Impianto per la produzione di bioetanolo e zucchero.

In questo stabilimento francese si producono 150 tonnellate di zucchero e 200 ettolitri di bioetanolo all'anno, oltre alla polpa di barbabietola disidratata e pressata per l'industria dei fertilizzanti

Esempi della quantità di etanolo ottenibile con le tecnologie standard per ettaro di coltura

L'alcool metilico o spirito di legno o carbinolo o metanolo, di formula CH3OH, venne scoperto nel 1661 da Boyle nei prodotti di distillazione del legno. Nel 1812 Taylor notò che le proprietà chimiche dell'alcool metilico e quelle dell'alcool etilico erano molto simili. Da qui la frode alimentare che portò all'uso del metanolo nella vinificazione, con esiti spesso mortali. Nel 1835 Dumas e Péligot ne determinarono la costituzione. In natura si trova sotto forma di estere: salicilato nell'essenza di fiori di arancio; oppure come etere con numerosi fenoli (eugenolo, vanillina, ecc.). L'alcool metilico era ottenuto industrialmente per distillazione secca del legno. Il distillato, detto acido pirolegnoso, contiene il 3-5% di alcool metilico la cui separazione è molto laboriosa. Attualmente tutto l'alcool metilico si ottiene per idrogenazione dell'ossido di carbonio secondo la reazione CO+2H2DCH3OH. Bisogna operare a 350-400 °C e a circa 200 atm. in presenza di ossido di cromo e ossido di zinco. Il prodotto così ottenuto è puro e le rese sono pressoché quantitative. Il metanolo è un liquido mobile che bolle a 67 °C, miscibile in acqua e in numerosi solventi. Industrialmente viene impiegato come solvente per la produzione di eteri metilici degli acidi organici e inorganici. Per ossidazione con aria in presenza di rame o argento dà la formaldeide. 

L’utilizzazione del gas di gasogeno quale vettore energetico pone alcune limitazioni legate essenzialmente ai problemi connessi con il suo immagazzinamento e trasporto, causa il basso contenuto energetico per unità di volume. Ciò fa sì che risulti eccessivamente costoso il trasporto su lunghe distanze.

Tali inconvenienti possono essere superati trasformando il gas in alcool metilico che può essere agevolmente utilizzato per l’azionamento di motori.

Il metanolo, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica che può essere paragonata alle benzine tradizionali, oppure impiegato nella produzione del biodiesel

Dopo la crisi energetica, la necessità di sostituire il petrolio con combustibili alternativi ha risvegliato notevoli interessi verso l'uso energetico dell'alcool metilico o metanolo, specie nel settore dei trasporti dove può essere usato puro o mescolato alla benzina, senza porre eccessivi problemi di riprogettazione dei motori, oppure nelle centrali termiche o con tecnologie avanzate (ad esempio nelle pile a combustibile, in sostituzione dell'idrogeno). Fino agli anni Settanta tutto Il metanolo commercializzato nel mondo è stato ricavato da sintesi (CO+H2) o da gas naturale. Dopo la crisi energetica, vi è stata una notevole ripresa d'interesse per la produzione di metanolo a partire dalla biomassa. Il processo per la produzione di metanolo rappresenta una fase successiva, per esempio, al trattamento delle sostanze di rifiuto per via biologica. In un altro tipo di trattamento, per esempio del gas d'acqua, miscela di CO, CO2 e H2 a partire da carbone e acqua, il gas è raffreddato, depurato dagli inerti e dai componenti dello zolfo e introdotto in un reattore intermedio per aumentare il rapporto fra idrogeno e ossido di carbonio, mediante la reazione H2O+CO -> H2+CO2. Il prodotto risultante è infine immesso in un convertitore dove, in presenza di catalizzatori, avviene la reazione esotermica principale CO + 2H2 -> CH2 OH. In questo passaggio circa l'80% del valore energetico del gas iniziale viene trasferito al metanolo. Il rendimento del processo di liquefazione per gli impianti attualmente commercializzati, con gassificatori ad aria e del tipo a letto fisso, è del 35÷38%. Tuttavia la notevole attività di ricerca e sviluppo sul processo di gassificazione con ossigeno a letto fluido condotto sia in Germania sia negli USA ha messo a punto processi con rendimenti superiori al 50%. Un impianto americano, che utilizza tali processi, produce 428 t/giorno di metanolo partendo da 910 t/giorno di materiale lignocellulosico.

Una ditta tedesca sta per mettere in commercio un "generatore" da 1 kW con relative "cartucce" di metanolo da 250ml, omologate per essere trasportate anche in aereo, il costo sembra poter essere competitivo, l'autonomia è fino a 5 volte maggiore delle più moderne batterie ad accumulo (per ogni ricarica)

L'ultima proposta della stessa ditta , in compartecipazione, vuole commercializzare un sistema integrato per alimentare i portatili con una autonomia che dipende dalle ricariche di scorta: una cartuccia da 125ml (un bicchiere) ha una autonomia per 7 ore di lavoro continuo

La Daimler Chrysler ha sviluppato una tecnologia che usa il metanolo per risolvere il problema dell'accumulo di idrogeno in modo da renderlo disponibile "al distributore" senza dover creare una apposita rete di distribuzione.

Il metanolo viene "volatilizzato" insieme ad acqua ed inserito nel "reformer". Qui, la miscela viene in contatto con un catalizzatore (della Basf ) a base di ossido di rame ed altri ossidi di metallo . Ad una temperatura di funzionamento che varia da 200°C a 350°C, il metanolo e l'acqua sono convertiti in idrogeno ed in anidride carbonica.Questa miscela di gas "attiva" una fuel cell per ottenere l'energia elettrica.Questo processo genera meno anidride carbonica dei motori a combustione interna.
Il prototipo è dotato del reattore ATR (Reformer AutoTermico). In questo "dispositivo d'avviamento" il metanolo, insieme ad acqua e ad aria, è riformato parzialmente in idrogeno e parzialmente "combusto". Ciò porta rapidamente il sistema d' avviamento alla giusta temperatura di funzionamento, come con i veicoli diesel nel passato.

E' chiamata "Necar5", ha una autonomia di 500 Km e una velocità superiore ai 150Km/h

La coltivazione di colture adeguate, con alto valore lignocellulosico, permetterebbe di supplire all'attuale domanda di petrolio e gas utilizzando meno del 10% del terreno disponibile per tali colture, alcune specie vegetali non abbisognano di terreni particolarmente fertili, non richiedono diserbanti e hanno bisogno di modeste quantità d'acqua, praticamente solo quella delle precipitazioni atmosferiche.
 

In Sudafrica degli scienziati ritengono che si possa ottenere metanolo in abbondanza e a costi contenuti con una tecnologia biochimica che utilizza specifici batteri anaerobici.

Il Biodiesel è un prodotto naturale utilizzabile come carburante in autotrazione e come combustibile nel riscaldamento, con le caratteristiche indicate rispettivamente nelle norme UNI 10946 ed UNI 10947.

• è rinnovabile, in quanto ottenuto dalla coltivazione di piante oleaginose di ampia diffusione;
• è biodegradabile, cioè se disperso si dissolve nell’arco di pochi giorni, mentre gli scarti dei consueti carburanti permangono molto a lungo;
• garantisce un rendimento energetico pari a quello dei carburanti e dei combustibili minerali ed un’ottima affidabilità nelle prestazioni dei veicoli e degli impianti di riscaldamento.

Si ottiene dalla spremitura di semi oleoginosi di colza, soia, girasole ecc.. e da una reazione detta di transesterificazione , che determina la sostituzione dei componenti alcolici d’origine ( glicerolo ) con alcool metilico ( metanolo ).

Le materie prime necessarie sono olii vegetali, anche usati, aspetto questo che rende molto interessante l' utilizzo del biodiesel.                                      

• Il Biodiesel è una fonte energetica rinnovabile e come tale comporta anche un ciclo produttivo che interessa altri settori come l’agricoltura.
• Parte dell’olio da trasformare può essere fornito da paesi del Centro- est Europa (futuri paesi UE) che dispongono di immense superfici scarsamente utilizzate. Se destinate a queste produzioni non genererebbero ulteriori eccedenze in ambito
Comunitario.
• le zone povere del nostro territorio, (terreni marginali) in passato adibite a coltivazione ed attualmente abbandonate, potrebbero fin da subito specializzarsi nella produzione di semi di colza, soia e girasole, dando così nuove opportunità al mercato del lavoro locale.
Può essere anche ottenuto da olii vegetali usati, il cui recupero è stato disciplinato dal DLgs 5 febbraio 1997, n° 22.
Questo consente di sottrarre definitivamente gli olii vegetali usati dal circuito
dell’alimentazione zootecnica o da utilizzi ancora più pericolosi per la salute umana.

La sua produzione è del tutto ecologica, poiché non presuppone la generazione di residui, o scarti di lavorazione. La reazione di transesterificazione prevede la generazione di glicerina quale “sottoprodotto” nobile dall’elevato valore aggiunto, della quale sono noti oltre 800 diversi utilizzi.

L'utilizzo può essere diretto poiché non richiede alcun tipo d’intervento sulla produzione dei sistemi che lo utilizzano (motori e bruciatori).
• Nell’autotrazione (motori diesel) sia puro che miscelato con il normale gasolio.
• Nel riscaldamento.

Il Biodiesel nel riscaldamento può essere utilizzato direttamente sugli impianti esistenti, sia puro (al 100%) che in miscela con gasolio in qualsiasi proporzione.

Approssimativamente è possibile stabilire che l’estrazione/ coltivazione dell’olio di semi richiede circa il 41% dell’energia dell’intero processo, la raffinazione ne richiede il 23%, mentre la transesterificazione ne richiede il 5% ed il restante 31% rappresenta il contenuto energetico del metanolo.

Il bilancio energetico per la produzione di Biodiesel è riportato nella tabella seguente basandosi sul confronto di 26 studi disponibili in letteratura ( Sharmer & Gosse , 1996).

Le variabilità dei valori dipende dalla raffinatezza del processo produttivo adottato.
Trattandosi di una fonte energetica rinnovabile il bilancio risulta essere sempre più che positivo.
Importantissimo inoltre il contributo ai fini energetici dei “sottoprodotti” che già da soli renderebbero il processo vantaggioso.
Nel caso di impiego di olii usati, i vantaggi sono ulteriormente amplificati.

Emissioni di Gas (effetto serra)

In uno dei più completi studi sulle fonti energetiche, realizzato da Sheehan e colleghi (1998) sono emersi molti aspetti vantaggiosi nella valutazione del Biodiesel come valida fonte di energia rinnovabile:

• Il bilancio energetico nel life- cicle è di soli 0.31 unità di energia fossile per produrre 1 unità di Biodiesel.
• Le emissioni di CO2 nel suo ciclo di vita sono particolarmente basse ( una riduzione del 78% rispetto al gasolio fossile), suggerendone un utilizzo urbano.
• Le emissioni di particolato risultano essere complessivamente il 32% di quelle del gasolio (il particolato sotto ai 10 µm - altamente nocivo - inferiore del 68%).
• Il monossido di carbonio CO è il 35% rispetto al gasolio.
• Gli ossidi di zolfo SOx non superano mai l’8% rispetto al gasolio.
• La quasi totale assenza di zolfo e le sue proprietà chimico- fisiche suggeriscono l’impiego del Biodiesel come additivo al gasolio fino a specifiche ULS (Ultra Low Sulfur).

Conclusioni

• Da tutti gli studi ed i dati emerge quanto sia vantaggioso e auspicabile l’utilizzo di fonti energetiche PULITE e RINNOVABILI come il Biodiesel.
• Il Biodiesel oltre ad essere pulito ed economicamente conveniente, rappresenta una valida via per la differenziazione delle fonti energetiche, essendo in proposito l’Italia il fanalino di coda della UE.
• In ultimo, ma non per importanza, è bene porre l’attenzione sul valore dei “sottoprodotti” dell’intero processo di produzione che, anzichè imbarazzanti e scomodi scarti di lavorazione, costituiscono coprodotti nobili dall’alto valore aggiunto, sia in termini energetici che economici.

Biogas a Stoccolma

L’uso del biogas prodotto localmente è un esempio di un processo energetico a catena chiusa. 

La città di Stoccolma sviluppò inizialmente impianti per la produzione di biogas per ridurre la generazione di gas responsabili dell’effetto serra, provenienti dalle discariche e dagli impianti fognari. Adesso, il biogas viene purificato ed utilizzato come carburante sostituendo circa 360.000 litri di benzina all’anno.

Dal 1997 la quantità di biogas annualmente venduta a Stoccolma è più che triplicata, portandosi a più di 180.000 Nm3 L’utilizzo di questa quantità di biogas fa risparmiare ogni anno 850 GJ di energia da combustibili fossili. A partire dal 2001, a Stoccolma saranno prodotti circa 4,5 milioni Nm3 di biogas sufficienti per alimentare 3.000 auto.

Dal 1 gennaio 2001 i camion della Migros (la più grossa catena di supermercati della svizzera, che non vende sigarette o alcool ) fa girare i propri camion a biogas prodotto con i resti dei propri ristoranti, supermercati, impianti di produzione

Distributore di metano da biogas a Stoccolma

 Volvo S60

 Volvo V40

In Svezia alcune Volvo di serie possono essere rifornite a biogas-metano

• sviluppare processi e tecnologie per la produzione di biocarburanti liquidi (etanolo) da destinare alla produzione di H₂ per autotrazione on board;

• sviluppare processi e tecnologie per la produzione di idrogeno mediante reforming catalitico di oli di pirolisi;

• sviluppare, mettere a punto e caratterizzare un processo di gassificazione a vapore di biomasse per la produzione di syngas ad alto contenuto di idrogeno per la generazione distribuita di energia elettrica mediante celle a combustibile;

• sviluppare processi e tecnologie di separazione dell’idrogeno dal gas prodotto da impianti di gassificazione che sfruttano differenti tecnologie.

Le attività ENEA previste, svolte presso il Centro Ricerche Trisaia, sono così articolate:

• ottimizzazione dei processi di pretrattamento delle biomasse, dell’idrolisi enzimatica e della fermentazione per rendere competitiva la produzione di etanolo mediante processi biologici;

• upgrading degli oli ottenuti dalla pirolisi delle biomasse mediante stabilizzazione del prodotto;

• messa a punto di differenti tecnologie per la gassificazione da biomasse con produzione di syngas ad alto tenore di idrogeno;

• sviluppo di tecnologie innovative per il cleaning e l’arricchimento in idrogeno del syngas prodotto;

• sperimentazione dell’integrazione dell’impianto di gassificazione con cella combustibile a carbonati fusi (MCFC).

Una delle possibilità più concrete per ridurre i costi è l’utilizzo delle parti lignocellulosiche delle piante (fusto, foglie ecc.) che spesso costituiscono un residuo delle coltivazioni e processi industriali. L’etanolo prodotto può a sua volta essere utilizzato in motori a combustione interna, miscelato con la benzina o sotto forma di ETBE.

Un’altra possibilità consiste nella produzione on board di idrogeno e utilizzazione in celle a combustibile, eliminando quindi tutti i problemi connessi allo stoccaggio dell’idrogeno.

La produzione di biocombustibili gassosi rende molto più versatile l’impiego delle biomasse e permette di utilizzarle direttamente in motori a combustione interna e in cicli combinati, con sensibili incrementi dei rendimenti energetici di conversione e con possibilità di produrre direttamente energia elettrica per potenze e richieste specifiche.

In particolare la gassificazione con ossigeno e/o vapore permette di produrre gas ad alto tenore di idrogeno che si presta ad essere utilizzato anche in celle a combustibile e/o per la produzione diretta di idrogeno.