabe K Hata K Tanifuji T Hasegawa K Kitagawa N Isu Y Funahashi and T Asai Selective hydrogen generation from real biomass through hydrothermal reaction at relatively low temperatures Biomass and Bioenergy 2008 In Press Corrected Proof Karellas S E Kakaras T Papadopoulos C Sch fer and J Karl Hydrogen production from allothermal biomass gasification by means of
173. mente la composizione del syngas prodotto e l efficienza del processo di gassificazione variano in funzione delle condizioni operative del processo quantit di 33 Esa te SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA RICERCHE ossigeno e vapore pressione temperatura etc e delle caratteristiche del combustibile primario L efficienza del processo di gassificazione viene solitamente espressa mediante il rendimento di gas freddo ovvero il rapporto fra l energia chimica del syngas prodotto e quella del combustibile alimentato Tipicamente il rendimento di gas freddo varia fra 1 80 e il 90 In relazione al loro assetto fluidodinamico i processi di gassificazione possono essere classificati nell ambito di tre grandi categorie e precisamente gassificatori a letto fisso gassificatori a letto fluido e gassificatori a letto trascinato I gassificatori a letto fisso sono caratterizzati dalla presenza di un vero proprio strato di biomasse in pezzatura disposte sopra una griglia All interno di un gassificatore a letto fisso in relazione soprattutto agli scambi termici fra biomasse agenti gassificanti e gas di sintesi avvengono una serie di processi di essiccazione pirolisi gassificazione e combustione spesso diversamente combinati fra loro Nell ambito di questa famiglia ricadono gassificatori di differente tipologia ma i sistemi pi importanti sono senza dubbio i gassificatori di tipo downdraft nei quali il combustibil
174. mi anni L elettrolisi dell acqua il reforming degli idrocarburi e i processi termici sono processi di produzione di idrogeno noti ed abbastanza collaudati ma hanno un costo effettivo troppo elevato dovuto alla notevole richiesta di energia La produzione biologica di idrogeno ha importanti vantaggi rispetto ai processi chimici Questa avviene grazie all azione di certi microrganismi che decompongono la sostanza organica a CO2 e H2 L idrogeno prodotto come gas generalmente utilizzato direttamente da altri organismi all interno dello stesso ecosistema La reazione chimica 2H 2e Hz viene catalizzata dalla presenza di un enzima Molti microrganismi producono Idrogenasi enzimi che svolgono la funzione di ossidare H2 a protoni ed elettroni oppure ridurre i protoni e liberare idrogeno molecolare I principali processi biologici usati per la produzione di idrogeno sono v la biofotolisi dell acqua utilizzando alghe e cianobatteri v la fotodecomposizione o fotofermentazione o fermentazione light di composti organici solitamente carboidrati per mezzo di batteri fotosintetici v la fermentazione di composti organici fermentazione dark v l utilizzo di sistemi ibridi che uniscono la fotodecomposizione con la fermentazione La bio produzione di idrogeno prevede l utilizzo di diversi tipi di rifiuti l utilizzo di diverse strategie di bio trasformazione l utilizzo di colture microbiche e bio condizioni di trasformazi
175. mi maggiormente minacciati I reattori UASB aventi biomassa costituita da fanghi granulari rappresentano una adeguata tecnologia per il trattamento di reflui industriali che normalmente contengono concentrazioni medio alte di 1 1 1 2 TeCA o quelli che soffrono di sporadici o accidentali immissioni di alte concentrazioni di 1 1 1 2 TeCA 277 4 7 3 Biodegradazione Anaerobica e Tossicit di Clorofenoli Trattati con Reattori Anaerobici a Letto Fluidizzato I composti clorofenolici sono presenti negli scarichi acquosi delle industrie del legno cartiere segherie le quali sfruttano le loro propriet fungicida e insetticida per la conservazione dei loro prodotti legno e carta Altre emissioni di clorofenoli nell ambiente derivano dagli scarichi delle industrie chimiche produttrici di pesticidi ed erbicidi come pure dall utilizzo di questi prodotti nelle attivit agricole Questi composti a causa delle elevate emissioni industriali e dell uso intenso in ambito agricolo si sono accumulati prima nel suolo per poi trasferirsi nei corpi idrici naturali superficiali e falda contaminandoli con gravi danni 120 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA all ecosistema naturale Sono state rilevate concentrazioni di composti clorofenolici nelle acque potabili pari a 8 40 mg l Elevate concentrazioni di tali composti si riscontrano anche nelle acque di scarico civili a causa di elevati usi di pesticidi nei centri urba
176. modo importanti vantaggi energetici economici ed ambientali Dal punto di vista dell utilizzo come combustibile le maggiori difficolt di impiego delle biomasse risiedono nella variabilit delle loro caratteristiche e soprattutto negli elevati tenori di umidit e ceneri In relazione a quest ultimo aspetto cui legato anche il ridotto potere calorifico si possono osservare difficolt nella realizzazione di combustioni stabili e complete nonch problemi di ignizione Inoltre la bassa temperatura di fusione delle ceneri pu causare problemi di sporcamento e corrosione delle apparecchiature Proprio in relazione a tali inconvenienti la sperimentazione condotta negli anni recenti ha 18 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA dimostrato i vantaggi della co combustione delle biomasse con carbone I principali settori di indagine nel settore della co combustione sono relativi alle modalit di alimentazione e di stoccaggio delle biomasse al potenziale aumento dei fenomeni di corrosione e di sporcamento delle superfici di scambio termico alla riduzione dell efficienza di combustione agli effetti sulle caratteristiche delle ceneri pesanti e delle ceneri leggere alle prestazioni dei sistemi di controllo delle emissioni al camino 29 34 Nel settore degli impianti di riscaldamento di piccola taglia riscaldamento domestico negli ultimi anni si sono diffuse notevolmente le stufe e le caldaie a pellet le quali hanno
177. n N Hewitt Y Huang S Rezvani An experimental investigation of the performance and gaseous exhaust emissions of a diesel engine using blends of a vegetable oil Applied Thermal Engineering 2006 Vol 26 p pp 1684 1691 Pugazhvadivu K J Investigation on the performance and exhaust emissions of a diesel engine using preheated waste frying oil as fuel Renewable Energy 2005 Vol 30 p pp 2189 2202 Cocco D Produzione di energia elettrica dalla filiera del colza con impianti integrati basati su motori diesel e cicli a vapore 63 Congresso Nazionale ATI 23 26 Settembre 2008 Palermo 2008 Han J and H Kim The reduction and control technology of tar during biomass gasification pyrolysis An overview Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 12 2 p 397 416 Kirubakaran V V Sivaramakrishnan R Nalini T Sekar M Premalatha and P Subramanian A review on gasification of biomass Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 In Press Corrected Proof Devi L K J Ptasinski and F J J G Janssen A review of the primary measures for tar elimination in biomass gasification processes Biomass and Bioenergy 2003 24 2 p 125 140 McKendry P Energy production from biomass part 3 gasification technologies Bioresource Technology 2002 83 1 p 55 63 Wang L C L Weller D D Jones and M A Hanna Contemporary issues in thermal gasification of biomass and its application to electricity and fuel produ
178. n olio di migliore qualit e che non necessita di successivi trattamenti di affinamento La pirolisi veloce appare una delle tecnologie di potenziale interesse nel settore dei processi di conversione termochimica delle biomasse Tuttavia il raggiungimento di un livello di sufficiente maturit industriale e commerciale ancora ostacolato dalla eterogeneit dei prodotti del processo un mix di prodotti solidi liquidi e gassosi e dal loro modesto livello qualitativo Le attivit di ricerca e sviluppo nel settore della piriolisi si concentrano pertanto soprattutto sul fronte del miglioramento qualitativo dei prodotti con interventi sia sul processo sia sul trattamento a valle Come detto il principale prodotto di questa tipologia di processo rappresentato da una miscela liquida di bio olio e acqua che costituisce fino al 70 80 in peso della biomassa iniziale Il bio olio in realt una miscela di diverse specie chimiche che derivano dalla condensazione dei composti gassosi liberatisi per decomposizione termica delle biomasse Ovviamente la composizione del bio olio differisce in misura marcata da quella dei combustibili liquidi derivati dal petrolio 122 Uno degli elementi caratteristici del bio olio la presenza di consistenti percentuali di acqua dell ordine del 15 30 derivanti soprattutto dall umidit iniziale delle biomasse Tale presenza contribuisce notevolmente alla riduzione del potere calorifico anche se contribuisce a ri
179. n suo potere calorifico mentre l acqua rappresenta di fatto un componente indesiderato Per esempio in corrispondenza di un umidita del 50 55 tipico valore dell umidit alla raccolta di molte specie legnose il rapporto fra la massa della biomassa tal quale e la massa di sostanza secca circa pari a 2 mentre per una umidit dell ordine dell 80 tipico valore alla raccolta di molte biomasse erbacee tale rapporto pari a 5 Analogamente il potere calorifico inferiore di una biomassa ovvero l energia termica effettivamente recuperabile a seguito di un processo di combustione diminuisce linearmente con l aumento della sua umidit fino ad annullarsi del tutto per valori dell umidit dell ordine dell 88 90 In pratica la combustione di biomasse con valori di umidit superiori al 65 70 non in grado di sostenersi Ai fini della combustione delle biomasse assume notevole importanza anche il tenore di ceneri ovvero la frazione sul tal quale di materiale inorganico cio la sostanza non combustibile che si ritrova come residuo alla fine del processo di combustione Elevati valori del tenore di ceneri determinano una diminuzione del potere calorifico un aumento dei costi di smaltimento delle ceneri e maggiori problemi legati alla possibile formazione di incrostazioni corrosioni ed erosioni nella caldaia Il contenuto di ceneri su base secca solitamente compreso fra lo 0 5 e 1 1 5 anche se talvolta come nel caso delle pa
180. na dovranno essere caratterizzate principalmente attraverso la determinazione della composizione chimica e del potere calorifico In relazione inoltre al possibile impiego quale substrato per processi di digestione anaerobica tali biomasse potranno essere altres caratterizzate dal punto di vista della produzione di biogas La citata caratterizzazione unitamente ai risultati dell indagine ricognitiva nel settore delle biomasse in Sardegna consentir di delineare il quadro della disponibilit globale di biomasse per uso energetico Analisi delle migliori opzioni di filiera In relazione alle valutazioni in merito alle effettive potenzialit di diffusione degli impianti di produzione energetica alimentati con biomasse un altro settore che richiede ulteriori approfondimenti quello degli studi sulle migliori opzioni di filiera In tal senso senz altro necessario disporre di studi di fattibilit tecnico economica delle diverse filiere operanti in differenti condizioni al fine di individuare le soluzioni ottimali 132 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Poich tuttavia la scelta non pu basarsi esclusivamente su criteri di tipo economico ma dovrebbe anche considerare gli aspetti ambientali le minori emissioni inquinanti o di gas serra ed energetici la maggiore produzione di energia per unit di superficie coltivata o il maggiore rapporto fra output e input energetici pare anche necessario v
181. nable Energy Reviews 2007 11 6 p 1056 1086 Goyal H B D Seal and R C Saxena Bio fuels from thermochemical conversion of renewable resources A review Renewable and Sustainable Energy Reviews 2008 12 2 p 504 517 Biofuels Technology Platform Strategy Research Agenda amp Strategy Deployment document 2008 EEA Briefing Transport biofuels exploring links with the energy and agriculture sectors 2004 Knote G and R O Dunn Biodiesel An alternative diesel fuel from vegetable oils or animal fats in Industrial Use of Vegetable Oils S Z Erhan Editor 2005 AOCS Press Champaign Van Gerpen J and G Knothe Basics of the Transesterification Reaction in The Biodiesel Handbook G Knothe J Krahl and J Van Gerpen Editors 2005 AOCS Press Champaign p 26 41 Knothe G J Van Gerpen and J Krahl eds The Biodiesel handbook 2005 AOCS Press Champaign Freedman B R Butterfield and E Pryde Transesterification kinetics of soybean oil I Journal of the American Oil Chemists Society 1986 63 10 p 1375 1380 Freedman B E Pryde and T Mounts Variables affecting the yields of fatty esters from transesterified vegetable oils Journal of the American Oil Chemists Society 1984 61 10 p 1638 1643 Mittelbach M and C Remschmidt Biodiesel The Comprehensive Handbook 2nd ed 2005 Graz Martin Mittelbach Publisher Knothe G Oxidative stability of Biodiesel in The Biodiesel Handbook G Knothe J K
182. nematica Tabella 3 1 Un loro utilizzo in questo settore richiederebbe infatti importanti modifiche nella progettazione dei motori Esistono quattro metodi per ridurre la viscosit degli oli vegetali ed evitare problemi operazionali del motore i miscelazione col gasolio ii pirolisi iii microemulsificazione iv transesterificazione 130 Tra tutti i metodi il pi utilizzato il quarto che porta alla formazione di miscele di esteri alchilici degli acidi grassi pi noti col nome di biodiesel par 3 3 Tabella 3 1 Confronto tra le propriet degli oli vegetali e del gasolio 129 Propriet Unit di Oli combustibili Gasolio misura vegetali p c i kcal kg 9 000 9 500 10 200 Flashpoint C 230 290 60 Numero di 30 40 54 cetano Densit kg m 0 915 0 839 Viscosit a 38 C mm s 27 53 2 7 Il potere calorifico inferiore p c i la quantit di calore che si sviluppa con la combustione completa di 1 kg di biomassa considerando l acqua allo stato di vapore a 100 C ossia considerando la sola parte di calore effettivamente utilizzabile Il p c i si misura in Kcal Kg Le attuali applicazioni energetiche degli oli vegetali sono relative all impiego in motori diesel per la produzione di energia elettrica come gi stato descritto del capitolo 2 della presente relazione 57 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 3 3 IL BIODIESEL Il biodiesel costituito da una misce
183. nger regenerator economiser Stirling engine consumers Schema ofa biomass CHP system based on a Stirling engine Source BIOS Bioenergy Systems Austria 2003 Chimney The newly developed 35 kW Stirling engine A process diagram of Stirling engine CHP for biomass combustion plants Source BIOS plant Source Henrik Carlsen DTU Bioenergy Systems Austria amp Henrik Carlsen Denmark 2001 Denmark 2003 Figura 2 5 Motore Stirling Di EI 0 campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA alimentati con biomasse dell ordine del 15 35 mentre il rendimento globale dell ordine dell 80 90 se il sistema opera in cogenerazione L attivita di ricerca in questo settore si concentra principalmente sulle modifiche impiantistiche volte a migliorare il rendimento del ciclo scelta del fluido operativo definizione dei parametri operativi ottimali miglioramento dello scambiatore rigenerativo configurazione del motore integrazione con cicli sottoposti o con celle a combustibile etc e nella integrazione del motore con il sistema di combustione delle biomasse che rappresenta l elemento pit critico soprattutto per via delle elevate temperature di combustione dei problemi di sporcamento e corrosione dello scambiatore di calore caldo delle problematiche di recupero energetico dell entalpia dei gas combusti etc Le attivita di ricerca in questo settore sono molto avanzate in Austria in Dani
184. ni In passato si riteneva che i clorofenoli fossero tossici per i microrganismi anche a concentrazioni molto basse invece stato dimostrato che colture miste di batteri dopo un certo periodo di acclimatazione ai composti fenolici riescono a degradarli completamente La maggior parte degli studi realizzati in passato sulla decomposizione biologica dei clorofenoli ha riguardato colture batteriche di tipo aerobico Pi recenti sono invece i lavori condotti con batteri anaerobici 4 7 3 1 Biodegradazione Anaerobica e Tossicit di Clorofenoli In questo lavoro stata studiata la degradazione di alcuni clorofenoli da parte di colture microbiche miste non acclimatate che si sviluppavano in condizioni batch I clorofenoli presi in esame sono stati il 2 monoclorofenolo 2 MCP ed il 2 6 diclorofenolo 2 6 DCP con l obiettivo di valutarne la cinetica di consumo e di verificare il possibile schema di degradazione In questo caso si osservato che il fenolo un prodotto intermedio di decomposizione dei clorofenoli e viene da essi utilizzato come fonte di carbonio I risultati hanno dimostrato che colture batteriche miste anaerobiche riescono con tempi molto lunghi a mineralizzare completamente le molecole del 2 MCP e del 2 6 DCP 278 4 7 3 2 Clorofenoli Trattati con Reattori Anaerobici a Letto Fluidifizzato Diversi composti clorofenolici pentaclorofenolo PCP 2 4 6 triclorofenolo TCP 2 4 diclorofenolo DCP 4 monoclorofenolo MCP ma anc
185. ni di questi impianti sono attualmente fermi oppure operano con basse prestazioni cio scarsa efficienza di abbattimento del carico organico e produzione di biogas inferiore a quella potenzialmente ottenibile Alla luce delle informazioni sopra riportate tenendo in considerazione sia la struttura delle attivit produttive presenti in Sardegna per le implicazioni relative alla produzione di energia od ai rifiuti prodotti ecc e sia la natura del territorio per quel che riguarda gli aspetti ambientali in relazione all inquinamento si possono individuare alcuni argomenti di ricerca nel settore della digestione anaerobica che si ritiene siano di grande interesse per la Sardegna Tali ricerche che includono sia studi teorici sia studi sperimentali possono essere sintetizzate cos come riportato di seguito Analisi del funzionamento degli impianti esistenti in Sardegna In relazione a quanto affermato in precedenza pare prioritario proporre uno studio 140 Pi sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA finalizzato ad individuare sia le cause che determinano le scarse prestazioni degli impianti di digestione attualmente in esercizio sia le cause che hanno provocato il fallimento degli altri Tale indagine importante in quanto se da un lato la principale causa di fallimento data dall errata progettazione molto frequenti sono pure i fallimenti per cattiva gestione dell impianto o per inibizione del processo biol
186. no carta e cartone Questi sono materiali lignocellulosici che non vengono facilmente degradati in condizioni anaerobiche ma sono pi adatti alla 109 Pi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA digestione aerobica es composting Opinioni differenti si hanno per la digeribilit della carta che dipende dal contenuto di lignina perci alcune forme di carta risultano molto pi digeribili di altre generalmente solo la carta che troppo contaminata da rifiuti organici per essere riciclata viene usata per la digestione La frazione combustibile costituita anche da una parte non digeribile 251 Un altra classificazione distingue i solidi volatili dai solidi volatili refrattari I solidi volatili VS nei rifiuti organici sono misurati come solidi totali meno il contenuto di ceneri come ottenuto dalla combustione completa dei rifiuti I solidi volatili comprendono la frazione di solidi volatili biodegradabili BVS e i solidi volatili refrattari RVS 252 Kayhanian 253 mostra che la conoscenza della frazione di BVS e RSU aiuta a stimare meglio la biodegradabilit dei rifiuti la produzione di biogas la velocit di carico organico ed il rapporto C N La lignina un materiale organico complesso che non facilmente degradato da batteri anaerobici e rappresenta la parte di solidi volatili refrattari RVS nei RSU I rifiuti caratterizzati da elevati VS e basso materiale non biodegradabile o RV
187. no del digestore pu essere miscelato in diversi modi questi si possono raggruppare in tre categorie sistemi ad 99 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA agitazione meccanica fanno ricorso ad un albero rotante a cui sono calettate delle pale turbine o mixer a bassa velocit sistemi ad iniezione di gas il biogas recuperato dalla parte alta del bioreattore viene inviato all esterno compresso ed immesso ad alta velocit nella massa del liquido all interno del bioreattore e sistemi meccanici di pompaggio il liquame all interno del bioreattore viene prelevato con delle pompe e riciclato all interno A seconda della modalit dell agitazione e dell intensit il reattore pu essere completamente o parzialmente miscelato Si va affermando sempre pi la tendenza di posizionare sulla sommit di questo tipo di reattore una calotta gasometrica generalmente costituita da un telo polimerico che ha il compito di trattenere il biogas Questi bioreattori miscelati consentono il trattamento di liquami con un contenuto in sostanza secca mediamente inferiore al 10 con tempi di permanenza medi di 15 35 giorni in relazione alla composizione del substrato e alla temperatura di processo I bioreattori miscelati sono generalmente utilizzati negli impianti di codigestione Infine si registra che le configurazioni impiantistiche a flusso continuo sono pi diffuse di quelle a flusso discontinuo batch COPER
188. no equivalente del materiale organico che pu essere ossidato viene misurato usando un forte agente ossidante in un mezzo acido Durante la digestione anaerobica il COD biodegradabile presente nel materiale organico lo si ritrova nei prodotti finali cio il metano e la massa batterica formata Nel caso di un composto organico CnHaOpNa che venga biodegradato completamente per via anaerobica esso sarebbe completamente convertito dai batteri nell ipotesi di resa di fango pari a zero in CH4 CO2 e NH3 la quantita teorica di gas prodotto pu essere calcolata secondo l equazione di Buswell 1 94 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA CnHaObNa n a 4 b 2 3d 4 H20 n 2 a 8 b 4 3d 8 CH4 n 2 a 8 b 4 3d 8 CO2 ANH 1 La quantit di CO2 presente nel biogas di solito significativamente inferiore a quanto previsto dalla citata equazione Questo dovuto alla relativamente alta solubilit della CO2 in acqua e parte di essa pu diventare chimicamente legata nella fase acquosa Un altro parametro ampiamente usato per valutare l inquinamento organico il BODs Biological Oxygen Demand Questo metodo implica la misura dell ossigeno disciolto usato dai microorganismi aerobici nell ossidazione biochimica del materiale organico durante i 5 giorni della durata del test alla temperatura di 20 C Un parametro molto utile per valutare i substrati da avviare alla digestione anaerobica la con
189. nte adottata per le differenti specie di microrganismi in base all intervallo termico ottimale di crescita la seguente psicrofili temperature inferiori a 20 C mesofili temperature comprese tra 20 C e 40 C e termofili temperature superiori a 45 C Poich la biomassa attiva all interno del bioreattore costituita da una popolazione eterogenea di microrganismi variazioni di temperatura anche limitate 2 3 C possono determinare una selezione tra popolazioni batteriche che vanno a detrimento del processo anaerobico Ne deriva l esigenza di adottare sistemi di controllo della temperatura che garantiscano il mantenimento dei valori di tale parametro che si sono rivelati ottimali Si riscontrato che i processi di digestione anaerobica che operano in condizioni mesofile evidenziano le migliori produzioni di biogas tra 30 e 35 C mentre l intervallo si amplia tra 40 e 60 C in condizioni termofile v pH fornisce un indicazione della stabilit del mezzo di reazione Infatti una sua variazione viene associata oltre che alla capacit tamponante del sistema dovuto al mezzo di reazione anche a variazioni dell equilibrio tra le specie che partecipano alla catena trofica dei microrganismi che 92 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA operano nel processo Il processo di digestione generalmente considerato stabile quando il pH compreso tra 6 5 e 7 5 Il valore del pH in un digestore dipende
190. nte come per tutte le attivit formative e di ricerca industriale e pre competitiva l Universit in grado di mettere a disposizione docenti e ricercatori esperti nei diversi campi disciplinari ed applicativi 143 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 5 3 CONCLUSIONI Sulla base delle risultanze del presente studio nei paragrafi precedenti sono state illustrate le principali attivit di ricerca sulle quali appare opportuno concentrare gli sforzi al fine di conseguire positive ricadute economiche e occupazionali in Sardegna nel rispetto della sostenibilit ambientale Indipendentemente dalla tipologia del processo di conversione impiegato appare in primo luogo opportuno incentivare alcuni filoni di ricerca che si occupano delle problematiche relative alla coltivazione e al reperimento delle biomasse nonch di quelle relative alla valutazione della sostenibilit economica e soprattutto ambientale dell intera filiera di conversione Questo ambito include v Studi agronomici sulle coltivazioni energetiche v Studi sulla caratterizzazione delle biomasse residuali vV Studi sulle migliori opzioni di filiera Nel settore dei processi termochimici le tecnologie basate sui processi di combustione di grande taglia appaiono oramai caratterizzate da un sufficiente grado di maturit industriale ragion per cui non si intravvedono grandi spazi per una attivit di ricerca a livello regionale Pi interessant
191. o motore termico l anello pi debole di tutta la catena dei processi di conversione dell energia rappresentato proprio dal ciclo termodinamico Mentre il rendimento di combustione e il rendimento elettromeccanico assumono valori gi molto elevati e pertanto suscettibili solo di miglioramenti marginali il rendimento di combustione solitamente dell ordine dell 85 90 mentre il rendimento elettromeccanico supera facilmente il 90 95 i noti limiti imposti dal secondo principio della termodinamica spingono verso rendimenti del ciclo termodinamico che solo nel caso degli impianti di maggiori dimensioni per i quali si giustificano costosi accorgimenti circuitali superano il 50 Nel caso dell impiego di biomasse le taglie forzatamente ridotte e la necessit di contenere gli investimenti iniziali impongono soluzioni pi semplici e con 16 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA rendimenti decisamente pi bassi Gli attuali impianti di generazione elettrica alimentati con biomasse sono praticamente tutti basati su cicli a vapore d acqua molto semplici e caratterizzati da rendimenti termodinamici raramente superiori al 30 e rendimenti globali dell ordine del 25 26 In relazione ai limitati quantitativi di biomasse reperibili entro raggi di raccolta ragionevoli la potenza elettrica di questi impianti infatti necessariamente limitata a valori dell ordine di 10 20 MWe solo in alcuni impianti realizzati nel Nor
192. o a 70 90 C specie nel caso dei grandi motori diesel destinati alla produzione di energia Nel caso dei motori diesel veloci di minore potenza specie in presenza dei moderni e sofisticati sistemi di iniezione si preferisce invece ricorrere alla diluizione con combustibili pi fluidi oppure direttamente alla transesterificazione dell olio vegetale ovvero alla produzione di biodiesel Una parte rilevante dell energia chimica del combustibile non convertita in energia meccanica dal motore viene resa disponibile sotto forma di gas di scarico e di acqua calda Per questo motivo numerose attivit di ricerca sono anche rivolte allo studio delle modalit di recupero di questa energia termica Gran parte di questi flussi termici possono essere utilmente recuperati per la produzione di energia termica ad uso cogenerativo laddove vi sia una adeguata richiesta termica da parte delle utenze In alternativa specie nel caso dei motori di grande taglia una parte di questa energia pu essere recuperata per la produzione di energia meccanica in un ciclo a vapore sottoposto Tenuto conto della relativamente modesta temperatura dei gas di scarico il ciclo sottoposto pu essere basato su un ciclo Rankine a vapore d acqua oppure su un ciclo Rankine a fluido organico Organic Rankine Cycle ORC La prima opzione viene utilizzata soprattutto in combinazione con motori aventi potenza superiore a circa 25 30 MW realizzati normalmente attraverso l impiego di pi
193. o si riesce ad eliminare gli aspetti negativi dei reattori a letto fisso l intasamento e la cattiva distribuzione del refluo da trattare e contemporaneamente a mantenere i vantaggi delle due configurazioni Questo tipo di reattore nacque in seguito alla scoperta dell attivit diversificata della biomassa adesa e della biomassa sospesa nei filtri anaerobici Infatti noto che la maggior parte dell attivit di digestione prodotta dalla frazione di biomassa sospesa che localizzata tra i vuoti del riempimento e nella parte inferiore del reattore che priva del riempimento stesso destinata alla distribuzione dell influente Si pens quindi di ridurre il volume del riempimento fino agli attuali 1 4 1 2 del volume totale 4 2 3 1 Reattore UASB L Upflow Anaerobic Sludge Blanket UASB un reattore anaerobico sviluppato nei Paesi Bassi a partire dagli anni 70 da Lettinga e collaboratori In questo reattore la degradazione avviene in prevalenza nella sua parte inferiore nella quale inserito il sistema di alimentazione Lo scarico da trattare attraversa il letto di fango espanso formato da fiocchi o granuli facilmente sedimentabili Il buon funzionamento di un reattore UASB favorito dalla formazione di aggregati batterici fiocchi o granuli sufficientemente densi 1030 1050 kg m da rimanere all interno del bioreattore nonostante il trascinamento provocato dal flusso di liquido e di gas In definitiva si ha la formazione di
194. of ethyl esters mono di and triglycerides and glycerol by high performance size exclusion chromatography Journal of the American Oil Chemists Society 1995 72 4 p 427 432 Salis A M Pinna M Monduzzi and V Solinas Biodiesel production from triolein and short chain alcohols through biocatalysis J Biotechnol 2005 119 p 291 299 Kouzu M T Kasuno M Tajika Y Sugimoto S Yamanaka and J Hidaka Calcium oxide as a solid base catalyst for transesterification of soybean oil and its application to biodiesel production Fuel 2008 87 12 p 2798 2806 Ramos M J A Casas L Rodriguez R Romero and A P rez Transesterification of sunflower oil over zeolites using different metal loading A case of leaching and agglomeration studies Applied Catalysis A General 2008 In Press Corrected Proof Benjapornkulaphong S C Ngamcharussrivichai and K Bunyakiat Al203 supported alkali and alkali earth metal oxides for transesterification of palm kernel oil and coconut oil Chemical Engineering Journal 2008 In Press Corrected Proof Suwannakarn K E Lotero J G Goodwin Jr and C Lu Stability of sulfated zirconia and the nature of the catalytically active species in the transesterification of triglycerides Journal of Catalysis 2008 255 2 p 279 286 Park Y M D W Lee D K Kim J S Lee and K Y Lee The heterogeneous catalyst system for the continuous conversion of free fatty acids in used vegeta
195. ogico Inventario delle biomasse disponibili E noto che molte delle attivit produttive che determinano la produzione di biomasse avviabili alla digestione anaerobica sono di tipo stagionale di conseguenza nell effettuare l inventario delle biomasse da queste attivit si ritiene interessante valutare la convenienza della co digestione in relazione caratteristiche e composizione delle biomasse tenendo conto della loro integrazione dal punto di vista della composizione in modo da garantire la presenza dei principali nutrienti sar inoltre indispensabile tener conto della successione nella disponibilit delle differenti produzioni di biomasse nei diversi periodi dell anno Inventario dei siti inquinati In molti casi la realizzazione di un impianto di trattamento anaerobico pur non incontrando la convenienza economica ai fini della produzione di energia pu invece rivelarsi conveniente da un punto di vista della protezione ambientale In relazione a ci sembra opportuno procedere ad un inventario dei siti della Sardegna inquinati suoli e acque di falde da sostanze potenzialmente degradabili per via anaerobica Analisi di digestori anaerobici ad elevata efficienza Appare interessante valutare il ricorso all utilizzo in relazione al tipo di biomassa disponibile di altri tipi di digestori anaerobici ad es quelli ad alta efficienza come UASB filtri anaerobici ecc oltre a quelli convenzionali attualmente in u
196. ola taglia alimentati con pellets di bassa qualit Impianti di riscaldamento alimentati con pellets di bassa qualit Nel settore degli impianti di riscaldamento a biomassa di piccola taglia possono aprirsi interessanti prospettive relativamente al possibile impiego di pellets di bassa qualit prodotti non pi a partire da segatura di legno la cui disponibilit limitata e comunque molto bassa in Sardegna ma da residui agricoli e forestali oppure da coltivazioni legnose ed erbacee dedicate il cosiddetto agri pellet Le paglie e i prodotti da coltivazioni erbacee possono essere utilizzati per la produzione di pellet senza grandi difficolt e con minori consumi energetici rispetto al legno i pellet da colture foraggere vengono peraltro gi prodotti per 153 i EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA usi zootecnici In questo caso il pellet senz altro di qualit inferiore rispetto al pellet di legno maggiore presenza di ceneri minore potere calorifico etc cosicch i sistemi di combustione devono essere in grado di adeguare automaticamente le proprie condizioni di funzionamento in relazione al combustibile in modo da mantenere sia ridotti livelli di emissioni gassose che elevati rendimenti di combustione Lo sviluppo di questo settore potrebbe consentire la nascita di una filiera agro energetica molto corta nella quale il ruolo dell azienda agricola potrebbe non essere limitato alla sola produzione
197. one Il principale ostacolo nella fermentazione sia dark che light dato dal costo delle materie prime I rifiuti solidi come l amido e la cellulosa ricchi in carboidrati e poveri di azoto presenti nei rifiuti agricoli e negli scarti dell industria alimentare come per esempio i formaggi il siero del latte gli scarti dalla molitura delle olive e il lievito della panificazione possono essere usati per la produzione d idrogeno per mezzo di opportune bio tecnologie di processo 123 ESE te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA La digestione anaerobica dei rifiuti indirizzata verso la produzione di idrogeno permette di generare energia a basso costo e contemporaneamente di trattare i rifiuti Certe microalghe es Chlamydomonas reinhardtii sono in grado di produrre idrogeno utilizzando l acqua come substrato principale in presenza della luce in un processo chiamato biofotolisi La produzione d idrogeno per via algale piuttosto lenta ed inoltre viene inibita dall ossigeno L idrogeno prodotto come sottoprodotto durante la fase acetogenica della digestione anaerobica dei rifiuti organici nota come fermentazione La resa per fermentazione dark bassa e cos la sua velocit I composti organici acidi prodotti durante la fermentazione dark dai rifiuti ricchi in carboidrati possono essere convertiti in H2 e CO2 per mezzo di batteri fotoeterotropici Il processo comples
198. oni di temperatura pressione etc Viceversa nel caso di biomasse con minori tenori di umidit inferiori del 30 ed elevata presenza di composti a base di carbonio rapporto C N superiore a 30 i processi di conversione pi adatti sono quelli di tipo termochimico come la Tipologia del ur PROCESSO DI le Processo 1 Umidit CONVERSIONE Prodotto principale Biochimico lt 30 gt 30 Fermentazione Bioetanolo Digestione anaerobica Biogas Digestione aerobica Energia termica ermochimico gt 30 lt 30 Combustione Energia termica Gassificazione Gas di sintesi me Pirolisi Gas di pirolisi olio Fisico chimico Estrazione di oli Olio vegetale Transesterificazione Biodiesel Compattazione Pellets Figura 1 1 Classificazione dei processi di conversione energetica delle biomasse Di EI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA combustione la gassificazione e la pirolisi nei quali le trasformazioni chimiche avvengono in presenza di elevati valori di temperatura con significativi scambi termici Nel caso poi di specie vegetali o residui ricchi di oli che nel caso dei semi pi largamente utilizzati dell ordine del 35 50 si impiegano processi di conversione di tipo chimico fisico finalizzati all estrazione degli oli vegetali grezzi e poi eventualmente alla loro trasformazione chimica mediante esterificazione in biodiesel Appartengono alla medesima categoria anche i processi di macinazione agglomerazione e compa
199. onseguente perdita di efficienza catalitica La dispersione dell enzima su materiali porosi aventi elevate aree superficiali permette ad un maggior numero di molecole di enzima di funzionare in modo efficace Molti studi sono stati effettuati utilizzando la lipasi B della Candida antarctica immobilizzata su una resina acrilica e commercializzata dalla Novozymes col nome Novozym 435 139 140 143 173 178 183 185 187 190 194 197 E stata ampiamente usata per lo stesso scopo anche la lipasi da Mucor miehei Lipozyme IM60 Novozymes immobilizzata su una resina macroporosa a scambio anionico 140 143 171 174 198 199 Studi attualmente in corso sono indirizzati alla ricerca di nuovi supporti in grado di influenzare positivamente l attivit e la stabilit delle lipasi Infatti il supporto utilizzato per l immobilizzazione deve presentare determinate caratteristiche in termini di propriet meccaniche tendenza alla rottura compressibilit morfologiche dimensioni delle particelle diametro dei pori area superficiale specifica e chimiche interazioni coi substrati ripartizione dell acqua tipo di interazione con gli enzimi Sono stati descritti molti metodi per immobilizzare le lipasi su supporti solidi 200 201 Tra questi il migliore sembra essere quello basato sull intrappolamento dell enzima su matrici idrofobiche sol gel 202 oppure sull adsorbimento su supporti idrofobici come il polipropilene 203 Altri metodi
200. oppiamento di un trattamento chimico ozonizzazione con un trattamento biologico digestione anaerobica stato applicato alla depurazione delle acque di vegetazione dei frantoi oleari AV Ci stato fatto in quanto i lipidi e polifenoli presenti nelle AV esplicando la loro attivit inibitoria hanno l effetto di ridurre l efficienza di biodegradazione dei microrganismi In seguito a questi trattamenti si osservano dopo un iniziale ozonizzazione della durata di tre ore i una riduzione del 50 sia dei fenoli totali che dei lipidi insaturi e ii l invariabilit del COD 284 Tuttavia le AV trattate hanno un effetto inibitorio maggiore nei confronti dei batteri metanigeni rispetto quello delle AV non trattate Questo effetto inibitorio non si presenta invece per i batteri acidogenici Dagli studi effettuati emerge che l acido oleico meno inibitore verso i metanigeni rispetto alla capacit inibitoria dei prodotti della ozonizzazione probabilmente legato alla formazione di acido azelaico L effetto inibitorio dell acido p idrossibenzoico ma anche dei suoi prodotti di ozonizzazione risulta differente in funzione delle diverse concentrazioni utilizzate ad indicare la diversa natura delle vie di inibizione 127 Pi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Considerato il complesso sistema delle AV si pu ipotizzare che l inibizione dei metanigeni dovuti alla ozonizzazione sia il risultato della combinazione
201. orato di ricerca e il finanziamento di assegni di ricerca destinati a personale gi in possesso di esperienza nel settore della ricerca con l obbiettivo di sviluppare specifiche attivit di ricerca nel settore delle biomasse 145 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 6 Bibliografia 10 11 12 13 14 15 Angelini L G L Ceccarini and E Bonari Biomass yield and energy balance of giant reed Arundo donax L cropped in central Italy as related to different management practices European Journal of Agronomy 2005 22 4 p 375 389 Venturi P W Huisman and J Molenaar Mechanization and Costs of Primary Production Chains for Miscanthus x giganteus in The Netherlands Journal of Agricultural Engineering Research 1998 69 p 209 215 Lewandowski I and A Heinz Delayed harvest of miscanthus influences on biomass quantity and quality and environmental impacts of energy production European Journal of Agronomy 2003 19 1 p 45 63 Ercoli L M Mariotti A Masoni and E Bonari Effect of irrigation and nitrogen fertilization on biomass yield and efficiency of energy use in crop production of Miscanthus Field Crops Research 1999 63 1 p 3 11 Cosentino S L R E D Agosta G Leaf photosynthesis in kenaf Hibiscus cannabinus L in response to water stress in II World Conference on Biomass 2004 Roma Cosentino S L C V Mantineo M Behaviour of Fibre Hemp Cannabi
202. ortazioni di petrolio minore sicurezza energetica che ad un incremento delle emissioni di COx In questo scenario i biocarburanti possono dare un notevole contributo 127 Essendo prodotti a partire da biomasse una fonte di energia rinnovabile i biocarburanti rappresentano un sostituto diretto dei carburanti tradizionali benzina e gasolio e possono essere integrati rapidamente nei sistemi di distribuzione Nonostante il costo dei biocarburanti sia ancora pi elevato di quello dei combustibili fossili il loro utilizzo in aumento in tutto il mondo Grazie alla spinta di misure politiche e strategiche la produzione mondiale di biocarburanti oggi stimata in oltre 35 miliardi di litri Nella strategia dell UE i biocarburanti dovrebbero contribuire al miglioramento della sicurezza energetica nel medio e lungo termine e contemporaneamente costituire una parte importante del pacchetto di misure per la riduzione delle emissioni di CO2 in accordo col protocollo di Kyoto A questo proposito la Figura 3 2 mostra come le emissioni di CO2 potrebbero ridursi grazie allo sviluppo del settore dei biocarburanti da qui al 2030 mean onupunnas a are sas a Industry ao e Residential Tertiary wo E I Transport without 600 4 biofuels oT Adding biofuels 0 T T T T 1900 1995 2000 2005 2010 2015 2020 2025 2030 Year Figura 3 2 Emissioni di CO2 MT UE25 1990 2030 Allo stato attuale la produzione di biocar
203. ostanze possono essere rimosse mediante opportuni metodi tuttavia la rimozione dei componenti tossici non necessaria nel caso in cui queste specie siano utilizzate nella produzione di biodiesel Sono state considerate alcune specie oleaginose come la Jatropha euphorbiaceae una pianta che cresce in terreni aridi i cui semi producono 40 60 m m di olio e che non pu essere usata per scopi alimentari perch il suo olio contiene sostanze tossiche 14 142 In India si deciso di promuovere fortemente l impiego dei biocarburanti puntando decisamente sulla Jatropha 134 Gli esteri etilici dell olio di ricino in Brasile sono considerati una valida alternativa ai combustibili tradizionali 143 L olio di ricino viene ricavato dai semi della Ricinus communis i quali contengono l acido ricinoleico che ha un azione purgativa intensa e irritante e la ricina una tossina pericolosa che pu provocare gravi intossicazioni 3 3 2 4 Microalghe Le microalghe sono microrganismi fotosintetici che convertono luce solare acqua e biossido di carbonio in biomassa Possono crescere sia in ambiente marino che in acqua dolce Alcune microalghe sono estremamente ricche in olio 63 ESE Da SARDEGNA Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA RICERCHE tanto da poter essere usate per produrre biodiesel con le tecnologie attuali L olio contenuto in alcune microalghe supera 180 del peso secco della biomassa 144 145 Nella Tabella 3 3 si osse
204. otori a combustione interna o in turbine a gas La scelta del processo di conversione pi conveniente dipende pertanto essenzialmente dalla composizione delle biomasse soprattutto in termini di contenuto di acqua carbonio azoto cloro zolfo e ceneri nonch eventualmente zuccheri amidi e oli dalle loro propriet fisiche caratteristiche fisiche di notevole interesse sono il volume specifico e il potere calorifico e anche dalla loro disponibilit la densit energetica territoriale un parametro che influenza moltissimo la taglia dell impianto e quindi anche la sua redditivit economica I diversi processi di conversione delle biomasse presentano differenti livelli di maturit industriale e di diffusione commerciale In ogni caso l auspicato aumento della produzione di energia da biomasse fortemente condizionato ai progressi nel campo delle prestazioni degli impianti dell affidabilita di esercizio e del costo cosicch questo settore vede impegnata una notevole quantit di risorse economiche ed umane nelle attivit di ricerca e sviluppo Nel prosieguo si approfondir lo stato dell arte della ricerca nel settore dei processi termochimici per la produzione di energia da biomasse esa te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 2 IPROCESSI DI CONVERSIONE TERMOCHIMICA La famiglia dei processi termochimici rappresenta senza dubbio una delle opzioni di maggiore interesse ai fini della produzione di energ
205. pale associato al loro utilizzo la necessit 62 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA di un trattamento preliminare per rendere l olio o il grasso adatto al processo di transesterificazione L olio di scarto purificato costa circa la met dell olio vegetale vergine quindi l uso di questi materiali ha un senso dal punto di vista economico E stato dimostrato che la transesterificazione pu servire come mezzo di purificazione tanto che il biodiesel prodotto risulta qualitativamente uguale a quello ottenuto da oli vergini e mostra un miglioramento per quanto riguarda l emissione di gas 134 Particolare attenzione stata rivolta agli scarti dei ristoranti 138 agli oli di scarto non commestibili 139 e ai grassi animali quali il sego 140 Negli Stati Uniti i ristoranti producono circa 13 6 milioni di litri di olio di scarto all anno 134 mentre ad esempio solo in Italia si consumano annualmente 39 miliardi di litri di carburanti gasolio e benzina Si deduce che la produzione di biodiesel da oli grassi di scarto non potrebbe sostituire totalmente il gasolio di origine fossile ma sicuramente potrebbe fornire un valido contributo 3 3 2 3 Oli non commestibili Un altra via per ridurre i costi di produzione del biodiesel sembra essere quella di sostituire gli oli vegetali con oli non commestibili Esistono diverse piante che producono oli che contengono sostanze nocive per l uomo in alcuni queste s
206. palladium membranes Fuel Processing Technology 2008 89 6 p 582 588 Gasafi E M Y Reinecke A Kruse and L Schebek Economic analysis of sewage sludge gasification in supercritical water for hydrogen production Biomass and Bioenergy 2008 In Press Corrected Proof Koroneos C A Dompros and G Roumbas Hydrogen production via biomass gasification A life cycle assessment approach Chemical Engineering and Processing Process Intensification 2008 47 8 p 1261 1268 Kumabe K S Fujimoto T Yanagida M Ogata T Fukuda A Yabe and T Minowa Environmental and economic analysis of methanol production process via biomass gasification Fuel 2008 87 7 p 1422 1427 G ll D and A Demirbas Biomass to methanol via pyrolysis process Energy Conversion and Management 2001 42 11 p 1349 1356 Ahlgren S A Baky S Bernesson Nordberg O Nor n and P A Hansson Future fuel supply systems for organic production based on Fischer Tropsch diesel and dimethyl ether from on farm grown biomass Biosystems Engineering 2008 99 1 p 145 155 Prins M J K J Ptasinski and F J J G Janssen Exergetic optimisation of a production process of Fischer Tropsch fuels from biomass Fuel Processing Technology 2005 86 4 p 375 389 151 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 117 118 119 120 121 122 123 124 125 126 127 128 129 130 131
207. quali appare opportuno concentrare le attivit di ricerca e di sviluppo tecnologico in Sardegna al fine di conseguire positive ricadute economiche e occupazionali nel rispetto della sostenibilit ambientale Parallelamente risulta anche possibile individuare alcune possibili linee d azione finalizzate alla formazione di personale addetto alle attivit di ricerca nel settore delle biomasse 130 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 5 1 ATTIVIT DI RICERCA NEL SETTORE DELLE BIOMASSE DA SVILUPPARE IN SARDEGNA Dall indagine sullo stato dell arte della ricerca nel campo delle tecnologie di conversione energetica della biomasse emerge un quadro molto articolato relativamente sia alla situazione attuale sia alle tendenze che si stanno delineando per il futuro In ciascuno dei tre principali settori di utilizzo energetico delle biomasse processi termochimici biocombustibili e digestione anaerobica sono disponibili numerose tecnologie che si possono considerare oramai consolidate in quanto hanno raggiunto un adeguato livello di maturit industriale e commerciale i diversi processi di combustione delle biomasse ligno cellulosiche per esempio oppure i processi per la produzione di etanolo da zuccheri e da amidi In questi settori le attivit di ricerca pure presenti e necessarie sono pertanto principalmente rivolte all affinamento del processo ed alla sua ottimizzazione In ciascuno dei tre settori di utilizzo
208. quindi con basso valore economico per qualunque altro utilizzo Inoltre si potrebbero utilizzare gli scarti agricoli e l eccesso di CO2 prodotto dalle industrie per velocizzare la crescita delle alghe stesse 64 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Tabella 3 4 Confronto tra diverse fonti per la produzione di biodiesel Colture Resa in olio L ha Aree necessarie di aree esistenti Mha dedicate alle colture negli USA Mais 172 1540 846 Soia 446 594 326 Canola 1190 223 122 Jatropha 1892 140 77 Cocco 2689 99 54 Palma 5950 45 24 Microalghe gt 136 900 2 1 1 Microalghe 58 700 4 5 2 5 a Per soddisfare il 50 delle esigenze nel settore dei trasporti negli USA gt 70 olio nella biomassa 30 olio nella biomassa Esistono due metodi di produzione di microalghe su vasta scala i raceway ponds e i fotobioreattori tubolari Figura 3 6 Harvest Feed Paddlewheel Exhaust Baffle Flow Baffle a b Figura 3 6 Impianti di produzione di microalghe a Vista dall alto di una vasca raceway b Fotobioreattore tubolare con tubi paralleli orizzontali I raceway ponds o vasche raceway sono laghetti artificiali aperti costituiti da canali nei quali vengono coltivate le alghe In ogni canale un braccio rotante garantisce il flusso d acqua in modo continuo ed impedisce la sedimentazione 144 I fotobioreattori sono sistemi chiusi costituiti da tubi solari paralleli orizzontal
209. ra per la coltivazione di biomasse convertibili I processi produttivi oggi possibili su scala industriale mettono di fatto in competizione la produzione di biocarburanti con quella tradizionale finalizzata all alimentazione umana e animale In Europa ad esempio al fine di garantire la disponibilit di una miscela benzina etanolo di tipo brasiliano E22 occorrerebbe dedicare circa il 50 della produzione cerealicola alla produzione di etanolo a cui si devono aggiungere le superfici lasciate libere dalla riforma dello zucchero e quelle coltivabili ma attualmente non utilizzate 209 77 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Oggi tutti i nuovi veicoli prodotti in Europa sono compatibili con l E5 possibile mediante opportune modifiche raggiungere una compatibilit fino all E10 127 Miscele contenenti anche piccole percentuali di etanolo producono un incremento della tensione di vapore della benzina e richiedono quindi un diverso tipo di serbatoio in grado di evitare perdite di carburante Questa modifica certamente applicabile ai veicoli nuovi ma non al parco circolante La soluzione tecnica pi semplice al problema l utilizzo dell etanolo sotto forma di ETBE ethyl tert butyl ether un additivo della benzina ottenuto da etanolo e isobutilene Figura 3 10 La normativa europea vigente sulle benzine consente una quantit massima di ETBE nella misura del 15 che equivale alla presenza di cir
210. rahl and J Van Gerpen Editors 2005 AOCS Press Champaign Dunn R O Cold weather properties and performance of biodiesel in The Biodiesel handbook G Knothe J Van Gerpen and J Krahl Editors 2005 AOCS Press Champaign p 83 121 Nye M T Williamson W Deshpande J Schrader W Snively T Yurkewich and C French Conversion of used frying oil to diesel fuel by transesterification Preliminary tests Journal of the American Oil Chemists Society 1983 60 8 p 1598 1601 Hsu A F K Jones T A Foglia and W N Marmer Immobilized lipase catalysed production of alkyl esters of restaurant grease as biodiesel Biotechnol Appl Biochem 2002 36 p 181 186 152 Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 139 140 141 142 143 144 145 146 147 148 149 150 151 152 153 154 155 156 157 158 Watanabe Y Y Shimada A Sugihara and Y Tominaga Enzymatic conversion of waste edible oil to biodiesel fuel in a fixed bed bioreactor J Am Oil Chem Soc 2001 78 p 703 707 Nelson L A T A Foglia and W N Marmer Lipase catalyzed production of biodiesel J Am Oil Chem Soc 1996 73 p 1191 1195 Shah S S Sharma and M N Gupta Biodiesel preparation by lipase catalyzed transesterification of jatropha oil Energy and Fuels 2004 18 p 154 159 Shah S and M N Gupta Lipase catalyzed preparation of biodiesel f
211. rare l accettabilit di biomasse problematiche Il pi grande inconveniente di questa modalit di utilizzo data dal basso rendimento di conversione energetica limitato sia dal ridotto rendimento del ciclo a vapore sia dalle perdite nella sezione di gassificazione e condizionamento del syngas 86 La maggior parte delle attivit di ricerca sono rivolte verso le tecnologie di produzione combinata di energia elettrica e termica nel tentativo di provarne la fattibilit tecnico economica I sistemi in fase di valutazione sono diversi Nel caso dei gassificatori di piccola taglia il sistema di generazione elettrica pi facilmente utilizzabile rappresentato da un motore alternativo a combustione interna In questo caso le specifiche circa la composizione del syngas divengono pi stringenti Risulta infatti necessario depurare il syngas da TAR 41 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA particolato ammoniaca e alcali al fine di rispettare le specifiche imposte dai fornitori dei motori L utilizzo del syngas in un motore alternativo in luogo dei combustibili fossili convenzionali derivati petroliferi e gas naturale determina solitamente una diminuzione della potenza netta prodotta dell ordine del 15 20 Con motori di piccola taglia i rendimenti elettrici non sono anche in questo caso molto elevati 20 25 e possono aumentare fino a circa il 30 nel caso dei motori di maggiore taglia Il rendimento globale nel c
212. rata ossitetraciclina cloroidrata e tiamfenicolo Questi composti sono stati aggiunti in concentrazioni diverse a liquami suini ed a fanghi anaerobici E stato quindi valutato l effetto degli antibiotici sulla produzione di biogas e la concentrazione di metano sul processo anaerobico Dai risultati ottenuti emerge che il tiamfenicolo aggiunto alla coltura anaerobica ha un notevole effetto sulla produzione di metano rispetto alla coltura di controllo L amoxicillina ha invece un minore effetto inibitore sulla produzione di metano Viceversa l ossitetraciclina sembra non esercitare alcun effetto sulla produzione di metano I risultati costituiscono un ulteriore conferma del fatto che la presenza degli antibiotici nei liquami suini possa creare un problema nel trattamento delle acque reflue per digestione anaerobica specialmente dove la produzione di biogas importante Altri aspetti importante emersi dallo studio sono che non possibile i fare una previsione sull effetto inibitore che ciascun antibiotico pu avere nella produzione di metano e ii stabilire quale stadio della comunit batteri metanogenici o acidogenici risulta affetta dall antibiotico 280 122 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 8 PRODUZIONE DI IDROGENO L idrogeno un gas prezioso come fonte di energia pulita e materia prima per l industria perci la sua richiesta di produzione aumentata notevolmente negli ulti
213. rbine a gas con iniezione di vapore STIG Steam Injected Gas Turbine nelle quali il recupero dell energia termica dei gas di scarico avviene ancora attraverso la produzione di vapore il quale per non viene utilizzato in un ciclo Rankine ma iniettato nella camera di combustione della turbina a gas con aumento della potenza prodotta e del rendimento Tale soluzione sembra quella pi adatta per impianti di gassificazione a biomassa BIG STIG di potenza dell ordine di 20 30 MWe Una volta adeguatamente deputato il syngas prodotto dalla gassificazione delle biomasse pu essere efficacemente utilizzato per l alimentazione delle celle a combustibile eventualmente integrate con microturbine a gas i cosiddetti impianti ibridi In effetti le celle a combustibile operanti ad alta temperatura Solid Oxide Fuel Cells SOFC e Molten Carbonate Fuels Cell MCEC si prestano molto bene ad essere integrate con un impianto sottoposto di turbina a gas nel quale evolvono i gas di scarico a 700 1000 C della cella stessa Solo nel caso delle celle MCFC l integrazione si realizza talvolta con impianti a vapore In alimentazione con gas naturale simili impianti ibridi possono raggiungere efficienze del 60 65 anche con modeste potenze 200 300 kWe 96 97 Oltre al gas naturale tali celle a combustibile possono anche essere alimentate con combustibili alternativi quali metanolo etanolo DME biogas e syngas da gassificazione del carbone e delle biomasse 9
214. rbone attivo anelli in ceramica anelli in plastica ecc I materiali di plastica presentano una minore attitudine all adesione rispetto al pietrisco ma hanno superfici specifiche e grado di vuoto di gran lunga superiori Le differenti caratteristiche quali forma spazi e canalizzazioni del materiale di riempimento influiscono sul comportamento idrodinamico del reattore 238 I reattori a letto fisso che hanno il vantaggio di una semplice costruzione sono particolarmente indicati per trattare reflui con alto contenuto in sostanza organica solubile inoltre possono operare anche in condizioni di alto carico organico volumetrico sino 20 kgCOD m d 239 con tempi di ritenzione che possono arrivare a solo qualche ora Ancora sono in grado di sopportare un elevato carico tossico 240 102 Pi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA I difetti di questi reattori sono quelli tipici dei reattori a film fisso cio l intasamento dovuto all aumento dello spessore del biofilm elevata concentrazione di solidi sospesi nelle acque reflue e la canalizzazione con l effetto di una pi bassa efficienza di rimozione Al fine di ridurre questi inconvenienti molti impianti sono dotati di dispositivi per attivare la circolazione del liquido con alti flussi in senso opposto a quello di alimentazione in modo da rimuovere la biomassa che ostruisce il flusso normale Il limite principale del reattore determinato dall elevato vo
215. rebbe apparire completamente rimosso dai granuli di fango autoclavati il composto non trasformato ma trattenuto all interno dei granuli La degradazione primaria dell 1 1 1 2 TeCA a 1 1 DCE un processo biotico mediato dai batteri anaerobici In definitiva confermato che i fanghi anaerobici sono capaci di biotrasformare 1 1 1 2 TeCA in presenza o in assenza di donatori di elettroni esterni E stata osservata un elevata velocit di degradazione 280 umol g VSS d La rimozione di questo composto pu essere osservata in presenza di biomassa sterile per via del meccanismo di adsorbimento o absorbimento Questi risultati sono in accordo con la natura idrofobica di 1 1 1 2 TeCA e i fanghi granulari 276 E importante sottolineare che la scomparsa dei composti idrofobici come i CAH in presenza di fanghi granulari inattivi potrebbe essere confusa come apparente degradazione abiotica specialmente con un elevato rapporto biomassa CAH In conclusione la degradazione del 1 1 1 2 TeCA avviene solo in presenza di fanghi vivi 4 7 2 Effetto di Composti Tossici in un Reattore UASB E stato effettuato uno studio sull azione dell 1 1 1 2 tetracloroetano 1 1 1 2 TeCA in un processo di digestione anaerobica mediante l utilizzo di reattori UASB Si sono confrontati due reattori UASB il primo R1 con carico costante mentre il secondo R2 viene caricato a impulsi Il reattore UASB possiede una 119 si sanprona Unione Europ
216. relative alle modalit di rigenerazione del filtro La presenza nel syngas di alcali soprattutto composti del potassio e del sodio che condensano a temperature di circa 600 700 C provocano notevoli inconvenienti in sistemi come turbine a gas motori a combustione interna e celle a combustibile La rimozione degli alcali dal syngas non affatto facile e si studiano soprattutto specifici sorbenti oltre ai gi citati processi di lavaggio delle biomasse al fine di eliminare all origine la presenza di questi composti Nel gassificatori a letto fluido l assorbimento degli alcali mediante i sorbenti pu avvenire anche all interno dello stesso reattore mentre pi facilmente esso avviene in specifici reattori disposti a valle I sorbenti in corso di sperimentazione sono basati su bauxite kaolinite emathlite e altri materiali rocciosi Tra questi la bauxite appare quella pi interessante 2 3 3 La sezione di utilizzo del syngas Uno degli utilizzi pi immediati del syngas derivante dai processi di gassificazione dato dall impiego come combustibile in generatori di vapore specie in co combustione con carbone o altre biomasse solide In questo caso i requisiti circa i livelli minimi di concentrazione di TAR e particolato nel syngas non sono molto stringenti per cui il sistema di condizionamento pu essere molto semplice Rispetto all utilizzo diretto delle biomasse come combustibile l integrazione con un gassificatore contribuisce a miglio
217. rici di circa il 25 30 Si tratta di macchine per le quali il principale punto di forza la semplicit essendo basate su compressori e turbine radiali e monostadio senza sistemi di raffreddamento delle palettature In relazione al basso rapporto di compressione circa 3 4 queste macchine adottano un ciclo termodinamico rigenerato e presentano la possibilit di operare in cogenerazione con la produzione di acqua calda nel qual caso i rendimenti globali sono ancora una volta dell ordine dell 80 85 Le attivit di ricerca in questo settore sono vertono fondamentalmente sulla ottimizzazione delle prestazioni della turbina in relazione alle diverse caratteristiche del syngas in effetti tali microturbine vengono commercializzate principalmente in alimentazione con gas naturale ma anche con GPL biogas da digestione anaerobica e altri gas combustibili come appunto il gas da gassificazione I 43 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA requisiti di pulizia del syngas in questo caso sono pi stringenti rispetto ai motori alternativi a combustione interna per cui una delle aree pi critiche ancora una volta rappresentata dalla sezione di depurazione del syngas All aumentare della taglia la ricerca si sta indirizzando verso soluzioni circuitali della turbina a gas pi complesse nel tentativo di conseguire maggiori rendimenti di conversione Una delle soluzioni pi studiate rappresentata dall utilizzo di tu
218. rile il fango viene autoclavato per I inattivazione di tutta l attivit microbica per 30 min a 120 C L incubazione condotta a 30 C in condizioni stazionarie I differenti esperimenti di biodegradazione dimostrano che 1 1 1 2 TeCA completamente rimosso solo in presenza di microrganismi anaerobici Le velocit di biodegradazione sono indipendenti dall aggiunta di altri substrati organici acido lattico metanolo saccarosio acido acetico o formico e rimangono costanti in loro assenza Il controllo delle attivit indica che non c degradazione in assenza di microrganismi biomassa e che la degradazione non viene mediata dai differenti componenti dei mezzi d incubazione La presenza o meno di macronutrienti e tracce di elementi con o senza lieviti e Na2S entrambi come ipotetici donatori di elettroni non modificano la velocit di degradazione del 1 1 1 2 TeCA I composti della degradazione sono 1 1 DCE 1 1 2 TCA TCE e TeCE ma solo I 1 1 DCE e 1 1 1 2 TCA corrispondono ai prodotti della biotrasformazione Esperimenti condotti a pH 7 con 1 1 DCE dimostrano che la concentrazione di 1 1 DCE rimane costante sia in assenza del co substrato che in presenza di sodio lattato Il 1 1 DCE viene invece eliminato rapidamente in presenza di acido lattico a pH 5 viceversa la sua eliminazione non avviene usando acido fosforico a pH 3 o a pH 5 5 Dai risultati della sperimentazione emerge che usando diverse concentrazioni di 1 1 1
219. rli dal punto di vista impiantistico Le principali soluzioni studiate sono le seguenti e SSF Simultaneous Saccharification and Fermentation processo brevettato dalla Gulf Oil Company e la University of Arkansas L SSF riduce il numero di reattori 3 usando un unico reattore per l idrolisi enzimatica 85 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA di cellulosa ed emicellulosa e per la fermentazione degli esosi e soprattutto superando il problema legato all inibizione degli enzimi dovuta ai prodotti 231 In presenza di glucosio viene inibita l idrolisi del cellobiosio ad opera della f glucosidasi per cui viene bloccata la degradazione della cellulosa 232 233 e SSCF Simultaneous Saccharification and CoFermentation Si utilizzano 2 reattori uno per la produzione di cellulasi e l altro per l idrolisi enzimatica e la fermentazione degli zuccheri 208 e Con la DCM Direct Microbial Conversion l intero processo produttivo realizzato in un unico reattore ed caratterizzato da una completa simultaneit tra la produzione delle cellulasi l idrolisi della cellulosa e dell emicellulosa e la fermentazione degli zuccheri 208 230 3 4 2 Bioetanolo di seconda generazione Gli sviluppi futuri nella produzione di bioetanolo sono indirizzati alla costante diminuzione di colture alimentari per le produzioni energetiche passando ai cosiddetti biocarburanti di seconda generazione Il bioetanolo di
220. rom Jatropha oil in a solvent free system Process Biochemistry 2007 42 3 p 409 414 De Oliveira D M Di Luccio C Faccio C Dalla Rosa J P Bender N Lipke S Menoncin C Amroginski and J V De Oliveira Optimization of enzymatic production of biodiesel from castor oil in organic solvent medium Appl Biochem Biotechnol 2004 113 116 p 771 780 Chisti Y Biodiesel from microalgae Biotechnology Advances 2007 25 3 p 294 306 Banerjee A R Sharma Y Chisti and U C Banerjee Botryococcus braunii A Renewable Source of Hydrocarbons and Other Chemicals Critical Reviews in Biotechnology 2002 22 3 p 245 279 Chisti Y Biodiesel from microalgae beats bioethanol Trends in Biotechnology 2008 26 3 p 126 131 Tredici M R Colture massive di microalghe calamit lo risorsa http www georgofili it uploaded 570 pdf 2006 cited Molina Grima E F G A Fernandez F Garcia Camacho and Y Chisti Photobioreactors light regime mass transfer and scaleup Journal of Biotechnology 1999 70 1 3 p 231 247 Gavrilescu M and Y Chisti Biotechnology a sustainable alternative for chemical industry Biotechnology Advances 2005 23 7 8 p 471 499 A Look Back at the U S Department of Energy s Aquatic Species Program Biodiesel from Algae http www1 eere energy gov biomass pdfs biodiesel_from_algae pdf cited Filli res R B Benjelloun Mlayah and M Delmas Ethanolysis of rapeseed oil Quantitation
221. rsion and Management 2001 Vol 42 p pp 529 538 148 Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 56 57 58 59 60 61 62 63 64 65 66 67 68 69 70 71 72 73 74 75 76 De Almedia S C A B C R Nascimento M V G Vieira L S R Fleury G Performance of a diesel generator fuelled with palm oil Fuel 2002 Vol 81 p pp 2097 2102 Bari S L T H Yu Effect of preheating of crude palm oil CPO on injection systems performance and emissions of a diesel engine Renewable Energy 2002 Vol 27 p pp 339 351 Tashtoush M I A W A M Albatayneh Factorial analysis of diesel engine performance using different types of biofuels Journal of Environmental Management 2007 Vol 84 p pp 401 411 Karaosmanoglu G Kurt T O Long term CI engine test of sunflower oil Renewable Energy 2000 Vol 19 p pp 219 221 Crookes Comparative bio fuel performance in internal combustion engines Biomass and Bioenergy 2006 Vol 30 p pp 461 468 Hebbal K Vijayakumar Reddy K Rajagopal Performance characteristics of a diesel engine with Deccan Hemp oil Fuel 2006 Vol 85 p pp 2187 2194 Agarwal A K A Performance and emissions characteristics of Jatropha oil preheated and blends in a direct injection compression ignition engine Applied Thermal Engineering 2007 Vol 27 p pp 2314 2323 Wang T A S P Eames J McMulla
222. ruttamento energetico in sistemi ad elevata efficienza Infatti a causa di queste problematiche la tecnologia pirolitica viene proposta ed utilizzata soprattutto per il trattamento di rifiuti di diversa natura per i quali l efficienza di conversione energetica non ne l unico ne il principale parametro di valutazione Molto spesso nei sistemi pirolitici commercializzati tutti i prodotti del processo vengono solitamente inviati a combustione e l energia termica recuperata dai gas combusti al netto di quella utilizzata per il sostentamento del reattore viene utilizzata per la produzione di vapore di processo o per l azionamento di una turbina a vapore I gas combusti a valle del processo di recupero termico vengono opportunamente trattati in una sezione di depurazione ai fini della rimozione del particolato e dei composti acidi prima dello scarico in atmosfera In termini pi generali il prodotto principale del processo di pirolisi rappresentato dalla componente liquida la quale dopo un eventuale processo di trattamento viene inviata alla sezione di conversione energetica per la produzione di energia elettrica ed eventualmente termica 47 Di LI 0 sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Uno dei parametri che maggiormente condizionano le prestazioni del processo di pirolisi la velocit di riscaldamento del combustibile Il percorso di sviluppo dei processi di pirolisi iniziato con la cosiddetta pirolisi lenta
223. rva che il contenuto di olio in media compreso tra il 20 50 di massa secca Tabella 3 3 Contenuto in oli di alcune microalghe Microalga Contenuto in oli massa secca Botryococcus braunii 25 75 Chlorella sp 28 32 Crypthecodinium cohnii 20 Cylindrotheca sp 16 37 Dunaliella primolecta 23 Isochrysis sp 25 33 Monallanthus salina gt 20 Nannochloris sp 20 35 Nannochloropsis sp 31 68 Neochloris oleoabundans 35 54 Nitzschia sp 45 47 Phaeodactylum tricornutum 20 30 Schizochytrium sp 50 77 Tetraselmis sueica 15 23 L importanza dell uso di microalghe per la produzione di olio rispetto alle colture oleaginose tradizionali si evince dai dati riportati in Tabella 3 4 In essa sono riportate le superfici di territorio necessarie alle diverse colture per soddisfare il 50 delle esigenze nel settore dei trasporti negli USA tenendo conto della resa in olio per ettaro 144 Negli Stati Uniti al fine di sostituire completamente i combustibili derivati dal petrolio con biodiesel 530 milioni di m3 anno occorrerebbero 111 milioni di ettari coltivati con specie oleaginose corrispondenti a circa il 60 della superficie dedicata all agricoltura 146 Nel caso delle microalghe invece tale superficie sarebbe decisamente inferiore Ulteriori incoraggiamenti alla produzione di microalghe arrivano dal fatto che il terreno pi adatto alla loro crescita avrebbe caratteristiche di tipo desertico a forte irraggiamento solare
224. s da liquame suino si aggirano intorno a 35 m3 100 kg di peso vivo 208 Le coperture gasometriche utilizzate per lo stoccaggio del biogas possono essere del tipo Copertura a cupola semplice non pressurizzata ed costituita da un telone di materiale flessibile fissato sul perimetro della vasca Il gas data la pressione molto bassa viene estratto e inviato agli utilizzi mediante soffiante Copertura a cupola a doppia o tripla membrana realizzata con due o tre strati sovrapposti di membrane che sono ancorate al bordo della vasca Le membrane pi esterne costituiscono una camera d aria che funge da elemento di spinta pneumatica sulla membrana pi interna quella che racchiude il biogas L evacuazione del biogas realizzata tramite valvole di sovrappressione regolate da appositi sensori Copertura galleggiante costituita da membrane dotate di un sistema di zavorra ottenuto con tubi flessibili riempiti d acqua per garantire la pressione di accumulo del biogas Figura 4 2 Figura 4 2 Copertura gasometrica galleggiante fonte CRPA 4 2 2 Reattori a Crescita Sospesa 4 2 2 1 Reattori miscelati Questi rappresentano la tipologia classica di digestori Figura 4 3 Sono realizzati in cemento armato o in acciaio a forma di silos Questi reattori sono predisposti per funzionare in condizioni mesofile o termofile infatti sono coibentati e riscaldati mediante scambiatore di calore Il liquame che si trova all inter
225. s sativa L Genotypes in the arid conditions of the South of Italy in Proc 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome V Copani S L C G M D Agosta G Testa Universit di Catania Italy Yield and Development of Kenaf Hibiscus Cannabinus L Crop in Relation to Genotype Sowing Time and Plant Population in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome P Venturi A M G Venturi University of Bologna Italy Evaluation of Harvesting and Post Harvesting Chains for Energy Destination of Switchgrass in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome N G Danalatos S A P Kalavriotou University of Thessaly Volos Greece Potential Growth and Biomass Productivity of Kenaf Hibiscus Cannabicus L under Central Greek Conditions I The Influence of Variety Sowing Time and Plant Density in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome E Alexopoulou M C A Nicholaou M Mardikis CRES Pikermi Greece The influense of sowing time and plant population on Kenaf growth and yelds in 2nd World Conference and Technology Exhibition on Biomass for Energy Industry and Climate Protecion 2004 Rome Fernando M P D J Morais A Catroga J F S O G Serras C Universidade Nova
226. sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA silicati e solfati Questi ultimi sono caratterizzati da temperature di fusione inferiori anche a 700 C cosicch tendono facilmente a formare depositi e incrostazioni sulle pareti del gassificatore Peraltro la presenza di tali composti alcalini nel syngas causa di fenomeni di corrosione ed erosione nelle apparecchiature percorse dal syngas In relazione all assetto fluidodinamico e soprattutto alle minori temperature operative peraltro uniformi lungo tutto il reattore i gassificatori a letto fluido sono meno interessati ai sopracitati fenomeni Le contromisure allo studio fanno leva su processi di pretrattamento delle biomasse tesi a ridurre la presenza di elementi come il potassio e il sodio Poich gli alcali sono composti solubili in acqua le principali tecniche allo studio sono proprio basate su processi di lavaggio con acqua cui segue la separazione meccanica dell acqua stessa Mediante tali trattamenti si riesce a rimuovere oltre l 80 del potassio e del sodio oltre a circa il 90 del cloro 82 Di non minore importanza ai fini una effettiva possibilit di diffusione di queste tecnologie sono le attivit di ricerca e sviluppo finalizzate a migliorare il livello di automazione del processo la sua flessibilit operativa e l affidabilit In questo settore giocano un ruolo fondamentale tutte le apparecchiature ausiliarie del gassificatore stesso ed essenzialmente ricon
227. scarico sono caratterizzate da una elevata concentrazione di COD e in particolare dalla presenza di alcoli a catena lunga considerati potenziali inibitori La combinazione del processo anaerobico aerobico costituisce un efficace sistema di trattamento per questo tipo di refluo anche per elevati carichi organici 288 129 ESE te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 5 DETERMINAZIONE DELLE ATTIVITA GENERALI DA ATTIVARE PER UNA EFFICACE RICADUTA SUL TERRITORIO REGIONALE Nei paragrafi precedenti sono stati sintetizzati i risultati emersi a seguito di una accurata indagine sullo stato della ricerca scientifica in ambito nazionale e internazionale nei tre principali settori di utilizzo energetico delle biomasse ovvero quello dei biocombustibili bioetanolo oli vegetali e biodiesel della digestione anaerobica produzione di biogas e della produzione di energia elettrica e o termica mediante processi termochimici combustione gassificazione e pirolisi L analisi delle risultanze di questa indagine unitamente a quelle dell indagine ricognitiva nel settore delle biomasse in Sardegna Fase A del Cluster consente anche sulla base dell esperienza gi maturata dai diversi Gruppi di Ricerca dell Universit di Cagliari principalmente all interno dei Dipartimenti di Scienze Chimiche di Ingegneria Chimica e Materiali e di Ingegneria Meccanica che operano nel campo delle biomasse di individuare alcuni settori sui
228. se temperature 131 Nella Figura 3 3 sono riportate le varie fasi coinvolte nella produzione del biodiesel Come verr approfondito in seguito i processi produttivi attuali utilizzano come materie prime sia oli provenienti dalla spremitura di semi oleaginosi che oli o grassi di scarto A valle del processo di transesterificazione si ottiene il biodiesel che pu essere usato come carburante per autotrazione o combustibile negli impianti di riscaldamento Il sottoprodotto principale la glicerina soluzione acquosa di glicerolo la quale dopo purificazione pu essere usata per scopi farmaceutici e cosmetici In realt i grandi quantitativi di glicerina ottenuti dalla produzione del biodiesel hanno fatto crollare il suo prezzo di mercato Attualmente sono in fase di studio diversi processi chimici 58 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA innovativi atti alla trasformazione del glicerolo in nuovi prodotti di interesse industriale 127 MISCELE 20 0 100 IN GASOLIO USI TERMICI panelli ei VEN AISC lubrificanti 5 oolii tecnici glicerina AUT OTRAZIONE p COMBUSTIO PROCESSI rile NE PRODOTTO DESTINAZIONE REAGENTE Figura 3 3 Schema di produzione del Biodiesel Scendendo pi nel dettaglio della reazione di transesterificazione questa avviene grazie all azione del metanolo metanolisi in presenza di un catalizzatore basico o acido Figura 3 4a
229. seconda generazione sar prodotto a partire da biomassa lignocellulosica derivante da coltivazioni specifiche vedi tabella 3 8 o da prodotti di lavorazione scarsamente utilizzati e disponibili in grande quantit quali 227 e residui di raccolto bagassa di canna da zucchero paglia di grano paglia di riso paglia di orzo bagassa di sorgo zuccherino noccioli e pasta di olive stocchi lolle sarmenti paglie e residui delle potature in genere e legno duro pioppo e legno dolce pino abete rosso e rifiuti di cellulosa carta di giornale rifiuti di carta per ufficio fanghi di carta riciclata e biomassa erbacea e rifiuti solidi urbani RSU Nella tabella 3 8 sono riportate le principali specie di materie lignocellulosiche da coltivazioni specifiche il loro ciclo di produzione e i prodotti di trasformazione Uno studio condotto dall ENEA in collaborazione con l Universit degli Studi dell Aquila evidenzia come nell ipotesi di utilizzare in Italia il bioetanolo come biocarburante in sostituzione dei combustibili fossili si dovrebbero destinare alle colture alcoligene 60 000 70 000 km di terreno agricolo pari al 40 della 86 Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA SAU Superficie Agricola Utilizzata e al 20 dell intero territorio nazionale 208 235 Tabella 3 8 Specie utilizzabili per la produzione di biomassa lignocellulosica Specie Ciclo di Prodotto Prodotto produzione intermedio
230. sio e altri metalli platino palladio rutenio rodio etc Infine uno dei processi innovativi di decomposizione del TAR si basa sull impiego del plasma 70 85 Per quanto concerne la rimozione del particolato i sistemi convenzionali come i cicloni i precipitatori elettrostatici e le torri di lavaggio presentano l inconveniente di operare generalmente a bassa temperatura Cosicch anche in questo settore le principali attivit di ricerca sono finalizzate a sviluppare sistemi di depurazione a caldo In particolare i sistemi di rimozione del particolato a caldo pi avanzati sono i filtri ceramici a candela I materiali pi studiati sono a base di carburo di silicio e metalli sinterizzati Le efficienze sono molto elevate anche con particolato di piccolissime dimensioni inferiori a 1 micron I principali problemi da risolvere sono legati al pericolo di degrado chimico creep e resistenza a fatica specie alle pi alte temperature oltre 800 40 Di EJEA sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 850 C In questo senso i filtri realizzati con metalli porosi sembrano evidenziare migliori caratteristiche rispetto a quelli ceramici In alternativa ai filtri ceramici o metallici sono anche in fase di studio avanzato i filtri granulari Si tratta di contenitori riempiti di materiali a base di calcare o di allumina attraverso i quali viene fatto passare il syngas da trattare Le principali problematiche allo studio sono
231. sivo richiede l utilizzo di organismi speciali la presenza di luce ed uno stretto controllo delle condizioni ambientali Per questo motivo il processo sequenziale o combinato della fermentazione dark e light sembra essere il pi efficace permettendo di ottenere una resa elevata d idrogeno da rifiuti ricchi in carboidrati I principali problemi nella bioproduzione d idrogeno sono le basse velocit le basse rese di formazione e la richiesta di reattori con grandi volumi Questi problemi possono essere superati selezionando e usando degli organismi pi efficaci 0 meglio miscele di colture sviluppando uno schema di processo pi efficiente ottimizzando le condizioni ambientali migliorando l utilizzo dell efficienza della luce e infine sviluppando bio reattori pi efficienti L inibizione della produzione di bio idrogeno dovuto alla presenza dell ossigeno e dell ammonio azoto si pu superare separando la fase della crescita dei microrganismi da quella di formazione dell idrogeno migliorando cos la produzione d idrogeno 281 4 8 1 Tipi di fermentazione Sono noti principalmente tre tipi di fermentazione v all acido butirrico v all acido propionico v all etanolo 124 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Nella la maggior parte degli studi di fermentazione acidogenica invalso l uso di chiamare fermentazione all acido butirrico il processo che porta alla
232. so La scelta del tipo di bioreattore anaerobico deve essere infatti effettuata in relazione alle caratteristiche del refluo da trattare questo il caso di reflui in cui il carico organico si trova in fase disciolta cio a basso contenuto di solidi sospesi Produzione di idrogeno via digestione anaerobica Data l importanza che stanno assumendo i diversi modi di produzione dell idrogeno pare quasi obbligato approfondire la ricerca dell idrogeno tramite digestione anaerobica anche nell ambito della regione Sardegna L aspetto microbiologico ed il tipo di bioreattore da utilizzare sembrano i temi da sviluppare ulteriormente 141 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA Sperimentazione su impianti di laboratorio e pilota Le considerazioni sull opportunit di utilizzare la co digestione delle biomasse ed in particolare la valutazione del grado di miscelazione di biomasse differenti dovrebbe trovare un riscontro con ricerche di tipo sperimentale sia su apparecchiature di laboratorio che su impianti pilota Analogamente nel caso in cui da un indagine sulle cause degli insuccessi dei digestori anaerobici dovesse risultare che essi sono dovuti alla presenza di sostanze tossiche nei reflui sarebbe conveniente verificare sperimentalmente la possibilit di un trattamento anaerobico del refluo facendo ricorso a particolari modalit di crescita dei microrganismi acclimatazione ai tossici co metabolismo
233. solo in alcuni impianti realizzati nel Nord Europa o negli Stati Uniti si hanno potenze elettriche dell ordine di 50 60 MWe e rendimenti dell ordine del 25 28 Rendimenti pi elevati confrontabili con quelli delle centrali termoelettriche a vapore alimentate con carbone 40 44 potrebbero essere conseguiti solo con impianti di taglia molto maggiore 300 400 MW di fatto improponibili in relazione alla pratica impossibilit di approvvigionamento delle biomasse entro raggi di raccolta ragionevoli Laddove possibile la soluzione ottimale per valorizzare al meglio le biomasse rappresentata dall utilizzo in impianti di cogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e termica oppure in centrali termoelettriche di grande taglia in co combustione con i combustibili fossili convenzionali carbone in quanto garantisce vantaggi in termini economici energetici e logistici Infatti in questo caso non risulta necessario realizzare un nuovo impianto dedicato e si trae vantaggio dal maggiore rendimento di conversione Nel settore degli impianti di generazione elettrica alimentati con biomasse si registra inoltre una intensa attivit di ricerca e sviluppo finalizzata alla individuazione di valide alternative al classico ciclo a vapore soprattutto in relazione alla necessit di realizzare impianti di piccola potenza Come meglio descritto nel seguito le soluzioni studiate sono essenzialmente basate su cicli ORC su motori Stirling su cicl
234. spanso pari a 1 2 1 25 volte il volume del letto a riposo mentre nei secondi risulta essere maggiore di 1 3 volte Per mantenere un flusso idraulico indispensabile un forte riciclo con conseguente dispendio energetico per il funzionamento delle pompe Questi tipi di reattori per la grande concentrazione di biomassa e la grande superficie esposta del biofilm consentono di operare con carichi organici volumetrici rilevanti fino a 100 kgCOD m d in condizioni di laboratorio adottando tempi di ritenzione idraulica di poche ore Inoltre sono adatti al trattamento di reflui a basso e medio contenuto di solidi sospesi 103 Ea te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA La tecnologia dei letti fluidizzati risulta pi efficace rispetto alla tecnologia del filtro anaerobico poich viene favorito il trasporto delle cellule microbiche dal bulk alla superficie con conseguente miglioramento del contatto tra i microrganismi e il substrato 242 Rispetto ai filtri anaerobici essi presentano diversi vantaggi v l eliminazione dell intasamento del letto v una minore perdita di carico combinata con una migliore circolazione idraulica 243 v una pi grande area superficiale per unit di volume del reattore v un costo inferiore per via del ridotto volume dello stesso 4 2 3 Reattori Ibridi I reattori ibridi sono ottenuti dalla combinazione di un sistema a biomassa sospesa con uno a biomassa adesa In questo mod
235. stante di biodegradabilit anaerobica e d idrolisi La biodegradabilit anaerobica totale viene misurata dalla quantit totale di metano prodotto durante un tempo di ritenzione di almeno 50 giorni La resa in biogas dipende da diversi fattori quali digestibilita del materiale organico cinetica di digestione tempo di ritenzione nel digestore e temperatura di digestione Il processo pu essere ottimizzato mediante il controllo delle condizioni di temperatura umidit attivit microbica e propriet della biomassa 4 1 6 Requisiti per la digestione anaerobica A differenza dei sistemi di trattamento aerobico delle acque di scarico il carico loading rate dei reattori anaerobici non limitato dall alimentazione di un substrato ma dalla capacit dei microrganismi di decomporlo importante quindi che una massa sufficientemente elevata di batteri venga ritenuta all interno del reattore Per sistemi a basso tasso low rate ci ottenuto applicando tempi di ritenzione sufficientemente lunghi Per sistemi ad alto tasso high rate la ritenzione della biomassa viene aumentata rispetto al tempo di ritenzione del liquido Le seguenti condizioni sono essenziali per reattori anaerobici ad alto tasso v In condizioni di alto carico organico gt 10 kg m3 die e alto carico idraulico gt 10 m3 m die deve essere ritenuta un alta concentrazione di fango batterico anaerobico v Tra l alimentazione in ingresso e la massa batterica d
236. stemi SCR per la riduzione della concentrazione di NOX e anche di qualit delle ceneri leggere recuperate dai sistemi di filtrazione In questo settore uno dei fronti di ricerca aperti legato al pretrattamento delle biomasse al fine del lavaggio delle stesse per la riduzione del contenuto di queste sostanze In effetti gli alcali sono fondamentalmente solubili in acqua anche se tale lavaggio rimuove anche una parte di sostanza organica e quindi anche del contenuto energetico richiedendo un trattamento specifico delle acque di lavaggio In realt la ricerca in questo settore tende anche a massimizzare l estrazione di composti organici da impiegare successivamente per la produzione di etanolo 20 Di KI 0 campeon Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 2 2 2 Produzione di energia elettrica Nell ambito della produzione di energia elettrica da biomasse i miglioramenti delle prestazioni energetiche globali richiedono oltre che l ottimizzazione del processo di combustione in accordo a quanto precedentemente discusso soprattutto l incremento del rendimento di conversione energetica del ciclo termodinamico Gli impianti di generazione elettrica alimentati con biomasse attualmente operativi sono praticamente tutti basati su cicli a vapore In relazione ai limitati quantitativi di biomasse reperibili entro raggi di raccolta ragionevoli la potenza elettrica di questi impianti necessariamente limitata a valori dell ordine di 10 20 MWe
237. stover Bioresource Technology 2005 96 7 p 819 829 Hari Krishna S K Prasanthi G V Chowdary and C Ayyanna Simultaneous saccharification and fermentation of pretreated sugar cane leaves to ethanol Process Biochemistry 1998 33 8 p 825 830 Alkasrawi M T Eriksson J B rjesson A Wingren M Galbe F Tjerneld and G Zacchi The effect of Tween 20 on simultaneous saccharification and fermentation of softwood to ethanol Enzyme and Microbial Technology 2003 33 1 p 71 78 ITABIA Le biomasse per l energia e l ambiente 2004 Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio Zimbardi F E Viola A Gallifuoco De Bari I M Cantarella D Barisano and G Braccio Overview of the bioethanol production 2002 ENEA Universita degli Studi de L Aquila Zeeman G and Lettinga G The role of anaerobic digestion of domestic sewage in closing the water and nutrient cycle at community level Water Sci amp Tech 1999 39 5 p 187 194 Lettinga G Hulshoff Pol L W Zeemang G Lecture notes Biological Wastewater Treatment Part I Anaerobic Wastewater Treatment 1999 Wageningen University and Research Wageningen The Netherlands 157 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 238 239 240 241 242 243 244 245 246 247 248 249 250 251 252 253 254 255 256 Lallai A Mura G Ragucci S Fluid flow patterns in up
238. stsssnscatessicconvssns 16 2 2 1 Produzione di energia einen 18 2 2 2 Produzione di energia elettrica sacrario 21 2 3 PROCESSI DI GASSIFICAZIONE DELLE BIOMASSE 32 2 3 1 La sezione di gassificazione s ssesseseseesereeeresrssrererrresrsrsresrsrereees 33 2 3 2 La sezione di condizionamento del syngaS n 39 2 3 3 La sezione di utilizzo del BYIgas sciii ia 41 24 IPROCESSI DI PIROLISI DELLE BIOMASSE urea 47 2 4 1 PEGG GEIS Lene rl 50 o LPBIOCARBURAN TM wsesesisssssssnsccesinnsesesnsessneautadinssegonsiusesenserenesases 53 3 1 LO SCENARIO DEI CONSUMI ENERGETICI NELL UNIONE EUROPEA L IMPORTANZA DEI BIOCARBURANTI 53 3 1 1 I Biocarburanti Biodiesel bioetanolo oli vegetali 55 320 Cl Lena 57 39 TL IO DIESE seca casscaacazusac sani iin ren e a E a T 58 3 3 1 Processi industriali per la produzione di biodiesel 58 3 3 2 Materie prime utilizzate per la produzione di biodiesel 60 3 3 3 Metodi innovativi di produzione del biodiesel 69 od TL BIOETANOL cas ri 77 3 4 1 Processi di produzione di DIOStATIOlOveisssncavssevessicoriessussnnaasucspeassnaesaese 78 3 4 2 Bioetanolo di seconda generazione eseeeeseesrsreresrrrsrsesrerrsrsreees 86 4 LA DIGESTIONE ANAEROBICA seeseeseseeeesseeesseeeeseeseseoeeseeesee 89 4 1 IL PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA sssiscsssssnsvsveonvavevasnvnnaves 90 4 1
239. t di Ingegneria e di Scienze M F N vengono frequentemente svolte tesi di laurea e di dottorato su questi argomenti Tuttavia dovendo imprimere un impulso alle attivit di ricerca nel settore delle biomasse risulta anche necessario agire sul fronte della formazione del personale addetto a tali ricerche In tal senso la formazione di ricercatori pu percorrere i classici canali dei corsi di formazione per ricercatori destinati a laureati in discipline quali i diversi rami dell ingegneria industriale della chimica della biologia della microbiologia etc Analogamente possono essere utilizzati percorsi di formazione incentrati sui Master Tale strada pu risultare quella pi opportuna nel caso in cui sia necessario formare uno staff di ricerca per un laboratorio tematico o un centro di ricerca dedicato alle coltivazione delle biomasse ed al loro utilizzo industriale In un ottica di pi ampio respiro la formazione di ricercatori esperti nel settore pu essere pi efficacemente realizzata attraverso il finanziamento di borse di studio per la frequenza di corsi di dottorato di ricerca in Ingegneria Industriale Chimica Biochimica Biologia molecolare etc con argomenti di tesi preventivamente definiti Analogamente possibile finanziare assegni di ricerca destinati a personale gi in possesso di esperienza nel settore della ricerca con l obbiettivo di sviluppare specifiche attivit di ricerca nel settore delle biomasse Appare evide
240. ta semplicit gestionale per contro presenta lo svantaggio di essere a contatto con l ambiente esterno il che pu originare contaminazione da parte di altri 137 si EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA microrganismi competitori o predatori delle microalghe virus protozoi e della scarsa resa in biomassa poich la stessa a causa della ridotta velocit di flusso tende a sedimentare Un sistema di questo tipo infatti per risultare produttivo richiede mediamente un area di circa 7 800 m per garantire un volume minimo di biomassa e quindi di trigliceridi prodotti Il secondo sistema produttivo fotobioreattore ha il pregio di garantire la purezza della coltura e la ottimizzazione delle condizioni di crescita Gli svantaggi sono rappresentati dal maggiore costo dell impianto dai costi operazionali e di manutenzione Inoltre la sua gestione richiede personale tecnico specializzato Dopo la produzione e la raccolta delle cellule la biomassa viene sottoposta a processi di estrazione degli oli Il residuo della biomassa pu essere utilizzato come fertilizzante in quanto ha buone propriet di concime organico ovvero secondo recenti investigazioni come materia base per produrre idrogeno via processi fermentativi selettivi Nel settore della ricerca applicata alla produzione di biomasse da microalghe esistono esperienze e competenze anche in Sardegna specie presso il Dipartimento di Ingegneria Chimica de
241. talizzare la reazione inversa all idrolisi I esterificazione nonch la reazione di transesterificazione alcolisi coinvolta nella produzione del biodiesel 168 169 I vantaggi della biocatalisi rispetto alla catalisi omogenea ed eterogenea tradizionale sono dovuti alla possibilit di operare con elevate attivit catalitiche in condizioni blande pressione atmosferica e temperature prossime a quella ambiente Si ha quindi un processo pi efficiente dal punto di vista del risparmio energetico ed un impianto meno costoso Il processo enzimatico inoltre non porta alla formazione di sottoprodotti Infine in presenza di materie prime di scarto con elevati valori di acidit le lipasi sono in grado di catalizzare anche la reazione di esterificazione diretta tra gli acidi grassi liberi e l alcol 170 keywords biodiesel and lipase 60 E ISI Web of Knowledge 50 E Scopus 40 30 n of papers 20 10 Figura 3 8 Numero di pubblicazioni scientifiche per anno riguardanti la produzione di biodiesel da biocatalisi La produzione di biodiesel mediante biocatalisi fu descritta per la prima volta da Mittlebach nel 1991 171 Da allora diversi gruppi di ricerca sparsi per il mondo hanno sperimentato questa biotecnologia per la produzione del biodiesel La Figura 3 8 mostra il numero di pubblicazioni scientifiche per anno dal 1996 al 2007 in questo campo che come si vede sta avendo una crescita esponenziale 72 Unione E
242. te da processi di combustione necessitano ancora di consistenti attivit di ricerca e sviluppo per affermarsi commercialmente I processi di combustione delle biomasse possono essere finalizzati alla produzione di energia termica per usi diretti riscaldamento di ambienti o di fluidi di processo o per la successiva conversione in energia meccanica e quindi in energia elettrica mediante cicli termodinamici 22 25 La combustione delle biomasse in stufe caldaie e forni rappresenta fondamentalmente una tecnologia ormai matura e consolidata dal punto di vista industriale e commerciale Pertanto le attivit di ricerca e sviluppo nel settore della combustione delle biomasse sono fondamentalmente indirizzate verso l ulteriore miglioramento delle prestazioni il rendimento di combustione specie nel caso di combustibili non convenzionali o di miscele di differenti combustibili e nella riduzione delle emissioni inquinanti in termini soprattutto di particolato NOX CO e HC Limitatamente agli impianti di riscaldamento di piccola taglia si lavora ovviamente moltissimo per aumentare il livello di automazione e il confort di impiego oltre che per ridurre i costi Se la combustione in s presenta tutto sommato limitati margini di miglioramento risultano invece molto pi ampi gli spazi nel settore della produzione di energia elettrica laddove si deve intervenire essenzialmente nei confronti del ciclo termodinamico Come noto in un qualunque impiant
243. ti chimici con acidi 226 e trattamenti meccanici con sistemi di presse e trattamenti biologici con funghi 227 Il Processo Separazione emicellulosa Steam explosion Emicellulosa Figura 3 14 Schema di produzione di bioetanolo da cereali o paglia dopo pre trattamento con steam explosion In seguito al pretrattamento opportuno effettuare una purificazione per eliminare tutte quelle sostanze come acido acetico acido formico cinnamaldeide p idrossibenzaldeide furfurolo che possono interferire nelle fasi successive Anche in questo caso si possono usare metodi fisici chimici o 83 i EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA biologici a seconda degli interferenti che si vuole eliminare 218 A questo punto si procede con l idrolisi dell emicellulosa e della cellulosa per ottenere la formazione degli zuccheri fermentabili pentosi ed esosi 219 222 I metodi pi comuni impiegati possono essere divisi in due gruppi 211 e idrolisi acida acidi concentrati o diluiti e idrolisi enzimatica Nell idrolisi acida il pre trattamento e l idrolisi possono essere eseguiti in un solo passaggio Ci sono due tipi di idrolisi acida una con acido concentrato l altra con acido diluito Nel primo processo l alimentazione formata da cellulosa ed emicellulosa preventivamente essiccata ad un umidit del 10 viene decristallizzata aggiungendo acido solforico al 70 77 Si ha l
244. tici di produzione In base a queste considerazioni i settori di ricerca che in via prioritaria appare opportuno incentivare nel territorio sardo sono essenzialmente quello dell utilizzo per la produzione di trigliceridi di materie prime alternative principalmente microalghe ma anche altri microorganismi come lieviti funghi e batteri e quello dello sviluppo di processi innovativi per la produzione di biodiesel Utilizzo di materie prime alternative Gli studi condotti sulle microalghe fotosintetiche unicellulari organismi in grado di utilizzare la luce solare per convertire il carbonio inorganico della CO2 in carbonio organico hanno dimostrato che le microalghe sono in grado in presenza di determinate condizioni ambientali di produrre ed accumulare lipidi intracellulari tra cui i trigliceridi come riserva di carbonio La possibilit di utilizzo delle microalghe per la produzione di trigliceridi da usare direttamente sotto forma di bioolio oppure da trasformare successivamente in biodiesel i cosiddetti biocombustibili di 2 generazione attualmente oggetto di grande attenzione da parte di numerosi gruppi di ricerca a livello nazionale ed internazionale I due sistemi per la produzione di biomassa da microalghe maggiormente studiati peraltro con sistemi su scala semi industriale sono come gi descritto in precedenza i raceway ponds ed i fotobioreattori Il primo sistema presenta il vantaggio dell economicita e della assolu
245. tiene la decomposizione termica delle biomasse o di altri combustibili primari come i rifiuti solidi urbani o il carbone in assenza di ossigeno A seguito del processo di decomposizione si ottiene come prodotto finale una miscela di prodotti solidi il char ovvero un prodotto a matrice carboniosa con presenza di idrogeno e che include anche le ceneri del combustibile primario liquidi olio di pirolisi costituito fondamentalmente da numerose specie organiche mischiate con acqua e gassosi il gas da pirolisi una miscela di CO CO2 CH4 H etc in proporzioni diverse a seconda delle condizioni operative del processo Il processo si sviluppa riscaldando le biomasse fino a valori di temperatura che partono da circa 350 550 C per arrivare in alcuni casi fino a circa 700 C Poich il processo di pirolisi avviene in assenza di ossigeno il riscaldamento delle biomasse si realizza fornendo calore dall esterno in linea di principio tale calore pu provenire da diverse fonti come quella solare ma in pratica deriva sempre da processi di combustione esterni al reattore di pirolisi alimentati da combustibili fossili convenzionali oppure meglio da una parte degli stessi prodotti finali I prodotti del processo di pirolisi vengono utilizzati per la produzione di energia e come detto del il sostentamento energetico dello stesso reattore pirolitico L eterogeneita e la qualit dei prodotti ottenuti rappresenta un notevole vincolo per un efficace sf
246. tivo di superare le maggiori criticit Indipendentemente dal tipo di processo termochimico impiegato numerose attivit di ricerca si occupano delle problematiche relative al reperimento delle biomasse coltivazione o semplice raccolta al trasporto allo stoccaggio ed al pretrattamento dal momento che questi aspetti possono condizionare moltissimo l effettiva fattibilit di un impianto alimentato con biomasse Analogamente rappresentano problematiche comuni le valutazioni sui bilanci energetici globali sulle emissioni inquinanti e di gas serra estese all intero ciclo di vita l analisi delle prospettive di redditivit e altre simili 2 1 PROBLEMATICHE COMUNI ALLE TRE FILIERE TERMOCHIMICHE Nel settore delle coltivazioni energetiche una grossa parte delle attivit di ricerca attualmente concentrata sulla valutazione degli aspetti agronomici delle colture energetiche ai fini della fattibilit tecnico economica della intera filiera 1 11 In quasi tutte le regioni italiane per esempio sono in atto progetti di ricerca che attraverso la messa a dimora e la coltivazione di campi sperimentali sono volti a confrontare differenti specie di biomassa da energia Progetti simili sono in corso anche in numerosi altri paesi specie in quelli europei In generale queste attivit di ricerca sono finalizzate ad implementare le conoscenze relativamente a e metodi di coltivazione delle diverse specie in funzione dell areale e adattabilit dei
247. to le specie pi interessanti sembrano il miscanto la canna il pioppo il sorgo e il panico anche se le prime tre presentano costi di impianto molto elevati ma produttivit maggiore delle ultime due In Figura 2 1 e 2 2 sono riportati i risultati di sintesi relativamente alle principali biomasse erbacee e legnose Fra i principali aspetti da approfondire sono inclusi la durata economica delle colture poliennali gli aspetti qualitativi delle biomasse prodotte contenuti di Tab 1 Produzioni ed aspetti qualitativi ed economici delle colture da energia e o calore Erbacee Annuali Sayo 20 25 60 70 16 7 16 9 1 1 000 1 300 zuccherino Erbacee Poliennali Panicum 10 25 40 45 17 0 17 4 400 450 325 480 550 1 350 Comune Miscanto 15 30 40 50 17 6 17 7 4500 5 500 700 815 820 1 550 155 168 300 500 295 40 520 020 Arboree SRF Rae Encaro 5 55 valori riportati sono riferiti a prove parcellari che possono anche notevolmente sovrastimare la produzione reale Potere Calorifico Inferione calore prodotto dalla combustione completa di un materiale al netto del calore assorbito dall acqua contenuta in esso Fonte www ecn nl phyllis single html Non disponibile in letteratura una conoscenza certa sulla durata degli impianti Comprensivo di costi colturali annui pi una quota annua di reintegrazione dell impianto Tale quota annua per Panicum 25 30 Canna 460 530 Miscanto 300 360
248. to gi riportato nei paragrafi precedenti si sta cercando di diversificare le fonti di approvvigionamento di materie prime per la produzione del biodiesel Tra queste alcune sono gi utilizzate nei processi produttivi es oli grassi di scarto oli non commestibili per altre invece si sta ancora operando a livello di ricerca microalghe Palmitic acid C16 0 Il POS gag Stearic acid C18 0 i PLO LLLP FL Oleic acid C18 1 Il gt Nee LS OH Linoleic acid C18 2 O Il FERIE ye Figura 3 5 Struttura chimica dei pi comuni acidi grassi che compongono oli e grassi 3 3 2 2 Oli e grassi alimentari di scarto Gli oli e grassi di scarto costituiscono un importante alternativa per la produzione di biodiesel Fra gli oli vegetali esausti di origine alimentare che possono essere recuperati per la valorizzazione energetica vanno annoverati quelli provenienti dalle lavorazioni industriali da forni e friggitrici e dalle utenze domestiche oli di frittura e oli per la conservazione degli alimenti Essi offrono il vantaggio di essere poco costosi inoltre il loro utilizzo apporta benefici ambientali risolvendo il problema dello smaltimento Si ha infatti una riduzione della produzione di rifiuti e un alleggerimento del carico inquinante in ingresso negli impianti di depurazione delle acque reflue civili Nye et al furono i primi ad utilizzare oli di frittura per produrre metil etil e butil esteri 137 Il problema princi
249. trasformato Kenaf Erbacea Fibra Hibiscus annuale cannabinus L lignocellulose Canapa Erbacea Fibra Legno e annuale fibre Miscanto Erbacea Fibra sminuzzate poliennale chips Canna comune Erbacea Fibra poliennale Fascine di Sorgo da fibra Erbacea Fibra residui annuale Cardo Erbacea Fibra poliennale Panico Erbacea Fibra poliennale Robinia Legnosa Legno poliennale Ginestra Legnosa Legno poliennale Eucalipto Legnosa Legno poliennale Salice Legnosa Legno poliennale Pioppo Legnosa Legno poliennale aITABIA 2004 Le biomasse per l energia e l ambiente Rapporto 2003 Ministero dell Ambiente e della Tutela del Territorio www itabia it 234 Si deduce che la maggior parte delle specie lignocellulosiche a differenza delle colture alcoligene avendo una crescita piuttosto rapida e bassi costi di produzione possono essere ottenute facilmente senza interferire con la produzione alimentare 228 Infatti l utilizzo di biocarburanti liquidi in alternativa ai derivati del petrolio sar praticabile solo se ne sar aumentata la disponibilit ed abbassato il costo Attualmente i costi maggiori derivano dalle materie prime e dalla trasformazione di esse La biomassa da lignocellulosa la materia prima pi 87 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA economica e potrebbe sostenere la crescita del mercato del bioetanolo a livello internazionale Per quanto riguarda la disponibilit
250. ttato 91 Pi EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA v Efficienza di rimozione del substrato Tra i diversi modi di esprimere l efficienza di rimozione del substrato durante il processo di digestione anaerobica i pi utilizzati fanno riferimento alla rimozione in termini di sostanza secca totale o della sua frazione volatile e alla rimozione in termini di COD utilizzato 4 1 4 Parametri per la stabilit del processo La strategia di controllo del processo mira al mantenimento di condizioni operative ottimali e stabili Nel caso del processo di digestione anaerobica la maggior attenzione riposta sul controllo della fase di metanogenesi che la fase limitante dell intero processo anaerobico dal momento che risulta molto sensibile alle variazioni ambientali del mezzo di reazione Particolarmente importanti sono i parametri quali temperatura pH alcalinit rapporto C N concentrazione di acidi grassi volatili VFA produzione e composizione del biogas tossicit dell ambiente di crescita Va comunque messo in evidenza che l analisi di questi parametri deve essere vista nel loro insieme cio la variazione registrata in un singolo parametro risulta difficilmente interpretabile se non accompagnata da un monitoraggio complessivo degli altri parametri v Temperatura l attivit biologica di tipo anaerobico pu avvenire in un ampio intervallo di temperatura tra 5 e 70 C La classificazione pi comuneme
251. ttazione produzione di pellets e bricchette cui vengono sottoposte le biomasse solide al fine di facilitarne il trasporto lo stoccaggio e l impiego In relazione alle caratteristiche intrinseche delle specie vegetali considerate composizione chimica umidit densit etc ed alla tipologia di utilizzo finale combustibile per autotrazione per la produzione di energia termica di energia elettrica etc le filiere di conversione energetica delle biomasse possono presentare configurazioni anche molto diverse fra loro La figura 1 2 riporta in maniera molto schematica le principali filiere di conversione energetica delle biomasse in combustibili disponibili per l utilizzatore finale ovvero in vettori energetici impiegabili in sostituzione dei combustibili fossili convenzionali nel settore dei trasporti e per la produzione di energia elettrica e o di energia termica In particolare le filiere di maggiore interesse sono essenzialmente quelle che si originano da specie vegetali ad elevato contenuto di zuccheri o di amidi a partire dalle quali possibile produrre l etanolo impiegabile come sostituto della benzina nei motori a combustione interna per autotrazione oppure anche per la produzione di energia elettrica e o termica in sistemi di generazione elettrica ad alta efficienza e basso impatto ambientale come turbine a gas motori alternativi a combustione interna e celle a combustibile Tale filiera pu essere implementata ricorrendo a t
252. ttenuto dai residui della distillazione alcolica potrebbe contribuire ad abbassare ulteriormente il prezzo del biodiesel nonch 68 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA a trovare un utilizzo energetico per questo materiale di scarto Dal punto di vista del processo produttivo recenti studi hanno mostrato che tali materie prime possono essere pi facilmente utilizzate se si utilizzano processi enzimatici 152 Inoltre il biodiesel cos ottenuto ha migliori prestazioni alle basse temperature 136 3 3 3 Metodi innovativi di produzione del biodiesel Come gi riportato nel paragrafo 3 3 1 i metodi produttivi attuali basati sulla catalisi omogenea basica o acida presentano diversi svantaggi che vanno in parte a ridurre i benefici che si hanno dall impiego dei biocarburanti Per questo motivo la ricerca scientifica sta effettuando grandi sforzi per mettere a punto processi innovativi che migliorino l efficienza energetica del processo di transesterificazione I processi in studio utilizzano catalizzatori eterogenei che possono essere quindi recuperati e riutilizzati per diversi cicli produttivi Inoltre essi consentono di operare in processi continui con reattori PFR o CSTR Fondamentalmente due tipi di catalizzatori eterogenei sono in fase di studio solidi inorganici basici o acidi e biocatalizzatori lipasi immobilizzate 3 3 3 1 Solidi Inorganici In letteratura riportato un gran numero di sol
253. tti Motori Stirling Il motore Stirling rappresenta una alternativa tecnologica molto promettente nel settore dalla produzione di energia da biomasse su piccola scala 39 43 Una caratteristica molto interessante del motore Stirling rappresentata dal fatto che viene realizzato con potenze anche molto ridotte 10 15 kWe mantenendo comunque rendimenti interessanti Il motore opera secondo un circuito chiuso realizzato attraverso due sistemi cilindro pistone Il fluido operativo viene alternativamente compresso all interno del cilindro a contatto con la sorgente fredda e fatto espandere all interno del cilindro a contatto con la sorgente calda Nel trasferimento da un cilindro all altro il fluido attraversa uno scambiatore rigenerativo che incrementa le prestazioni del ciclo Lo Stirling pertanto un motore alternativo a combustione esterna internamente rigenerato A differenza dei motori alternativi a combustione interna esso pu pertanto utilizzare anche combustibili solidi o di bassa qualit cos come altre fonti energetiche solare a concentrazione per esempio Nel caso delle biomasse tali motori sono pertanto integrati con dei convenzionali sistemi di combustione per combustibili solidi L energia termica prodotta dalla combustione viene trasferita al fluido operativo ad alta temperatura 700 800 C mentre la quota di energia termica non convertita in lavoro viene asportata dall acqua di raffreddamento a circa 30 80 C L
254. ttualmente non presente alcuna ipotesi di impianto industriale L unico stabilimento che avrebbe potuto essere destinato a questo tipo di produzione rappresentato dall oramai ex zuccherificio di Villasor che ha cessato recentemente la produzione in relazione alle direttive della UE nel settore saccarifero La riconversione di questo stabilimento risulta attualmente indirizzata verso la produzione di energia da biomasse lignocellulosiche e oli vegetali ma non prevede l opzione bioetanolo Dato il know how ancora presente nel territorio legato sia alla coltivazione delle barbabietole sia alla loro trasformazione in sostanze zuccherine si potrebbe ipotizzare di utilizzare processi biochimici enzimatici e fermentativi per la produzione di bioetanolo da poliglucidi melassi e dai residui cellulosici delle barbabietole Ovviamente sebbene la ricerca possa essere indirizzata in questa direzione bisogna verificare la fattibilit economica della messa in produzione di un eventuale impianto e della relativa filiera corta Infine per quanto concerne la ricerca e lo sviluppo tecnologico nel settore della produzione del bioetanolo in Sardegna in base alle informazioni raccolte non si ha notizia di gruppi di ricerca operanti nel campo della produzione del bioetanolo a partire da biomasse lignocellulosiche Oli vegetali e biodiesel Oli vegetali e biodiesel sono sostituti di origine naturale del gasolio di origine petrolifera e possono essere utili
255. uare automaticamente le proprie condizioni di funzionamento in relazione al combustibile al fine di mantenere ridotti livelli di emissioni gassose ed elevati rendimenti di combustione In particolare si lavora moltissimo sui sensori per misurare in continuo le concentrazioni di CO HC e O al fine di adeguare con continuit l eccesso d aria alle caratteristiche del combustibile ed al carico La maggiore presenza di ceneri e di elementi come il potassio e il cloro possono essere causa di maggiori sporcamenti e corrosioni Un altra problematica sulla quale si lavora data dallo smaltimento dei maggiori quantitativi di ceneri prodotte Evidentemente in relazione alle sopracitate problematiche un pellet di questo tipo pu essere ottimamente utilizzato oltre che in sistemi di piccola 19 Di EI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA taglia anche in caldaie di maggiori dimensioni nelle quali gli interventi di adeguamento sono pi facilmente implementabili Attualmente esiste un solo impianto di grande taglia alimentato con pellet prodotti da paglie di cereali in Danimarca con un consumo annuo di circa 130000 t Gli impianti di combustione di media e grande taglia alimentati con biomasse cippate sono ampiamente utilizzati in contesti forestali nei quali vi sia una sufficiente disponibilit di residui a basso costo Tali impianti sono competitivi anche laddove si riesca a reperire la biomassa appositamente coltivata e a basso
256. uce significative perdite di energia Ai fini della riduzione delle irreversibilit infatti l ideale sarebbe riuscire a depurare il syngas ad alta temperatura attraverso lo sviluppo di sistemi di depurazione a caldo Poich questa problematica comune ai processi di gassificazione del carbone essa vede impegnate un gran numero di attivit di ricerca e sviluppo un notevole L utilizzo di tali sistemi comporta per elevate perdite di carico cosicch appare pi adatto ai sistemi di gassificazione in pressione utilizzati in impianti IGCC di grande taglia 84 Come detto nei sistemi convenzionali la depurazione dal TAR avviene generalmente mediante un processo di lavaggio scrubbing del syngas con acqua il quale oltre alla introduzione di evidenti irreversibilit ha anche lo svantaggio di produrre un grande quantitativo di reflui liquidi che 39 Di LI sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA introducono poi specifiche problematiche di smaltimento Altre modalit di depurazione del syngas dal TAR sono rappresentate dall impiego di cicloni filtri granulari e precipitatori elettrostatici ad umido che in ogni caso risultano efficaci nei confronti del TAR solo a bassa temperatura sotto 100 C Le attivit di ricerca in atto in questo settore evidenziano come le efficienze di rimozione del TAR di questi sistemi sono mediamente dell ordine del 50 70 mentre quelle del particolato sono di solito superiori al 95 98 Ovvi
257. un contenuto residuo di acqua del 5 Sono stati effettuati diversi studi per trovare un valido sostituto del lievito Saccharomyces cerevisiae Alcuni lieviti come Schizosaccharomyces pombe presentano il vantaggio di tollerare pressioni osmotiche elevate alta quantit di sali e alto contenuto di solidi 213 214 Un processo di fermentazione che utilizza questo tipo di lievito stato gi brevettato 215 Tra i batteri il pi promettente il microrganismo Zymomonas Mobilis che d una resa elevata di etanolo fino al 97 anche se la gamma di substrati che pu fermentare ristretta a glucosio fruttosio e saccarosio 216 Altri svantaggi derivanti dall uso di questo batterio nella fermentazione della canna da zucchero la formazione del polisaccaride a base di fruttosio levan gum che aumenta la viscosit del brodo di fermentazione e di sorbitolo ottenuto dalla riduzione del fruttosio che diminuisce l efficienza della conversione del saccarosio in etanolo 217 3 4 1 3 Bioetanolo da materiali amidacei L amido un polisaccaride complesso Figura 3 11 composto da due polimeri l amilosio che ne costituisce circa il 20 e l amilopectina circa 1 80 In entrambi i casi si tratta di polimeri del glucosio che si differenziano l uno dall altro per la struttura L amilosio un polimero lineare che tende ad avvolgersi ad elica in cui le unit di glucosio sono legate tra loro con legami glicosidici a 1 4 Una macromol
258. una sezione presenta problematiche e livelli di sviluppo tecnologico differenti In particolare per quanto concerne la sezione di gassificazione vera e propria le attivit di ricerca e sviluppo sono fondamentalmente mirate a migliorare il grado di automazione e di affidabilit ridurre la presenza di tar nel syngas prodotto oltre che migliorare il rendimento del processo e ridurre i costi Le problematiche di maggiore rilievo della sezione di depurazione sono senz altro quelle di garantire adeguati livelli di depurazione da tar e particolato in maniera tale da proteggere da fenomeni di sporcamento corrosione e ostruzione le apparecchiature a valle Infine le ricerche nell ambito della sezione di conversione energetica mirano fondamentalmente a migliorare il rendimento di generazione elettrica attraverso la ricerca di nuove configurazioni impiantistiche ed il miglioramento di quelle esistenti 2 3 1 La sezione di gassificazione Un processo di gassificazione realizza la conversione dei composti organici del combustibile primario in gas di sintesi attraverso lo sviluppo di reazioni chimiche con ossigeno alimentato puro o pi spesso nel caso degli impianti a biomassa sotto forma di aria e vapor d acqua Il gas di sintesi cos prodotto costituito da una miscela contenente principalmente CO CO2 H2 H20 CH e nel caso di gassificazione con aria Nz nonch altri elementi perlopi indesiderati H2S COS NH HCl TAR polveri etc Ovvia
259. uropea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA amp SARDEGNA RICERCHE Tabella 3 4 Produzione di biodiesel a partire da diverse materie prime trigliceridi e alcoli utilizzando differenti lipasi in processi continui o discontinui Olio Alcol Lipasi da Tipo di Conversione c o Rif Grasso processo resa r mol o m Etanolo Pseudomonas Batch 82 r 171 fluorescens Metanolo Pseudomonas Batch a tre gt 90 172 fluorescens stadi Olio di girasole Metanolo Candida antarctica Reattore a 97 c 173 Membrana Etanolo Mucor miehei Batch 83 r 174 Etanolo Porcine pancreatic Batch 81 r 175 Metanolo Rhizomucor miehei Batch a tre gt 80 c 176 stadi Metanolo Pseudomonas Batch 60 r 177 cepacia Metanolo Candida antarctica Batch a tre 97 r 178 stadi Olio di soia Metanolo Thermomyces Batch 80 90 r 179 lanuginosa continuo Metanolo Thermomyces Batch a tre 94 r 180 lanuginosa stadi Metanolo Pseudomonas Batch 67 r 181 Etanolo cepacia Metanolo Rhizopus oryzae Batch 80 r 182 Olio di soia Metanolo Candida antarctica Batch a tre 93 8 c 183 raffinato stadi Miscela di oli di Metanolo Candida antarctica Batch a tre 98 4 c 184 soia e colza stadi Metanolo Candida antarctica 3 reattori a 93 r 185 letto impaccato Trioleina Miscela di Pseudomonas Batch 100 c 152 alcoli cepacia superiori Olio di guscio di Pseudomonas Batch 72 c 186 palma e di noce Etanolo cepacia di
260. ustibile tempo di residenza etc Le attivit di ricerca condotte fino ad oggi hanno evidenziato come la concentrazione di TAR tenda a ridursi all aumentare della temperatura operativa oltre 800 900 C della pressione fino a circa 10 20 bar e dei rapporti ossigeno combustibile e vapore combustibile In questo ambito risulta molto interessante approfondire l effetto della gassificazione utilizzando CO2 come agente gassificante la cui presenza sembra favorire la conversione delle biomasse e l aumento della concentrazione di H2 e CO Una opportuna scelta dei parametri operativi consente di ridurre oltre al TAR anche la formazione di char ovvero carbonio incombusto 71 72 Fra le diverse opzioni allo studio per migliorare le prestazioni del sistema di gassificazione inclusa la co gassificazione delle biomasse con carbone I vantaggi della co gassificazione sono simili a quelli precedentemente evidenziati per la co combustione e consentono tra l altro di ridurre i problemi legati alla reperibilit di sufficienti quantitatibi di biomasse ed ai fattori di stagionalit Peraltro anche il livello qualitativo del syngas migliora notevolmente si riduce la formazione di TAR e char 73 75 Alcuni gruppi di ricercatori hanno dimostrato che l iniezione nel gassificatore di additivi come il calcare e la dolomite in grado di favorire la conversione del char e ridurre la concentrazione di TAR migliorando le prestazioni del processo di gassi
261. ustione in quanto viene prodotto in carenza di ossigeno Maggiore il quantitativo emesso maggiori sono i problemi nella combustione Il biodiesel in miscela al 20 emette mediamente il 15 in meno di CO La miscela E10 benzina contenente il 10 di etanolo riduce il CO del 25 I biocarburanti hanno un contenuto di zolfo praticamente nullo il che azzera le emissioni di anidride solforosa 502 e migliora l efficienza del sistema di controllo catalitico delle emissioni 56 te RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 3 2 OLI VEGETALI Gli oli vegetali estratti da specie oleaginose es colza e girasole sono a tutti gli effetti e senza ulteriori modifiche dei combustibili e come tali possono trovare un impiego nel settore energetico analogamente a quanto avviene per i combustibili liquidi di origine fossile L uso di oli vegetali come carburante per motori diesel un concetto vecchio quanto l invenzione dello stesso motore diesel All Esposizione Universale di Parigi del 1900 Rudolf Diesel present ufficialmente un motore di sua invenzione che utilizzava olio di arachidi come carburante 129 Da allora il motore denominato diesel in onore al suo inventore stato sviluppato sino ai giorni nostri anche se alimentato dal gasolio di origine petrolifera Il motivo per il quale l uso degli oli vegetali tal quali per l autotrazione allo stato attuale escluso dovuto alla loro elevata viscosit ci
262. uzione dell energia elettrica 148 149 Con un semplice impianto di coltivazione di microalghe in acqua costituito da i vasche di coltivazione delle alghe esposte al sole ii impianto di spremitura a freddo delle alghe iii impianto di macinatura degli scarti da spremitura delle alghe si possono effettuare contemporaneamente i seguenti processi 146 e produzione di olio per biocarburanti e produzione di fertilizzanti naturali e trattamento acque inquinate Due impianti pilota con caratteristiche simili sono stati implementati in Olanda a cura del Kluyvercentre 103 Con un impianto del genere localizzato per esempio allo sbocco delle acque reflue in mare sarebbe possibile trattare acque di scarto da impianti industriali metalli pesanti acque di scarto da coltivazioni agricole a concimazione chimica i composti azotati velocizzano la crescita delle alghe ed acque di scarto da impianti di allevamento bestiame es deiezioni di maiali e pollame Le stesse alghe arrivate al termine del processo di crescita verrebbero spremute in loco e come risultato si avrebbe olio e biomassa di scarto che opportunamente triturata si potrebbe usare come fertilizzante naturale In Nord Carolina stato costruito un impianto da 140 milioni di dollari in cui si fanno crescere le alghe in enormi fermentatori si estrae l olio lo si purifica e lo si vende per essere usato in molte produzioni compreso il biodiesel Le sue proteine g
263. verso l applicabilit della digestione anaerobica agli interventi di bonifica ad es di acque di falda e questo in considerazione del fatto che molto spesso i costi associati ai processi di bioremediation dei siti inquinati sono pi bassi rispetto a quelli dei processi chimico fisici Altro tema tra i pi studiati quello del ricorso alla digestione anaerobica quale processo da utilizzare in combinazione con altri processi siano essi biologici di tipo aerobico o chimico fisici per trattare rifiuti particolari Peraltro l analisi dei risultati dell indagine ricognitiva sulle installazioni di impianti alimentati con biomasse evidenzia che rispetto alle altre regioni italiane in Sardegna si riscontra la presenza di diversi impianti per la produzione di biogas La situazione almeno dal punto di vista numerico sembra destinata a migliorare in quanto in Sardegna si registra un elevato potenziale energetico derivabile in particolare dai reflui delle aziende zootecniche valutato in 94 GWh anno di energia elettrica Gli impianti presenti in Sardegna aziendali comunali o consortili sono di tipo convenzionale con reattori continui monostadio che operano in regime mesofilo e con riscaldamento I bioreattori utilizzati sono sia del tipo a miscelazione che con flusso a pistone Per l accumulo del biogas vengono adottati sia gasometri con camicia pneumatica che gasometri separati dal bioreattore Un aspetto importante da evidenziare che alcu
264. via il raggiungimento effettivo di un tale traguardo richiede ancora una notevole attivit di ricerca e sviluppo se solo si pensa che a livello mondiale sono stati realizzati solo pochi impianti BGCC di grande taglia e che ancora non si arrivati a definire quale tecnologia possa garantire il miglior compromesso fra efficienza e costi Per esempio l impianto di Varnamo in Svezia basato su un gassificatore a letto fluido in pressione circa 22 bar alimentato con aria e dotato di un sistema di depurazione dei gas ad alta temperatura filtri in materiale ceramico Tale impianto ha una potenza elettrica netta di 6 MWe una potenza termica di 9 MWt e un rendimento netto del 32 esso ha operato dal 1996 al 2000 e risulta attualmente in fase di riconversione per la produzione di combustibili liquidi derivati da syngas 93 Il pi grande impianto brasiliano circa 32 MWe con un rendimento del 40 opera invece con un gassificatore atmosferico e con un sistema di depurazione a freddo In altri casi si opera con ossigeno invece che con aria 89 94 95 Nel caso di impianti di minore taglia considerazioni di ordine economico consigliano l impiego di turbine a gas in ciclo semplice o in ciclo misto In particolare per gli impianti di minore potenza appaiono molto interessanti le cosiddette microturbine a gas MGT ovvero macchine di recente comparsa sul mercato caratterizzate da potenze elettriche dell ordine di 30 150 kWe e rendimenti elett
265. vocabile effetto in termini di miglioramento del processo di digestione anaerobica Inoltre gli esperimenti di lisciviazione sulla frazione organica dei RSU dimostrano che flussi di calore accelerare l idrolisi e l acidificazione 255 La temperatura influenza in maniera significativa il processo di digestione anaerobica specialmente la fase metanogenica in cui il tasso di degradazione aumenta con essa Le temperature di reazione aventi attivit massima sono mesofiliche 25 40 C e termofiliche 40 65 C 256 I microrganismi che operano nel range mesofilico sono pi resistenti e possono tollerare maggiori cambiamenti nei parametri ambientali rispetto a quelli che operano nelle condizioni termofiliche La stabilit del processo mesofilico lo rende pi popolare negli impianti di digestione anaerobica in esercizio per il fatto che i batteri termofilici sono pi sensibili a fluttuazioni di temperatura e di concentrazione di sostanze tossiche al di fuori dei range ottimali 257 Nel processo di digestione anaerobica combinata si possono individuare tre fasi principali Fase preliminare gli acidi grassi volatili VFA e gli altri composti organici disciolti prodotti dai rifiuti freschi vengono flussati nel percolato Sono stati utilizzati diversi tipi di flussaggio e micro aerazioni per ottimizzare il processo di idrolisi acidificazione a temperatura ambiente Fase metanigena la produzione di biogas stata condotta a temperature mesofil
266. zione condotta con alcuni tipi di reattori ibridi in cui il materiale di riempimento costituito da materiale spugnoso in grado di offrire un ottimo supporto ai microorganismi In questo caso anche la zona impaccata diviene attiva dal punto di vista della digestione Un applicazione di questo tipo di reattore stata fatta a livello sperimentale per il trattamento combinato digestione anaerobica denitrificazione in un impianto di trattamento misto anaerobico aerobico In questo caso il materiale di riempimento localizzato nella parte alta del reattore funge da supporto per i batteri denitrificanti che agiscono sul refluo proveniente dall impianto aerobico il quale viene introdotto nel reattore subito al di sotto dell impaccamento 246 106 Ea Da RICERCHE Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA 4 3 SUBSTRATI UTILIZZABILI PER LA DIGESTIONE ANAEROBICA Secondo il decreto legislativo 29 dicembre 2003 n 387 con il termine biomassa si indica la parte biodegradabile dei prodotti rifiuti e residui provenienti dall agricoltura comprendente sostanze vegetali ed animali e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse nonch la parte biodegradabile dei rifiuti industriali ed urbani Questa definizione di biomassa riunisce un ampia categoria di materiali di origine vegetale e animale compresa la parte biodegradabile dei rifiuti 247 Da una prima distinzione risultano le materie prime colture dedicate arboree ed erbacee ecc
267. zione microbica di resa di trasformazione in biogas in relazione al volume del digestore ed alle caratteristiche del substrato organico trattato Quest ultimo parametro pu essere espresso in diversi modi in termini di contenuto di solidi o di sostanza secca nelle loro componenti totali ad es solidi totali TS o sostanza secca totale TSS o nella componente volatile ad es solidi volatili VS oppure sostanza organica OS o ancora in termini di richiesta chimica di ossigeno COD o di richiesta biologica di ossigeno BODs I parametri per la gestione del reattore sono qui riportati e definiti v Tempo di residenza idraulico HRT dato dal rapporto tra il volume del reattore considerato e la portata volumetrica dell alimentazione al reattore v Tempo di residenza dei fanghi SRT rappresenta il tempo che mediamente i fanghi risiedono all interno del reattore quindi espresso col rapporto tra la massa totale di solidi volatili presenti all interno del reattore e la portata di solidi evacuata dal reattore v Carico organico CF definito come la portata massica di substrato in ingresso al reattore riferita alla massa di solidi volatili all interno del reattore v Produzione specifica di gas SGP indica la quantit di biogas prodotta per quantit di sostanza volatile alimentata al reattore Si esprime in termini di M biogas K substratoalimentato Questo viene di norma correlato alla biodegradabilit del substrato tra
268. zione termica della biomassa diffusa da diversi millenni nella sua versione destinata alla produzione di carbone di legna Come precedentemente illustrato infatti la pirolisi consiste in una degradazione termica condotta ad una temperatura pi bassa della gassificazione 400 700 C e in assenza di ossigeno I prodotti della trasformazione sono costituiti da prodotti gassosi liquidi il tar e solidi il char Il rapporto relativo fra questi componenti varia secondo il sistema di pirolisi adottato Ad esempio nella pirolisi lenta si produce essenzialmente char mentre nella pirolisi veloce il prodotto principale costituito da combustibili liquidi Un aspetto importante dato dal fatto che il processo endotermico E quindi necessario utilizzare almeno una parte del combustibile prodotto per il sostentamento dell intero processo Il vantaggio principale della pirolisi la possibilit di trasformare combustibili a bassa densit energetica paglia segatura rifiuti in un combustibile a pi alta densit sia esso liquido o solido Gli ambiti di studio sui quali indirizzare le attivit di ricerca sono molteplici In particolare relativamente alle biomasse disponibili in Sardegna sembra necessario caratterizzarne il comportamento quando sono sottoposte ai diversi processi di pirolisi Molto importante pare inoltre lo studio delle integrazioni nell uso delle diverse frazioni combustibili prodotte Ad esempio in alcuni casi pirol
269. zzati sia come combustibile per veicoli ma anche per la produzione di energia elettrica a livello industriale per alimentare gruppi elettrogeni impianti di riscaldamento etc Tuttavia la quantit di oli vegetali idonei realmente disponibile o comunque realizzabile potenziando le colture permetterebbe di produrre una 156 si sanprona Unione Europea REGIONE AUTONOMA DELLA SARDEGNA quantit di bioolio e biodiesel decisamente insufficiente al fabbisogno anche della stessa Sardegna e degli impianti petroliferi presenti SARAS spa Inoltre a seguito dell aumentata richiesta di oli vegetali per la produzione di biodiesel a livello mondiale si registrato un aumento della coltivazione di piante oleaginose a discapito di colture primarie quali il grano il frumento il mais etc con possibili problemi di disponibilit sul mercato e quindi anche di costo In tal senso di particolare interesse risulta una produzione di trigliceridi che permetta da un lato di ottenere quantit adeguate degli stessi e dall altro che preveda una biomassa di base alternativa alle piante oleaginose finora usate quali in particolare le alghe marine Per quanto concerne poi i processi di produzione del biodiesel si ampiamente discussa nei paragrafi precedenti la necessit di apportare innovazione di processo che consentano l eliminazione dei sottoprodotti indesiderati con la conseguente semplificazione dell impianto e la riduzione dei costi energe

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