Bioenergie E Biocombustibili PDF

BIOENERGIE E BIOCOMBUSTIBILI Roberto Bassi; Stefano Cazzaniga; Edoardo Andrea Cutolo Anno 2023/2024 LEZIONE 1 – 2/10/23 La bioenergia è definita come l'energia fornita dagli organismi fotosintetici sottoforma di biomassa, in alternativa ai materiali incorpora...

BIOENERGIE E BIOCOMBUSTIBILI Roberto Bassi; Stefano Cazzaniga; Edoardo Andrea Cutolo Anno 2023/2024 LEZIONE 1 – 2/10/23 La bioenergia è definita come l'energia fornita dagli organismi fotosintetici sottoforma di biomassa, in alternativa ai materiali incorporati in formazioni geologiche e trasformati in fonti fossili. 🡪 Energia ottenuta da biomasse, quindi da fotosintesi (CO2 🡪 C organico). La bioenergia può anche servire come alternativa ai combustibili fossili rinnovabili. La bioenergia è una fonte di energia rinnovabile versatile, che può essere convertita in carburanti equivalenti a carburanti a base fossile, tra cui carburante per aerei, benzina e diesel. «combustibili da biomassa»: combustibili solidi e gassosi prodotti dalle biomasse. «biocarburanti»: carburanti liquidi per il trasporto ricavati dalla biomassa. Direttiva (UE) del 2018 comprende energia da fonti rinnovabili, non fossili: energia eolica, solare (solare termico e fotovoltaico) e geotermica, energia dell'ambiente, energia mareomotrice, del moto ondoso e altre forme di energia marina, energia idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas. La biomassa è la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti, e residui di origine biologica. Può essere proveniente da agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), silvicoltura e industrie connesse, pesca e acquacoltura, parte biodegradabile dei rifiuti (compresi rifiuti industriali e urbani di origine biologica). Ci sono vari tipi di energia. Si suddivide in fonti rinnovabili e non rinnovabili: Fino al 1780 il legno era il combustibile primario, si usavano vento e acqua per i mulini, la forza lavoro era fornita da esseri umani e animali, il fabbisogno di cibo, materiali, beni di consumo ed energia erano forniti da materie prima e fonti rinnovabili. Dopo il 1780 cambia tutto con l’introduzione dei combustibili: uso di energia fossile che su basa sulla combustione. La combustione è il processo chimico attraverso il quale un materiale reagisce con l’ossigeno producendo calore, un movimento (es: spostamento dei veicoli), o un’altra forma di energia (es: elettricità) e sostanze gassose calde. Perché si svolga la combustione è necessaria la presenza concomitante di tre elementi: il combustibile (brucia, es. legna) è il materiale in grado di combinarsi chimicamente con l’ossigeno (o altra sostanza) con emissione di energia termica; il comburente è la sostanza che alimenta la combustione mediante ossidazione del combustibile, es. ossigeno; una sorgente che rilascia un adeguato valore di energia termica e che è in grado di dare avvio al processo di combustione. Energie di origine fossile L'energia fossile è l'insieme di risorse energetiche derivanti dal processo di trasformazione delle sostanze organiche ricche di carbonio, in particolar modo vegetali sepolte milioni di anni fa in un ambiente privo di ossigeno. Le principali fonti di energia fossile sono: ⮚ Carbone Bruciando carbone, uso il vapore per muovere una macchina che genera lavoro. Si ha quindi una trasformazione di combustione del calore in lavoro meccanico. Il carbone ha dominato lo scenario energetico mondiale dalla seconda metà del diciottesimo secolo (con l’introduzione della macchina a vapore) fino al 1970 e nel 2012 copriva ancora il 29% del totale dei consumi primari di energia. In Europa si sta via via abbandonando. Il carbone (o carbon fossile) è un combustibile fossile formatosi tra i 570 e i 225 milioni di anni fa in seguito ad un lento processo di trasformazione. Il carbone proviene, infatti, dalla fossilizzazione di foreste che, per effetto dei movimenti della crosta terrestre, si sono depositate sul fondo di paludi e acquitrini. Hanno formato uno strato di materiale organico compatto detto torba, sul quale, nel tempo, si sono accumulati numerosi strati di detriti trasportati dai fiumi. Nel corso dei secoli, tali masse vegetali, per effetto del calore, della pressione e dei microrganismi si sono fossilizzate, hanno cioè perso a poco a poco l’ossigeno e l’idrogeno che contenevano trasformandosi in minerali. In base al periodo di formazione possiamo distinguere 4 tipi di carbone: torba, lignite, litantrace e antracite. Questi ultimi due sono quelli che vengono usati nei processi industriali (hanno maggior contenuto di carbonio). Utilizzi: Inizialmente come combustibile nelle macchine a vapore delle locomotive e negli impianti industriali. Poi come combustibile negli impianti di riscaldamento e centrali termoelettriche. Miniere di carbone: - A cielo aperto o cave: si realizzano quando il carbone si trova negli strati superficiali di roccia. In questo caso il carbone viene estratto con escavatori che raschiano la superficie di colline e montagne, per liberare il carbone sepolto pochi metri sottoterra. In alcuni casi, la punta delle montagne viene letteralmente fatta sparire, lasciando grandi cicatrici nel paesaggio. Hanno gravi impatti ambientali tra cui distruzione del paesaggio, degli habitat della fauna selvatica, inquinamento delle acque di fiume (quando piove), rischio di contaminazione chimica delle acque sotterranee (se i minerali penetrano nelle falde), inquinamento acustico e polveri nocive. - Sotterranee: si scavano gallerie e pozzi, sono più vantaggiose per l’estrazione ma hanno ancora più impatto ambientale per gli scarti che si generano e le emissioni in atmosfera. Infatti si producono enormi quantità di scarto (terra e rocce) che diventano tossici a contatto con aria e acqua (devono essere smaltiti), di producono gas serra (metano) durante l’estrazione, inoltre vengono mutati i corsi d’acqua e le condizioni di lavoro dei minatori sono pessime. Il carbone è il combustibile fossile che, a parità di energia fornita, inquina di più. Le emissioni di gas serra (in particolare anidride carbonica), dovute alla combustione del carbone sono il 30% in più di quelle del petrolio e il 70% in più del gas naturale. L’impiego del carbone, inoltre, ha conseguenze nocive anche per la salute umana per polveri sottili rilasciate. Il carbone emette nell’aria: anidride solforosa, ossidi di azoto, polveri sottili, anidride carbonica, monossido di carbonio. La Cina usa ancora molto il carbone, infatti, c’è una qualità dell’’aria pessima. Un esempio delle conseguenze che l’inquinamento ha sulla fauna è la falena delle betulle, che aveva un colore bianco con piccole macchie scure per mimetizzarsi sugli alberi, ma poi con la rivoluzione industriale il suo aspetto è mutato (colore nero) perché con un colore più scuro si mimetizzava meglio. ⮚ Petrolio Il petrolio greggio è un olio viscoso di colore marrone verdastro scuro o nero che si trova in profondità nella crosta terrestre. L'olio di solito galleggia su una soluzione salina e sopra l'olio è presente gas naturale. Il petrolio greggio contiene una miscela di idrocarburi paraffinici, olefinici e aromatici con quantità minori di composti organici come N, O e S. Il petrolio si è formato tra i 4 e i 6 milioni di anni fa sotto la superficie terrestre per decomposizione di organismi (in particolar modo animali marini e di piante che crescono sui fondali oceanici) e il suo processo di formazione, seppure lentissimo, continua ancora oggi. Alghe, plancton, organismi marini animali e vegetali, morendo, si sono depositati sul fondo di paludi e mari interni, mescolandosi con l’argilla e sabbia trasportati dai fiumi formando una fanghiglia chiamata Sapropel. Durante le diverse ere geologiche questo strato viene ricoperto da nuovi strati di sabbia e detriti che impediscono alle sostanze organiche presenti nel Sapropel di decomporsi. Il sapropel si trasforma così in Roccia Madre, ancora ricca si sostanze organiche. Le enormi pressioni degli strati superiori, unite al calore del sottosuolo e all’assenza d’aria hanno favorito l’azione di microbi e batteri che hanno consumato l’ossigeno presente nelle sostanze organiche e ne hanno determinato la lentissima trasformazione in idrocarburi, cioè in sostanze composte esclusivamente di idrogeno e carbonio. La pressione degli strati superiori, nel corso dei millenni, schiaccia la roccia madre come una spugna e spinge gli idrocarburi a risalire attraverso strati di roccia porosa e permeabile. L’impianto di estrazione è costituito da una torre di trivellazione. Una volta raggiunto il giacimento, il petrolio può essere estratto con pompe aspiranti; se invece la pressione all’interno del giacimento è più elevata di quella atmosferica, il petrolio sale spontaneamente. Una volta estratto, il petrolio greggio viene trattato, per eliminare l’acqua e le particelle solide in esso contenute e immagazzinato in serbatoi di smistamento, da dove viene trasportato alle raffinerie mediante tubazioni continue (oleodotti), con navi opportunamente attrezzate (navi cisterna, petroliere) oppure con speciali autoveicoli (autocisterne) e carri ferroviari (carri cisterna). Il petrolio è più facile da estrarre del carbone ed essendo in forma liquida è più facile da trasportare. A differenza del carbone, però, va raffinato: vanno tolte impurità e acqua. 🡪 Viene scaldato e le  sostanze, avendo diversi punti di ebollizione, vengono separate. La parte che rimane e che non evapora è il catrame, usato per le strade. Nelle raffinerie petrolchimiche, il greggio è suddiviso in diverse frazioni, la maggior parte delle quali sono ulteriormente trasformati in combustibili (kerosene, benzina, diesel) o olio combustibile. Circa il 10% della quantità di petrolio greggio raffinato è la nafta, nota anche come "benzina leggera". La nafta viene utilizzata come blocco di sintesi e per l'industria chimica. Il Cracking è la decomposizione di molecole di idrocarburi più grandi in idrocarburi più semplici a basso punto di ebollizione e di peso molecolare inferiore. È un ulteriore passaggio per rompere in molecole più piccole per ottenere ad es. la benzina (posso farlo anche con la biomassa). Esistono due metodi di cracking: termico e catalitico. La continua richiesta di petrolio fa sì che i processi di estrazione si siano allargati anche a tutte quei giacimenti che si trovano sotto i fondali marini e che vengono estratti con impianti di trivellazione detti off-shore. Il 20 aprile 2001 durante le fasi finali di realizzazione di un pozzo nelle acque profonde del Golfo del Messico un’esplosione ha provocato un incendio; dopo due giorni, la piattaforma affonda. Nei 106 giorni di durata dello sversamento sono stati riversati in mare 60.000 barili di greggio al giorno con gravissime conseguenze ambientali nel Golfo del Messico. ⮚ Gas naturale È co-estratto insieme al petrolio. Normalmente è allo stato gassoso ma può essere convertito in liquido. Esso è formato da metano per il 99% nei gas più puri, per il 90% nei meno puri. Il passaggio allo stato liquido avviene diminuendo la temperatura o aumentando la pressione. Il gas può essere trasportato allo stato gassoso tramite gasdotti e metanodotti sotterranei, oppure allo stato liquido (GNL = gas naturale liquefatto), tramite navi metaniere. L’Italia importa il 70% del gas naturale: da nord arriva il gas olandese; da sud arriva il Transmed che parte dall’Algeria; da est arriva il gas della Russia che parte dalla Siberia. Utilizzi:  - Centrale a gas, per la produzione di energia elettrica - Residenza, impieghi domestici per riscaldamento, cottura e produzione acqua calda - Industria, gas come combustibile nei forni - Autotrazione, GNL come combustibile per autoveicoli - Materia prima, gas per ricavare gomme sintetiche, fertilizzanti, plastiche. Tra le fonti fossili è quella meno inquinante. Utilizzo di energia L’energia viene usata principalmente per industria, trasporti e per uso domestico. Driver che spingono alla transizione a bioenergia e biocarburanti: climate change (rischio ambientale), esaurimento (sicurezza energetica), dipendenza politica da altri Paesi (indipendenza energetica). 🡺 Sicurezza energetica: l’incremento della popolazione e il miglioramento della qualità della vita hanno portato ad una maggiore richiesta e quindi più consumo. Più aumenta il reddito, più aumenta il consumo di energia. Il primo driver è stato il timore della fine delle risorse, ma nel tempo questa spinta si è affievolita a causa delle nuove tecnologie che hanno permesso il raggiungimento di nuoce potenziali riserve. Ad es. la tecnica del fracking: nuova tecnica con tubature orizzontali che permettono di ricavare il petrolio anche dalla roccia, usando la pressione per rompere la roccia e ricavare l’olio. Non si sa bene che effetti possa avere questa tecnica nel futuro. Ma le risorse fossili sono comunque risorse finite e con il ritmi di consumo attuale sono destinati a finire nel medio-breve periodo. 🡺 Indipendenza energetica: le riserve di petrolio si trovano nel sottosuolo di limitate aree geografiche e pochi Paesi. Il Medio Oriente possiede il 70% delle risorse. Le riserve di carbone invece sono distribuite un po' in tutti i continenti. Le riserve di gas natura sono localizzate per 2/3 in Medio Oriente e Russia. La crisi energetica globale innescata dall'invasione dell'Ucraina sta avendo implicazioni di vasta portata per le famiglie, le imprese e intere economie, sollecitando risposte a breve termine da parte dei governi e un dibattito più approfondito sui modi per ridurre il rischio di interruzioni future e promuovere l'energia sicurezza. Questa è una crisi globale, ma l'Europa è il teatro principale in cui si sta svolgendo e il gas naturale è al centro della scena, specialmente durante i mesi invernali. 🡺 Rischio ambientale: Emissioni di CO2 sono sempre più in aumento, il che provoca l’effetto serra e quindi l’aumento della temperatura. C’è più emissione di CO2 in inverno perché le piante non catturano CO2 (foglie non verdi, decomposizione). Effetto serra: Elevata concentrazione atmosferica di anidride carbonica, clorofluorocarburi, metano, ossido di azoto prodotti da: deforestazione, uso di combustibili fossili, ecc. Trattenuto dall’anidride carbonica il calore non si disperde e la temperatura terrestre aumenta. Obiettivo emissione zero nel 2050. La produzione di CO2 è dovuta da: Altro rischio sono le piogge acide, che vanno a danneggiare l’ambiente. La combustione di benzina immette nell’aria ossidi di carbonio, di azoto, di zolfo, piombo e anidride carbonica. I motori diesel emettono particolato (particelle solide carboniose a cui si aggregano residui di lubrificante e composti dello zolfo). L’usura delle vetture rilascia pulviscolo di gomma, oli, solfati, ecc. Le polveri sottili contenenti metalli pesanti sono particolarmente pericolose perché raggiungono gli alveoli polmonari provocando patologie cardiovascolari e respiratorie. Gli altri residui della combustione (idrocarburi..) sono irritanti, tossici e cancerogeni. In determinate condizioni atmosferiche si forma una cappa di ozono. Rischio ambientale: cambiamento climatico + biodiversità + acidificazione degli oceani. Si ha quindi la necessità di sostituire combustibili con biomassa. Problemi considerati irreversibili: fosforo, azoto e integrità della biodiversità. Consumi Attualmente servirebbero due pianeti per sostenere i consumi.  La strategia migliore è ridurre B!!! Dobbiamo cercare di intervenire sull’impatto ambientale, in cui sono fondamentali le energie rinnovabili per ridurre emissione gas serra, sono universali (possono essere usati anche nei paesi più poveri), e in teoria producono meno rifiuti. Una risorsa rinnovabile ideale è quella che può essere reintegrata in un lasso di tempo relativamente breve o che ha essenzialmente un'offerta illimitata. Al contrario, risorse come la radiazione solare, il vento, le maree e la biomassa possono essere considerate risorse rinnovabili, che (se opportunamente gestite) non corrono il rischio di essere sovrasfruttate. Lo sviluppo e la corretta gestione della tecnologia bioenergetica potrebbero contribuire a: significativa riduzione delle emissioni di gas serra migliorare la sicurezza energetica contribuendo come energia primaria globale nell'utilizzo efficace di rifiuti e residui. Energie rinnovabili: o Energia idroelettrica. In una centrale idroelettrica, l’acqua presente nel bacino viene fatta passare in una condotta, detta condotta forzata, in questo modo, grazie alla forza di gravità, l’acqua cade verso il basso sempre più velocemente e viene inviata su una gigantesca turbina facendola ruotare. A sua volta la turbina è collegata a un generatore elettrico che ne trasforma il movimento in energia elettrica, completando il ciclo. La Cina ha investito molto in questo campo. Pro: L’acqua è una fonte di energia rinnovabile, pulita, perché il suo uso non produce scorie o fumi, gratuita ed estremamente disponibile e per questo in grado di fornire grandi quantità di energia. Contro: la creazione degli invasi artificiali richiede la costruzione di opere imponenti quali dighe, laghi di deposito, canali di derivazione, installazione di grandi turbine e generatori elettrici. Un processo di trasformazione potenzialmente inquinante e che può modificare in maniera irreversibile gli equilibri dell’ambiente naturale e non solo. Un impegno nella ricerca potrebbe portare nel futuro a impianti di piccole dimensioni basati su tecnologie diversificate, che sostituirebbero le grandi centrali-cattedrale di oggi. o Energia marina. In mare aperto il vento è molto potente e agisce su centinaia di chilometri di acqua, questo significa il trasferimento dall’aria all’acqua di grandi quantità di energia. In questo caso la tecnica energetica sfrutterebbe la differenza di altezza tra l’alta marea e la bassa marea: la cosiddetta ampiezza di marea. o Energia eolica. Aerogeneratori o turbine eoliche, sono sistemi di trasformazione della forza del vento in energia elettrica che si compongono essenzialmente di due parti: una meccanica, denominata pala, che segue il movimento del vento, ed una elettromagnetica, chiamata generatore, che ne trasforma il movimento in elettricità. Ci sono parchi eolici on-shore (in zone pianeggianti), near-shore (vicini alla costa), e off-shore (in mare ad es.). Pro: basso impatto ambientale, fonte inesauribile, no emissioni, costi di gestione bassi. Contro: impatto visivo negativo, fonte discontinua, costi di installazione alti. o Energia geotermica. Sfrutta il calore naturale del pianeta che, dal nucleo più caldo, grazie alla circolazione del magma, si trasferisce verso la crosta terrestre. 🡪 Sfrutto il fatto che la temperatura in aumento negli strati genera vapore. La quantità di energia termica disponibile nel sottosuolo è enorme, tuttavia, al momento, non si può utilizzare la maggior parte di questa energia, perché essa si rivela in superficie con fenomeni estremamente violenti. Pro: è una fonte non soggetta alle variazioni meteorologiche o all’alternanza giorno-notte, non presenta combustione nel processo, è una fonte energetica rinnovabile. È difficile da gestire e i sistemi di raffreddamento hanno un impatto ambientale sul paesaggio. o Energia solare. Ci sono sistemi solari termici, che sfruttano i raggi del sole per produrre energia termica (calore); e sistemi fotovoltaici o celle solari, che convertono la luce solare in elettricità tramite un processo elettronico diretto e istantaneo, senza usare elementi meccanici o combustibili. Cella fotovoltaica: ciascun modulo è formato da diversi strati di materiale semiconduttore (solitamente silicio), avvolti da un materiale conduttore. Quando la luce del Sole colpisce un materiale semiconduttore come il silicio, questo libera degli elettroni che, spostandosi all’interno del conduttore generano una corrente elettrica (effetto fotovoltaico). Pro: quantità idealmente infinita di energia, no uso di combustibile, no emissione di CO2, gas serra o altri inquinanti, e costi sempre più bassi. Contro: intermittente, prestazioni energetiche relativamente basse (il pannello converte solo il 20% dell’energia che riceve dal sole). Incognita è anche dove smaltire i pannelli di silice. Inoltre, serve anche molto spazio, quindi non può essere l’unica soluzione. o Energia nucleare: energia prodotta per effetti di trasformazioni che avvengono nei nuclei degli atomi. Non è rinnovabile perché si usa l’uranio, che non viene rigenerato in natura, però è una fonte di energia primaria, ovvero che non deriva dalla trasformazione di altre forme di energia; non causa l’emissione di carbonio (CO2); non contribuisce al riscaldamento globale e ai cambiamenti climatici. Esistono due diversi tipi di reazione nucleare: la fusione, in cui due nuclei si uniscono per formarne uno più pesante, e la fissione, in cui un nucleo si divide in due nuclei più leggeri e contemporaneamente emette un certo numero di neutroni. Delle due reazioni, la fissione è l’unica realizzabile e controllabile dall’uomo. Invece, per quanto riguarda la fusione, essa non è ancora realizzabile per periodi di tempo sufficienti ad una produzione continua di energia. Si usano atomi di Uranio 235, l’unica sostanza fissile presente in natura, il cui nucleo è in grado di spezzarsi se entra in collisione con particelle subatomiche (in genere neutroni) e di avviare una reazione a catena. Il processo di fissione è stato ideato dal fisico italiano Enrico Fermi nel 1934. Una pasticca di uranio (grande come una moneta da 2cent) produce tanta energia quanto 800 kg di carbone, 650 litri di petrolio o 500 metri cubi di metano. Il reattore nucleare si comporta come una qualunque caldaia e il vapore così generato può essere utilizzato per azionare una turbina connessa a un generatore di elettricità. Il cuore del reattore di una centrale nucleare a fissione si dice nocciolo ed è formato da barre di uranio, immerse in acqua. Nei reattori di tipo più comune l’acqua contenuta nel nocciolo, riscaldata dalla fissione dell’uranio, produce del vapore che, a sua volta, fa girare la turbina della centrale. Quest’ultima, attraverso un rotore, è collegata ad un generatore che trasforma il movimento delle turbine in energia elettrica. Incidenti: negli USA nel 1979 (Three Mile Islands, Pennsylvania), Chernobyl in Ucraina (1986), Fukushima in Giappone (2011). Quindi con poca quantità di uranio posso fornire grandi quantità di energia, ma il problema è la sicurezza nucleare e le scorie nucleari. NB: devono ancora essere smaltite le scorie delle 4 centrali italiane chiuse dopo il referendum del 1987!! o Energia elettrica. È energia pulita (il suo uso non produce polveri o residui), trasportabile a grande distanza e comoda da utilizzare (basta premere un interruttore!). Allo stesso tempo dobbiamo tenere presente che l’energia elettrica è difficile da immagazzinare, quindi deve essere utilizzata immediatamente. Si muove ma può essere convertita in batterie, in cui mi si ripresenta il problema dell’impatto ambientale. Il modello ideale è quello in cui si integrano tutte le risorse rinnovabili. LEZIONE 2 – 05.10.2023 BIOMASSE E BIORAFFINERIE I bisogni energetici sono distribuiti più o meno pari fra trasporti, industrie e bisogno civile quindi delle abitazioni e con le energie rinnovabili otteniamo: Per i trasporti invece ancora più bassa la % di energia fornita dalle rinnovabili c’è quindi più lavoro da fare in questo ultimo campo. L’energia è distribuita nelle diverse forme: Segue una serie di grafici riguardanti: - Produzione di elettricità (29.9% rinnovabili) - Produzione di riscaldamento (11.5% rinnovabili)  - Istogramma situazione europea, al 2020 la quota massima è stata raggiunta nel settore dell'energia elettrica, con un 37,5 %, mentre nel settore riscaldamento/raffreddamento siamo al 23,1%, infine nel settore trasporti le quote nel 2020 hanno raggiunto il 10,2%. Vedi grafici come cambia la situazione negli ultimi 10 anni, incremento per l’elettricità si passa da un 20 ad un 30% delle rinnovabili. Il rinnovabile più in crescita è idroelettrico e solare, ma anche energia geotermica è abbastanza in crescita. Cresce molto fortemente la produzione di elettricità mediante solare. Stesso per riscaldamento che passa da un 8.9% ad un 11.5% negli ultimi 10 anni. - Capacità di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili nell'UE-27 per il periodo 2011- 2020 –come viene prodotta l’energia rinnovabile in UE nell’ultimo decennio, vediamo che l’idroelettrico è stabile, buon aumento di solare ed eolico invece. Per produzione di elettricità, i biocarburanti e le biomasse sono solamente una strategia marginale non così supportata e impiegata, per sopperire all’elettrico infatti si sta scegliendo più il solare e eolico. - Quote dei singoli stati (i migliori sono Austria, seguita dalla Svezia e Danimarca). Entro il 2030 per arrivare ad emissioni zero dovremo fare uno sforzo enorme, vedi istogramma a lato. L'effetto serra, dovuto principalmente all'aumento nelle emissioni di anidride carbonica, ha causato il riscaldamento medio dell'atmosfera terrestre vicino alla superficie di 0,8 °C rispetto all'era preindustriale Accordi sul clima Parigi 2015 mantenere sotto dei 2°C l’aumento della temperatura media globale rispetto al periodo preindustriale puntando ad un aumento massimo di 1,5°C. Servirebbero: - - 40% di emissioni, + 27% di rinnovabili nel consumo finale di energia, + 27% d’efficienza energetica - Questo obiettivo può essere raggiunto solo se il 70% di tutte le riserve disponibili di carbone e un terzo del petrolio e del gas rimangono sotto terra e non vengono mai utilizzati. USA 10.2 kW consumo energia per persona per anno 5.5 tC emissioni di Co2 per persona per anno Paesi in via di sviluppo 0.11 kW consumo energia per persona per anno 0.06 tC emissioni di Co2 per persona per anno Cop26 taglio del 45% delle emissioni di anidride carbonica rispetto al 2010 entro il 2030 zero emissioni nette per il 2050 - Germania 2030, Cina, Russia, Arabia Saudita → 2060, India → 2070. Altri grafici: - Produzione di riscaldamento e raffrescamento da tecnologie basate su fonti rinnovabili nell'UE-27 per il periodo 2011-2020  - Rinnovabili per riscaldamento e raffrescamento per Stato membro - Consumo di energia nel settore dei trasporti nell'UE-27 per il periodo 2011-2020 - Quote dei singoli stati - Consumo lordo di energia da fonti rinnovabili nell'UE per tipo - Consumo e distribuzione delle fonti di energia per regione - Il settore dei trasporti ha percentuali più basse di utilizzo delle rinnovabili rispetto agli altri utilizzi dell’energia e per la maggior parte deriva invece da petrolio. La parte più grande delle rinnovabili nei trasporti dipende da biocarburanti ottenuti da biomasse. La più tragica è per i trasporti come vediamo per un 90% petrolio; quindi, ci saranno da trovare per questo settore soluzioni alternative. Il paniere delle energie rinnovabili è vario ma se si va sotto i trasporti ed i carburanti si deve cercare di lavorare sulla biomassa per ottenere carburanti che possano sostituire quelli di derivazione fossile - Tabella 1 – prima solo non rinnovabili poi crescita anche solare e idroelettrico - Tabella 2 - aumento idroelettrico negli anni. - Distribuzione delle fonti rinnovabili sul riscaldamento, in questo caso la biomassa svolge ruolo importante soprattutto derivante da biogas e pompe di calore sempre più diffuse. BIOMASSA In campo ecologico il termine biomassa si riferisce alla massa secca di tutti gli individui di una popolazione in un dato ambiente o di un prodotto biologico. Se prendo un prodotto butto in stufa o liofilizzatore ne rimane una parte secca detta biomassa. Da un punto di vista energetico si intende tutto il materiale di origine organica, sia vegetale sia animale, vivente o morto, utilizzabile per produrre energia. L’energia da essi prodotta viene definita bioenergia! Anche il fossile sarebbe “bio” essendo biomassa convertita in anni antichi ma oggi per biomassa si intende quella convertita in materiale biologico in anni recenti. Biomassa tradizionale: ottenere calore bruciando legna, che è la forma di energia principale usata da secoli e questo settore a seconda della fonte bibliografica viene considerata rinnovabile, tuttavia, sappiamo essere da un lato sì quasi illimitata come risorsa, dall’altro totalmente non sostenibile dal momento che libera in atmosfera molta anidride carbonica, quindi non la considereremo rinnovabile. Le risorse «bio-based» sono tutte le risorse contenenti carbonio organico non fossile, recentemente ( 1 processo industriale (che non è unico o standard ) per il mercato e necessità di trattamenti molto diversi tra loro → ciò comporta un aumento dei costi → aumento costo del prodotto finale. E sappiamo che i biocarburanti competono con l’industria del petrolio che è conosciuta da almeno 100 anni e sviluppata molto fortemente, inoltre il prodotto non è costoso. Infine, il prodotto della biomassa in caso sia biocarburante non dev’essere generico ma altamente specifico per il motore nel quale sarà inserito e il più possibile simile ad un carburante tradizionale, di origine fossile. DEF: drop in, smart drop in o dedicated! DROP-IN: una molecola che ha origine da fonte fossile è sintetizzabile anche per via biotecnologica, quindi sintesi bio-based → magari costa di più ma è naturale e biodegradabile. È un tipo di sostituzione 1:1 tuttavia, con pochi vantaggi e spesso né economici né ambientali. SMART DROP-IN: una molecola che ha origine fossile viene sostituita con molecola bio-based ma con produzione di CO2 negativa quindi con basso impatto ambientale e anche vantaggi economici, allora si parla di smart drop in. Dal punto di vista ambientale, economico, tempistico dà vantaggi. DEDICATED: una molecola esiste solo e unicamente sintetizzata per via bio-based, come il PHA. Grossi vantaggi a livello ambientale e per i vantaggi economici bisogna studiare la sintesi più idonea (substrati economici, parametri di controllo del bioreattore più vicini possibili alle condizioni atmosferiche […]) Se devo inserire in un motore un biocarburante che deve avere delle specifiche caratteristiche non posso fare un dedicated o uno smart drop in, devo invece fare un drop in cioè un prodotto che sia identico, abbia le stesse caratteristiche del carburante di origine fossile, altrimenti dovrei riprogettare i motori dei veicoli, insomma un costo enorme e uno svantaggio enorme. Un modo per mitigare gli effetti negativi sugli ecosistemi è convertire la biomassa in una varietà di sostanze chimiche, biomateriali ed energia, massimizzando il valore della biomassa e minimizzando gli sprechi. Questo approccio integrato corrisponde al concetto di bioraffineria → “la bioraffineria integra il processo di conversione della biomassa e le attrezzature per produrre energia, prodotti chimici e carburante” Analogamente alle raffinerie a base di petrolio, dove molti prodotti energetici e chimici sono prodotti dal petrolio greggio, le bioraffinerie produrranno molti prodotti dalla biomassa. prodotti di basso valore e volumi elevati, come carburanti per i trasporti e prodotti chimici di base, materiali e prodotti di alto valore e volumi ridotti o prodotti chimici speciali, come cosmetici o nutraceutici. L'energia è il punto di sviluppo in questo settore, ma man mano che le bioraffinerie diventano sempre più sofisticate nel tempo, verranno sviluppati altri prodotti. La raffineria di petrolio utilizza risorse fossili (petrolio e gas naturale) per la produzione di prodotti chimici fini ed energia; dall'altro, le bioraffinerie enfatizzano l'uso di biomasse o rifiuti per produrre prodotti chimici e bioenergia. La differenza principale è che le bioraffinerie si basano sull'uso di materiali rinnovabili come materie prime, biomasse, ecc., mentre le raffinerie di petrolio si basano sull'uso di materiali non rinnovabili come i combustibili fossili. Con le biomasse devo fare una sorta di bioraffineria, riconvertendo il carbonio organico in macromolecole e dopo di che in fuels, prodotti chimici o materiali bio based. E ciò si traduce non in un solo prodotto ma in un’ampia gamma, utilizzando ogni frazione dello scarto o della biomassa in generale, progettando un processo completo che sfrutti ogni singola parte per produrre sia biocarburanti ma anche prodotti secondari. Ideale: da un lato grossi flussi per produzione di energia, ma con il restante ottenere anche altri prodotti senza scartare nulla o il minimo per avere sia circolarità sia un abbattimento di costi, quindi avere ricavi > costi. Evoluzione del concetto di bioraffineria: Le bioraffinerie possono essere suddivise in tre tipi, in base al progresso tecnologico.  1. Bioraffineria di fase I (singola materia prima, singolo processo e singolo prodotto principale) 2. Bioraffineria di fase II (singola materia prima in entrata, più processi di trasformazione e più prodotti principali prodotti) 3. Bioraffineria di fase III (più materie prime, un processo flessibile quindi variabile e adattabile e più prodotti principali) La maggior parte delle bioraffinerie e quelle note da più tempo sono di 1° tipo. Le bioraffinerie di fase I utilizzano una sola materia prima, hanno capacità di lavorazione fisse (singolo processo) e hanno un unico prodotto principale. In Europa, ora ci sono "bioraffinerie di fase I" che producono biodiesel. Usano/usavano olio vegetale (principalmente olio di colza nell'UE) come materia prima e producono quantità fisse di biodiesel e glicerolo attraverso un unico processo di transesterificazione. Non hanno quindi quasi alcuna flessibilità per recuperare i costi di investimento e operativi. Altri esempi di bioraffineria di fase I includono le odierne cartiere e gli impianti di conversione del grano di mais in etanolo. Esempio di bioraffineria di tipo I per produzione di biodiesel → parte dall’olio di colza Esempi di bioraffineria di tipo II → Analogamente alle bioraffinerie di fase I, le bioraffinerie di fase II possono elaborare solo una materia prima. Tuttavia, sono in grado di produrre vari prodotti finali (energia, prodotti chimici e materiali) e quindi rispondere alle domande del mercato. Un esempio di bioraffineria di fase II è lo stabilimento Novamont in Italia, che utilizza l'amido di mais per produrre una gamma di prodotti chimici tra cui: bioplastiche biodegradabili e compostabili lubrificanti ingredienti per il settore della cosmesi (cere microgranuli) Un altro esempio di questo tipo di bioraffineria è il sito di Roquette in Francia che produce una moltitudine di derivati dei carboidrati, tra cui amidi nativi e modificati, dolcificanti e bioetanolo dai chicchi di cereali. Roquette produce più di 600 derivati dei carboidrati in tutto il mondo. » Bioraffineria tipo II Tutte le bioraffinerie di fase I possono essere convertite in bioraffinerie di fase II, identificando i modi per aggiornare i vari flussi secondari. Un impianto di lavorazione del biodiesel di fase I, ad esempio, potrebbe trasformarsi in una bioraffineria di fase II, se riusciamo a sviluppare tecnologie in grado di convertire la glicerina del biodiesel (glicerolo grezzo) in prodotti energetici e chimici. La generazione di energia o biocarburanti costituirà la "spina dorsale" di numerose bioraffinerie di fase II, a causa della grande domanda del mercato. Anche la raffinazione del petrolio greggio è iniziata con la produzione di energia e ha finito per impiegare processi chimici e ingegneristici sofisticati per sviluppare materiali complessi e sostanze chimiche che "spremevano ogni grammo di valore" da un barile di petrolio. » Bioraffineria di tipo III Le bioraffinerie di fase III corrispondono alla tipologia di bioraffineria più sviluppata/avanzata. Sono in grado di produrre una varietà di prodotti energetici e chimici (bioraffinerie di fase II) possono anche utilizzare vari tipi di materie prime e tecnologie di lavorazione per produrre la molteplicità di prodotti industriali. La diversità dei prodotti offre un alto grado di flessibilità alle mutevoli richieste del mercato (un sottoprodotto attuale potrebbe diventare un prodotto chiave in futuro) varie opzioni per raggiungere la redditività e massimizzare i rendimenti. "materie prime multiple" aiutano a garantire la disponibilità delle materie prime e offrono a queste bioraffinerie altamente integrate la possibilità di selezionare la combinazione più redditizia di materie prime N.B: uno dei più grossi limiti della biomassa è la periodicità. III tipo – più substrati per ottenere più prodotti e sono l’ultima generazione quella più efficacie e maggiormente produttiva. Bioraffinerie di Tipo III - Come si dividono: Bioraffineria di materie prime lignocellulosiche Bioraffineria per crops  Bioraffineria verde Bioraffineria a due piattaforme 1. Bioraffineria di materie prime lignocellulosiche o utilizzano tipicamente biomassa lignocellulosica "naturalmente secca" come legno, paglia, ecc. o la componente di scarto delle produzioni agricole è composta da cellulosa, emicellulosa, lignina cioè composti che hanno caratteristiche diverse, o consiste nel partire prendendo lo scarto delle produzioni agricole e forestali, trattando poi queste frazioni per ottenere i vari prodotti, attraverso una serie di processi per il frazionamento e la valorizzazione di ogni frazione convertita in prodotti energetici e chimici. 2. Bioraffineria per crops Una bioraffineria a coltura intera impiegherà cereali (ad es. grano, mais, colza, ecc.) e convertirà l'intera pianta (paglia e grano) in energia, prodotti chimici e materiali, in genere prodotti sono biocarburanti, additivi alimentari, prodotti proteici o pigmenti e molto altro. 3. Bioraffineria verde Utilizza erba, grande esempio a Brandeburgo in Germania. Dal pre-trattamento della frazione erbacea si originano una parte di succo quindi un frazionato liquido da cui si potranno ottenere proteine e zuccheri ed una parte pressata solida/semi solida (fibre?). La bioraffineria verde è un'altra forma di bioraffineria di fase III che è stata ampiamente studiata nell'UE (in particolare Germania, Austria e Danimarca). Prende la biomassa verde (come erba verde, erba medica, trifoglio, cereali immaturi, alghe, ecc.) e la converte in prodotti utili, tra cui energia, prodotti chimici, materiali e mangimi, attraverso l'uso di una combinazione di diverse tecnologie. Tipicamente, la biomassa verde viene separata in un pressato ricco di fibre e in un succo ricco di sostanze nutritive. Il succo verde contiene una serie di sostanze chimiche utili come amminoacidi, acidi organici e coloranti. Il pressato può essere utilizzato per foraggio o per produrre energia, materiali isolanti, pannelli da costruzione, biocompositi, ecc. (vedi altri schemi) 4. Bioraffineria a due piattaforme La materia prima è separata in una "piattaforma di zucchero" (biochimica) e una "piattaforma di syngas" (termochimica). Entrambe le piattaforme possono offrire energia, prodotti chimici, materiali e potenzialmente alimenti e mangimi, e quindi utilizzare l'intera materia prima. La "piattaforma dello zucchero" si basa su processi di conversione biochimica e si concentra sulla fermentazione degli zuccheri estratti dalle materie prime della biomassa. La "piattaforma di syngas" trasforma termoliticamente la biomassa in sostanze chimiche intermedie gassose o liquide che possono essere trasformate in carburanti per il trasporto, nonché prodotti chimici di base e speciali. A seconda della natura chimica della materia prima, le bioraffinerie possono essere classificate in tre tipologie:  1. Bioraffineria di trigliceridi. I trigliceridi sono utilizzati nelle reazioni di transesterificazione per la produzione di biocarburanti e altri prodotti chimici di piattaforma come sottoprodotti. 2. Bioraffineria di zuccheri usa fermentazione dell'amido e degli zuccheri per la produzione di etanolo. 3. La bioraffineria lignocellulosica. Vedi schema → I prodotti della bioraffineria (energia, prodotti chimici e materiali) dovranno comunque competere con i prodotti derivati dal petrolio esistenti e futuri. I due tipi di raffineria presentano notevoli differenze, che si traducono in una serie di sfide e opportunità per la diffusione delle bioraffinerie. Rosso, verde – biotecnologie vegetali, azzurro – biotecnologie ambientali quindi risanamento e produzione di biocarburanti. Intervento di biotecnologie per trasformare biomasse in biocarburanti è quello che ci interessa ma senza tralasciare quelle verdi poiché per una coltura ci interesserà aumentare la produzione di una crop, ad esempio, o aumentare nella specie d'interesse la molecola specifica d'interesse, come gli zuccheri per il bioetanolo e i lipidi per i biocarburanti. Anche la parte medica non è da dimenticare poiché una parte della biomassa che si usa sono anche scarti di produzioni animali. Classificazione: in base ai prodotti, o processi di trattamento di biomassa LIMITI nell’utilizzo della biomassa La definizione ecologica di biomassa è la porzione secca, poiché la biomassa contiene una grande quantità di acqua e questa dev’essere totalmente eliminata, non deve essere presente nemmeno in tracce nel prodotto finale qualora questo sia un biocarburante. Nel bioreattore in ingresso c’è un substrato che consiste per il 70-80% della sua massa in acqua, o nel caso di erba (bio raffinerie verdi) fino al 90% → di conseguenza c’è una bassa concentrazione intrinseca della biomassa, mentre un aumento del volume dovuto all’acqua → aumento dei costi di gestione e produzione. Si rende quindi necessaria una o più fasi di concentrazione DENSITA’ Contrariamente alle risorse fossili, che si trovano in ricchi depositi, la biomassa è ampiamente distribuita geograficamente. Inoltre, la biomassa presenta tipicamente una bassa densità apparente e un contenuto d'acqua relativamente elevato (fino al 90% per l'erba), il che rende il suo trasporto molto più costoso del trasferimento di gas naturale o petrolio. La bassa densità intrinseca della biomassa limita la quantità di materiale che può essere lavorato in qualsiasi momento. Ridurre i costi di raccolta, trasporto e stoccaggio della biomassa attraverso la densificazione è quindi fondamentale per sviluppare un'infrastruttura sostenibile in grado di lavorare con quantità significative di materia prima. Un primo passo è l'aggregazione del processo di raccolta della biomassa raccolta in unità facilmente maneggiabili come le balle di fieno. La strategia più comune utilizzata per aumentare la densità della biomassa è la macinazione. La biomassa può anche essere densificata. La densificazione è l'applicazione della pressione e di altri processi per creare materie prime solide e condensate. Una maggiore densità energetica migliora l'efficienza di conversione e quindi riduce i costi associati alla conversione. Il pellet è un metodo comune per aumentare la densità apparente della biomassa. Harvesting: parte in cui si rimuove acqua e si concentra la biomassa, fase che non è presente ovviamente per i carburanti fossili. FORNITURA MATERIA PRIMA Un altro problema associato all'uso della biomassa (fresca) è il suo carattere deperibile o suscettibilità al degrado. Questo problema è particolarmente importante dato che, a differenza delle risorse fossili (che sono di disponibilità permanente continuamente pompate ed estratte), la disponibilità di biomassa è stagionale. Pertanto, al fine di garantire un funzionamento continuo durante tutto l'anno della bioraffineria, la biomassa potrebbe dover essere stabilizzata (ad esempio essiccata) prima dello stoccaggio (a lungo termine). È essenziale sviluppare un'infrastruttura conveniente per la produzione, la raccolta, lo stoccaggio e il pretrattamento della biomassa. Il successo economico di una grande bioraffineria dipenderà in gran parte dalla logistica fondamentale di un flusso coerente e ordinato di materie prime. La biomassa è di per sé deperibile e non stoccabile come carbone e petroli altamente stabili in quella loro forma, ma la biomassa è deperibile in quanto ossidabile e trasformabile facilmente dall’ambiente esterno e i suoi agenti. La disponibilità di biomassa è inoltre come già detto stagionale e l’impianto deve funzionare tutto l’anno essere quindi rifornito di substrati tutto l’anno → come fare? Una bioraffineria richiede una fornitura uniforme e costante per tutto l'anno. Per ridurre al minimo il rischio di investimento associato, sono necessarie attente valutazioni dei costi e delle incertezze associate al trasporto, allo stoccaggio e alla movimentazione della biomassa richiesta. La variabilità della biomassa è influenzata da: incertezza meteorologica stagionalità caratteristiche fisiche e chimiche distribuzioni geografiche basse densità delle materie prime della biomassa interazione con produttori infrastrutture locali di trasporto e distribuzione (in nord ita un impianto può usare vinacce mentre al sud scarti della lavorazione degli agrumi […]). ** Competizione non semplice con il settore petrolifero con cui c’è il continuo confronto a livello anche di economicità. PROCESSO DI CONVERSIONE Il principale ostacolo all'uso della biomassa è lo sviluppo di metodi economicamente sostenibili (fisici, chimici, termochimici e biochimici) per separarla, raffinarla e trasformarla in energia, prodotti chimici e materiali. Le tecnologie di bioraffinazione devono competere con processi che sono stati continuamente migliorati dalle petrolraffinerie negli ultimi 100 anni (e hanno un altissimo grado di ottimizzazione tecnica e dei costi). In particolare, le bioraffinerie dovranno sviluppare un'ingegneria di processo intelligente per affrontare la separazione, la fase di gran lunga più dispendiosa e costosa della conversione della biomassa, che attualmente rappresenta dal 60 all'80% del costo di processo dei processi più maturi. La produzione di sostanze chimiche (es. acido succinico) e combustibili (es. bioetanolo) attraverso processi di fermentazione, ad esempio, genera soluzioni acquose molto diluite, che dovranno essere trattate con tecniche pulite e a basso consumo energetico. DIMENSIONI DEGLI IMPIANTI impianti su larga scala (che possono sfruttare appieno le economie di scala e godere di un maggiore potere d'acquisto nell'acquisizione di materie prime) impianti su piccola scala (che possono mantenere i costi di trasporto al minimo indispensabile e sfruttare appieno delle tecnologie di integrazione di processo disponibili). La loro dimensione ottimale dipenderà: o dalla natura delle materie prime lavorate o dall'ubicazione dell'impianto o dalle tecnologie impiegate corrisponderà ad un equilibrio tra l'aumento del costo del trasporto della biomassa pretrattata e la diminuzione del costo della lavorazione in quanto la dimensione della bioraffineria sale. Prima di poter costruire bioraffinerie su scala commerciale di qualsiasi dimensione, sono necessarie tecnologie collaudate su vasta scala e impianti di bioraffineria dimostrativi. Esistono quindi ad oggi sia impianti di grandi dimensioni ma anche molti impianti che producono solo biogas a livello locale come molte aziende agricole! IMPRONTA AMBIENTALE N.B: impronta ambientale non è 0 È essenziale utilizzare tecnologie pulite e applicare i principi della chimica verde in tutta la bioraffineria in modo da ridurre al minimo l'impronta ambientale dei suoi prodotti e garantirne la sostenibilità. Uno dei principali driver per l'uso della bioenergia e dei bioprodotti è il loro potenziale beneficio ambientale (riduzione delle emissioni di anidride carbonica, biodegradabilità). È quindi essenziale valutare l'impatto ambientale di tutti i prodotti energetici e chimici che produciamo (durante il loro ciclo di vita) per assicurarci che siano veramente sostenibili e presentino reali vantaggi (ambientali e sociali) rispetto ai loro analoghi derivati dal petrolio. Le bioraffinerie avranno natura multidisciplinare e richiederebbero quindi operatori con competenze molto diverse (agronomi, chimici e biotecnologi). Si dovranno creare alleanze industriali tra aziende del settore agroalimentare, società chimiche e industrie biotecnologiche. L’idea iniziale era la sostituzione delle forme fossili ma oggi il vero drive che spinge è l’impronta ambientale, cioè, l’uso di processi sostenibili, non devo avere impronta sull’ambiente che sia al pari di quella dei combustibili fossili anzi per preferire il processo deve essere un impatto molto molto inferiore. Impatto su: - Biodiversità (ad esempio olio di palma che richiede monocoltura che venne sostituita a molte foreste); - Su quantità e qualità di acqua, impronta idrica quindi da considerare. L’impronta idrica è circa 3x rispetto a quella del petrolio. E senza considerare la coltivazione che richiede acqua per la crescita delle colture → spostandosi su colture non dedicate o microalghe si cerca di sopperire a questo enorme impiego di acqua! Sono necessarie quantità significative di acqua sia per la produzione che per la lavorazione della materia prima della biomassa. La necessità di approvvigionamenti idrici freschi, puliti e costanti è un problema importante per le industrie emergenti dei biocarburanti. La produzione di 1 gallone di bioetanolo (esclusa la coltivazione) richiede circa 4 galloni di acqua, mentre la raffinazione di 1 gallone di petrolio richiede solo 1,5 galloni di acqua. Rispetto alla produzione di combustibili fossili, la produzione di biocarburanti può richiedere maggiori volumi di acqua per la coltivazione delle materie prime e la conversione delle materie prime in biocarburanti. Il volume di acqua consumata nella produzione e nell'uso del bioetanolo varia in base ai tipi di colture utilizzate come materie prime, al clima del luogo in cui vengono coltivate le colture e alle caratteristiche del suolo, al volume di produzione e al modo in cui viene utilizzato il combustibile. Fattori socio-economici: Ogni volta che i prodotti alimentari vengono utilizzati come materie prime per biocarburanti, esiste il rischio che i terreni coltivati vengano dirottati dalla produzione di alimenti e fibre alla produzione di biocarburanti. Questa riallocazione delle risorse potrebbe avere un impatto negativo sull'approvvigionamento alimentare, provocando un aumento generale dei prezzi alimentari. Ad esempio, il mais, il suo utilizzo come materia prima per biocarburanti può innescare una reazione a catena: se i prezzi del mais aumentano, anche i prezzi di latte, manzo, maiale e formaggio alla fine aumenteranno perché il mais viene utilizzato per nutrire il bestiame. Altri fattori influenzano comunque le fluttuazioni dei prezzi: la produttività delle colture, le aspettative dei consumatori e dei produttori, la speculazione finanziaria, la domanda precauzionale, i prezzi dei beni sostitutivi e complementari, le condizioni meteorologiche avverse, i costi energetici e le politiche pubbliche inadeguate. Dà anche una forte spinta in positivo o negativo la concezione e la risposta delle persone: sono disposte a pagare sovrapprezzo sull’energia se sanno che questa ha origine da fonti che tutelano il pianeta? Le stime degli effetti dello sviluppo dei biocarburanti sui prezzi alimentari variano: alcuni studi hanno rilevato, in media tra il 15% e il 25% dell'aumento totale dei prezzi alimentari poteva essere attribuito agli impatti dello sviluppo dei biocarburanti - Sims et al. 2010. Altri studi hanno conclusioni totalmente diverse. Tuttavia, lo studio di un legame tra prezzi alimentari e sviluppo dei biocarburanti è fortemente influenzato dall'arco temporale dell'analisi e dalla copertura geografica dello studio. I biocarburanti generalmente non sono ancora economicamente sostenibili rispetto ai combustibili fossili. La politica di tutto il mondo ha iniziato e sta ancora sostenendo la produzione di biocarburanti per migliorare la loro competitività con incentivi fiscali ai produttori di biocarburanti (ad esempio, esenzioni o crediti di accise), consumatori finali (ad esempio, riduzioni fiscali per i biocarburanti a il punto vendita), o entrambi i gruppi. Caso del Brasile, programma pro-alcol Durante gli anni '70, il Brasile è stato il primo paese a sperimentare la produzione di bioetanolo su larga scala con il sostegno finanziario del governo. Questa iniziativa è stata messa in atto per i seguenti motivi: la crisi petrolifera degli anni '70 valuta nazionale relativamente debole alti tassi di inflazione Tutto ciò rese le importazioni di petrolio proibitive → alcohol program (Proálcool) etanolo da canna da zucchero Proálcool (1975) imposto un rapporto di miscelazione di etanolo per tutta la benzina venduta in Brasile. - promosso la produzione di etanolo offrendo: - sussidi ai produttori di etanolo - accesso al credito, - prestiti a basso interesse per la costruzione di nuovi impianti Enormi aumenti dei prezzi dei carburanti anche in Ita tra il 78-79 nei fine settimana veniva vietato uso delle macchine. Nel 75 è diventato d’obbligo avere per le macchine una miscela di biocarburante etanolo e fossile. Dopo la seconda crisi petrolifera nel 1979, gli incentivi introdotti solo per i veicoli con etanolo al 100%. Grazie dei sussidi, nel 1986, il 76% di tutti i nuovi veicoli costruiti funzionava a etanolo. Il Brasile è diventato in quel periodo un esportatore netto di carburante. Queste esportazioni (principalmente verso gli Stati Uniti) erano limitate da una tariffa di 0,54 USD imposta dal governo federale degli Stati Uniti su ogni gallone di bioetanolo importato. Ad una certa il Brasile ha sviluppato motori e macchine che andavano al 100% a bioetanolo ed è diventato da importatore ad esportatore netto di bioetanolo. USA dopo l’inzio di afflusso dai carburanti tassò quelli dal Brasile rendendo impossibilitati all’export. […] leggi sulle slide tutta la storia. Nel 2016, il Brasile ha lanciato il programma RenovaBio all'interno della sua politica nazionale sui biocarburanti, che si basa su obiettivi annuali di riduzione dell'intensità di carbonio, certificazione dell'efficienza dei biocarburanti nella riduzione delle emissioni di gas serra e crediti di decarbonizzazione. Questa politica mira al rispetto degli impegni della conferenza delle Parti (COP21) promuovendo al contempo un'adeguata espansione della produzione e dell'uso di biocarburanti nella matrice energetica nazionale del Brasile e migliorando la prevedibilità della disponibilità di diversi biocarburanti nel suo mercato nazionale. LEZIONE 3 – 09.10.2023 CIRCOLARITA’ Sistemi economici attuali si basano su catene del valore lineari che dipendono da un'estrazione continua e crescente di materie prime e dal loro disinteresse e dismissione dopo l'uso, creando rifiuto. Attualmente, l'8,6% del materiale totale estratto viene riciclato nell'economia, chiudendo i nostri cicli di risorse. Gli altri 91% necessari per alimentare le nostre economie vengono estratte dalla terra, lavorate, utilizzate e poi scartate senza alcuna possibilità di recupero dei materiali. Necessità di gestire l'economia non come sistema aperto ma come un’“astronave”, dove “l'uomo deve trovare il suo posto in un sistema ecologico ciclico capace di riproduzione continua della forma materiale” L'economia circolare è dunque un sistema economico pianificato per riutilizzare i materiali in successivi cicli produttivi, riducendo al massimo gli sprechi. L’ideale sarebbe passare da una catena che prevede un flusso lineare che va dalla materia prima al rifiuto, verso uno schema ciclico che prenda in considerazione uno scarto e lo faccia diventare substrato per una produzione secondaria. Nel campo dei biocarburanti ciò significa da colture vegetali → crescita per produzione di cibo → consumo dell’alimento e produzione di scarti → scarti usati per la produzione di energia, biocarburanti o energia elettrica. Vedi schema di crescita microalghe e tutti i prodotti che ne possono derivare, dove i numeri sono le rese di conversione. Se lo scopo è fare pigmenti avrò una parte di biomassa che non uso. Metano + anidride carbonica sono prodotti gassosi della digestione anaerobica, la parte non digerita detta digestato verrà separata in processo di separazione solido liquido. Metano può essere usato per fornire energia e calore ai vari processi. Gli scarti possono essere riconvogliati al bioreattore e usati come fonte di anidride carbonica. Il digestato avrà parte solida e liquida, la solida viene impiegata come fertilizzante nel terreno e quella liquida, avendo dei nutrienti, verrà usata come substrato per crescere alghe. (vediamo in tabella le differenze tra un processo di economia lineare e uno di economia circolare). CIRCOLARITA’ → vale anche per i BIOCARBURANTI ✔ Per ridurre al minimo la generazione di rifiuti nell'ambito della bioraffineria, sono stati introdotti i concetti e le metodologie dell'economia circolare (CE) e della bioeconomia come modello di sistema per superare gli svantaggi del modello economico lineare dominante con un piano graduale di presa, produzione e smaltimento. L'economia circolare (CE) è stata applicata nella bioraffineria per controbilanciare l'onere ambientale, economico e sociale causato dall'economia lineare (LE), trasformando la catena del valore da lineare a circolare con una migliore gestione delle risorse Come fare CE con la bioraffineria? usando ad esempio per la produzione di energia le parti di scarto di prodotti vegetali, o usando i sottoprodotti come l’anidride carbonica, o proteine o aminoacidi, o rivalorizzando tutti questi scarti per altre produzioni in altri impianti. Ci sono 3 settori che si intrecciano e sono Green economy cioè produzione rispettosa dell’ambiente e parametri da rispettare per ridurre rischio ecologico ed aumentare contemporaneamente efficienza di produzione; Bioeconomia cioè usare la biologia per produrre; Economia circolare, ciò di cui abbiamo appena parlato. La produzione di biocarburante si interseca con tutte e 3 e si trova al centro. Schema del coinvolgimento dei vari aspetti sopra. Bioraffineria integrata: un impianto industriale che utilizza molti diversi tipi di biomassa come input per la produzione di biocarburanti, energia, calore, prodotti chimici, nutraceutici, materie prime, alimenti e altri prodotti e materiali ad alto valore aggiunto (comprese le bioplastiche). L'uso di bioraffinerie integrate sta diventando una pietra miliare dello sviluppo sostenibile di un'economia circolare ed efficiente, in quanto possono produrre sostituti per un'ampia gamma di prodotti a base di petrolio utilizzando una varietà di biomasse ed evitando sprechi. Utilizzo a cascata: aspetto fondamentale - il prodotto ha una serie di utilizzi che hanno sia un valore di mercato che un valore sociale e devono essere rispettate queste applicazioni nella bioeconomia/economia circolare, come vediamo negli step che vediamo in figura Infine tabella che mostra dal punto di vista più applicativo varie possibilità nell’economia circolare. Approfondimento: Come funzionano i BIOCARBURANTI NEI MOTORI Motori sono di 2 tipi: - Combustione esterna – ad esempio bruciando legna si genera vapore, il quale fa muovere una turbina generando energia. Da una parte genero energia e dall’altra la uso, comparti separati. - Combustione interna – i veri e propri motori la conversione e la combustione tutte in un unico comparto, come motori diesel e benzina, tutto avviene nel motore e non avvengono scambi energia con l’esterno. Accade che l’energia chimica contenuta nel legame molecolare degli idrocarburi viene convertita in calore da uno scoppio e poi il calore in movimento. Questo è un vantaggio rispetto alla categoria di combustione esterna poiché c’è meno dispersione di calore, al contrario tali motori devono essere estremamente efficienti, quindi un motore di dimensioni ristrette deve portare la combustione ad esaurirsi nell’intervallo di tempo prestabilito → più efficienza ma più complesso da ottenere e progettare, non può permettersi residui non bruciati nel sistema. Classificazione a seconda dei cicli di funzionamento A seconda del numero di giri di pistone classificati in: - Motore a 2 tempi - Motore a 4 tempi A seconda della modalità di accensione - spontanea - comandata. I motori a combustione interna (MCI) sono macchine motrici termiche, che si propongono di convertire in lavoro meccanico la parte più grande possibile dell’energia chimica liberata bruciando combustibili entro la macchina stessa La denominazione interna sta quindi a significare che la combustione avviene «all'interno della macchina», senza ricorrere a un componente esterno (caldaia) in cui fare avvenire le reazioni di ossidazione e, nello stesso tempo, che la sorgente di calore è «interna al fluido di lavoro». Il motore a combustione interna, o motore a scoppio, è un motore termico a combustione interna comunemente utilizzato nelle autovetture motori. Esso utilizza come combustibile una miscela gassosa esplosiva di aria e benzina che viene compressa nei cilindri dai pistoni e successivamente fatta esplodere con una scintilla. In questo modo l’energia chimica contenuta nella miscela di carburante e aria viene liberata con la combustione e convertita in energia termica (lo scoppio) che a sua volta viene convertita in energia meccanica (movimento) che permette al motore di muovere i suoi cilindri. I motori a combustione interna presentano, il grosso vantaggio di avere eliminato gli scambiatori di calore con una maggiore semplificazione dell'impianto ed eliminazione delle perdite inerenti al trasferimento di calore. Ne deriva una limitazione per le caratteristiche dei combustibili, che devono assicurare il completamento del processo di combustione nei modi e nei tempi opportuni. Principio della combustione interna I motori a combustione interna possono essere suddivisi in differenti categorie, facendo uso di diversi criteri di classificazione: durata del ciclo di funzionamento: motori a due tempi, in cui il ciclo di funzionamento si compie in un solo giro dell’albero motore e, quindi, in due corse dello stantuffo, e motori a quattro tempi, in cui il ciclo di funzionamento si compie in due giri dell’albero motore, ovvero in quattro corse dello stantuffo. Modalità di accensione: motori ad accensione comandata o ad accensione per scintilla, comunemente indicati come motori Otto, e motori ad accensione spontanea o per compressione, detti anche motori Diesel; il nome di uno dei padri del motore a benzina è Otto Nikolaus August. I motori a combustione sono caratterizzati dalla presenza di una camera di combustione a volume variabile, la cui geometria è definita dal moto alterno dello stantuffo. Quest’ultimo è collegato tramite una biella all’albero motore, detto anche albero a gomiti, e si muove tra due posizioni estreme punto morto superiore (PMS) punto morto inferiore (PMI), in corrispondenza delle quali il volume della camera raggiunge, rispettivamente, i valori minimo e massimo. Il cilindro è messo in comunicazione con l’ambiente esterno da apposite valvole di aspirazione e di scarico, che sono aperte a ogni ciclo e consentono il ricambio del fluido di lavoro. Motori a 4 tempi 1) Aspirazione il pistone, dal punto più alto del suo movimento, procede verso il basso aspirando la miscela di benzina e aria attraverso le valvole di aspirazione. 2) Compressione la valvola di aspirazione si chiude e il pistone, risalendo verso l’alto spinto dalla biella, comprime la miscela aria-benzina nella camera di scoppio che è nella parte alta del cilindro. 3) Scoppio la candela generando una scintilla fa esplodere la miscela gassosa che spinge il pistone verso il basso. Lo scoppio è l’unica fase attiva dell’intero ciclo in quanto tutti gli altri movimenti derivano da questa. 4) Scarico le valvole di scarico si aprono e il pistone risale spingendo all’esterno i gas della combustione. Quando arriva nel punto più alto, chiude la valvola di scarico e, quasi contemporaneamente, si apre la valvola di aspirazione. Il ciclo ricomincia da capo. Dal punto di vista energetico e termodinamico → Il lavoro utile del ciclo è rappresentato dall’area interna al ciclo, ed è il risultato della differenza fra il lavoro di espansione positivo con il lavoro di compressione negativo. La differenza tra Qf (calore fornito) e Qs (calore rilasciato) è il lavoro generato. Il motore potrebbe funzionare anche a 2 tempi, quindi inietto esplodo in un unico passaggio e dopo il carburante esausto esce qui quindi bastano 2 movimenti di pistone per produzione di energia. Vantaggi e svantaggi del motore a 2 tempi rispetto a quello a 4 tempi: È impiegato per piccole cilindrate. Esso rappresenta una semplificazione del motore a quattro tempi. Dopo la fase di combustione e al termine della fase di espansione, lo scarico dei gas di combustione avviene, anziché attraverso la valvola di scarico, attraverso opportune feritoie presenti sulla parete del cilindro. Semplicità meno movimenti più semplici e più leggeri ma il fatto di dover caricare e scaricare in un unico giro → in alcuni casi combustione non completa e perdita di carburante. Vantaggi una più alta potenza specifica, che a parità di altre condizioni, dovrebbe risultare doppia, perché il due tempi realizza una fase utile ad ogni giro di albero di manovella, anziché ogni due giri. una maggiore semplicità costruttiva, meno parti mobili una maggiore uniformità della coppia motrice: dovuta al fatto che la fase utile di espansione si ripete ad ogni giro di manovella. Più leggero Svantaggi: il rendimento del due tempi è più basso, a parità di altre condizioni, perché la fase di espansione utile deve essere sacrificata nel suo tratto finale, per permettere lo scarico dei gas combusti e l'introduzione della nuova carica. Perdita della miscela aria –benzina che può uscire con i gas combusti. le sollecitazioni termiche e meccaniche degli organi del motore sono aumentate, perché nel due tempi viene eliminata quella parte del ciclo (sostituzione del fluido di lavoro) cui competono i valori di temperature e di pressioni più bassi. il ricambio del fluido di lavoro alla fine del ciclo è meno buono che nel quattro tempi, con un conseguente maggior inquinamento della carica fresca ad opera dei residui dei gas combusti. (vedi anche tabella) Tempo di accensione principale differenza tra motori a benzina e motori diesel - motori ad accensione comandata, in cui una miscela di aria e di vapori di benzina/carburante viene accesa da una scintilla fatta scoccare tra gli elettrodi di una candela, realizzando così una combustione molto rapida. - motori ad accensione spontanea o motori Diesel, in cui il combustibile viene iniettato, finemente polverizzato, in seno all'aria calda e compressa, in modo da provocarne l’autoaccensione e dare origine ad una combustione pit lenta e graduale. Si comprime solo aria calda e dopo si inserisce il carburante, non ha la fase di accensione. Il ciclo poi è identico con fase di accensione e aspirazione ma invece che lo scoppio, c’è compressione ad alta temperatura. Il fatto di poter comprimere solo aria in certi casi è un vantaggio che evita problemi legati al possibile scoppio incontrollato. Non c’è rischio con un motore diesel di detonazione anticipata, ma altre volte nel motore diesel c’è il problema contrario dell’accensione ritardata. Confronto motori diesel e benzina Il motore diesel ha un migliore rendimento globale perché nel Diesel sono possibili elevati rapporti di compressione senza pericolo di fenomeni anomali di combustione. Ai fini del corretto funzionamento del motore è molto importante che il combustibile non si accenda spontaneamente a seguito delle alte temperature presenti nel cilindro (detonazione). Questo problema può essere evitato limitando il rapporto di compressione. La fase di compressione dei motori Diesel interessa solamente aria e, quindi, il rischio di detonazione non esiste e il rapporto di compressione può essere più elevato. Si passa così da un rapporto di compressione, che al massimo può essere 12:1 - 13:1 nei motori Otto, a dei valori superiori a 20:1 tipici dei motori Diesel. Dal momento che il rendimento del motore è proporzionale al rapporto di compressione, si evince che il motore Diesel può raggiungere delle efficienze di conversione più elevate. Lavoro generato con lo stesso principio del motore a otto → Vantaggi diesel il rendimento del motore a otto peggiora meno rapidamente al diminuire del carico. Il motore diesel permette di ridurre la potenza sviluppata dal motore aumentando progressivamente il rapporto aria/combustibile, rendendo il Diesel particolarmente adatto per quelle applicazioni (ad esempio propulsione stradale nel traffico urbano) che richiedono al motore di funzionare spesso in condizioni di carico parziale; utilizza dei combustibili meno pregiati da un punto di vista energetico, perché la loro produzione in raffineria richiede un minor dispendio di energia o hanno talvolta il carattere di residui di altre lavorazioni, Svantaggi diesel Diesel, peso più elevato - Gli organi del motore devono essere dimensionati per resistere a valori di pressione pressoché doppi in fase di compressione e di combustione per cui risultano necessariamente più pesanti maggiori dimensioni del motore, maggior ingombro a parità di potenza. maggiori costi di manutenzione potenza specifica più basse - La maggiore lentezza con cui si svolge il processo di combustione, unita alle elevate masse, rallentano il raggiungimento di alti regimi di rotazione. maggior emissioni in atmosfera di polveri sottili ← ← ecco uno dei motivi per cui si cerca di abbandonarli Più rumoroso - nei motori Diesel la combustione comporta dei depositi carboniosi e causa un più rapido degrado dell’olio lubrificante, che incide negativamente sui costi di manutenzione; Motore diesel adatto a potenze medio alte, come trasporto merci […] mentre motore a benzina per potenze medio basse. COMBUSTIBILI CARATTERISTICHE Qualsiasi carburante si ponga nel motore questo deve: - completare la reazione di esplosione in breve tempo - avere più energia possibile - essendo sistema chiuso avere pochi residui e poche sostanze tossiche. Caratteristiche del carburante/biocarburante: - disponibile in abbondanza - facile da preparare - a basso costo - con alto potere calorifero / massa o /unità di volume per la facilità di stoccaggio; - in grado di esplodere anche in condizioni di basse temperatura e questo è un contro per il diesel, un suo punto debole. - Rilasciare il minor quantitativo possibile di sostanze tossiche in aria - assenza di depositi carboniosi sulle pareti della camera di combustione e di prodotti corrosivi. In genere i carburanti nella loro miglior forma sono liquidi, ma alcuni veicoli funzionano anche con carburante gassoso e in questo caso combustibili gassosi sono facilmente miscibili con l'aria, ma hanno una bassa energia per unità di volume, con conseguenti problemi di trasporto e stoccaggio. Il più importante, per disponibilità e caratteristiche d'impiego, è il gas naturale (GN), costituito prevalentemente da metano. Gas di petrolio liquefatto (GPL): una miscela di propano e butano, che si trovano allo stato gassoso nelle ordinarie condizioni di pressione e temperatura, ma possono essere facilmente liquefatti per compressione (a 0,8 + 1 MPa), a temperatura ambiente. Vedi elenchi dei vari carburanti ammessi in forma liquida/gassosa. ** potere calorifico: MJ di energia / kg di carburante. Cosa contiene un carburante liquido? - Idrocarburi, molecole con carbonio idrogeno e ossigeno in 3 forme principali: o Paraffine – alcani ; formula generica CnH2n +2, in alcuni anche olefine che hanno doppi legami C=C. o Nafteni - o ciclici: CnH2n o Aromatici: CnH2n -6 o CnH2n -12 Vedi formule di struttura delle molecole a pag.49. Paraffine La maggior parte delle molecole sono paraffine, quindi alcani. A seconda di come sono fatte, variano le proprietà del carburante. Possono essere lineari come il normal-eptano o ramificate quindi si parla di isoparaffine, che hanno stesso numero di atomi C e H ma variano le proprietà, come la resistenza alla detonazione ovvero il grado di compressione prima di esplodere. Ovviamente tra le due posso comprimere di più una isoparaffina, più facilmente modificabile e che quindi ha una maggiore resistenza alla detonazione. Se uso un motore a benzina dovrò considerare nel carburante un quantitativo di isoparaffine (quindi paraffine ramificate) più alto. Quando effettivamente esplodono devono avere anche una certa accendibilità, il concetto contrario, ovvero una molecola più lineare ha più punti in cui può essere attaccata dall’ossigeno quindi ossidata quindi più suscettibile alla detonazione; quindi, se cerco una molecola più facilmente bruciabile e accendibile devo scegliere la più lineare. È vero che sono tutte la stessa classe ma dalla differente struttura dipende la resistenza alla detonazione. In un motore posso usare anche alcoli che hanno il vantaggio di una buona resistenza alla detonazione dal contenuto di ossigeno ma con un valore di potere calorifico inferiore più basso. Proprietà dei carburanti 1. potere calorifico 2. resistenza alla detonazione (benzina) 3. accendibilità (diesel) 4. volatilità 5. gomma 6. zolfo 7. viscosità 8. intorbidimento e scorrimento 9. gas di scarico 1) Potere calorifico - definisce la qualità di un combustibile. Il potere calorifico viene definito come la quantità di calore sviluppata nel corso della combustione compIeta dell'unità di massa del combustibile considerato. Per combustione completa si intende che tutto il carbonio presente sia convertito in CO2, tutto l'idrogeno in H20 e l'eventuale zolfo in S0. Calcolata in cal o KJ / kg o su volume. Il potere calorifico viene misurato mediante un calorimetro. Se il combustibile è liquido o solido, un suo campione viene bruciato con ossigeno in una bomba calorimetrica a volume costante. A combustione completa, la valutazione del calore ceduto permette di determinare il potere calorifico del combustibile a volume costante. Se si conosce la precisa composizione del combustibile, il suo potere calorifico può  anche essere calcolato, per via teorica, come differenza tra l'entalpia dei reagenti e quella dei prodotti di ossidazione completa di 1 kg di combustibile. Si distingue potere calorifico inferiore Hi da quello superiore Hs: Il primo viene misurato quando l'acqua presente nei prodotti di combustione si trova allo stato di vapore. Il secondo quando i prodotti vengono raffreddati in modo da condensare i vapori di H20, che restituiscono così il loro calore latente di evaporazione. Nei motori, i gas combusti sono scaricati ad alta temperatura, con l'acqua allo stato di vapore. Per questo motivo, nei calcoli ad essi relativi occorre usare il potere calorifico inferiore, che è più piccolo (per questo è detto inferiore) del superiore, da cui differisce del calore latente di evaporazione dell'acqua. Uno dei due non considera l’acqua presente mentre quello superiore considera la conversione in vapore anche dell’acqua ma nei motori l’acqua non dev’essere presente quindi non va considerata. Reazioni note e potere calorifico misurabile: 2) Resistenza alla detonazione: La detonazione è una delle forme di combustione anomale che maggiormente limitano le prestazioni (potenze e consumi) di un motore ad accensione comandata. La capacità di un combustibile di resistere all'insorgere della detonazione costituisce quindi una sua proprietà, molto importante da un punto di vista motoristico. La detonazione è una combustione anomala, che consiste nell’autoaccensione della miscela aria-combustibile prima che essa sia raggiunta dal fronte di fiamma. La detonazione diminuisce il rendimento del motore e, se di entità rilevante, può danneggiare le componenti meccaniche (stantuffo e testata). È uno dei parametri in base a cui va scelto un carburante. Si calcola come il numero di ottani NO – prendendo l’isoottano come esempio, molecola molto resistente all’esplosione, questa ha NO=100. Mentre l’N-ottano lineare essendo molto meno comprimibile ha valore 0. NO permette di dire a che valore di NO la miscela corrisponde a seonda che si comporti più come l’N-ottano o l’isoottano. Vale sia per biocarburanti che carburanti normali. Se NO non va bene posso modificarlo e migliorarlo in qualche modo migliorando le proprietà detonanti della miscela, variando la miscela e le proporzioni, oppure usando additivi che esistono in commercio. Nel grafico → Temperatura di ebollizione è strettamente correlata alla lunghezza della molecola. Nel caso delle paraffine, un allungamento della catena di atomi di carbonio (paraffine normali) porta ad una diminuzione di NO, perché la molecola si spezza e si ossida più facilmente. Il compattamento della molecola, attraverso l'aggiunta di catene laterali ramificate (isoparaffine), ottiene il risultato opposto. L'introduzione di doppi legami (olefine) riduce la tendenza alla detonazione, a parità di numero di atomi di carbonio. Gli aromatici hanno un elevato NO, dovuto alla grande stabilità strutturale dell'anello esagonale centrale. La resistenza alla detonazione dei nafteni risulta, invece, di poco superiore a quella delle olefine e diminuisce, come quella, al crescere del numero di atomi di carbonio. Diversi composti ossigenati (metanolo, etanolo, alcol superiori) presentano una buona resistenza alla detonazione. N.B: una delle più grandi differenze tra biodiesel e diesel è il numero di insaturazioni dei trigliceridi, che in genere hanno una o due insaturazioni se derivanti da biomassa vegetale, quindi conferiscono a biodiesel una capacità di resistenza alla detonazione più alta rispetto alle stesse molecola non insature del carburante normale a parità di lunghezza di atomi C. 3) Accendibilità: concetto contrario alla resistenza alla detonazione, vale per il diesel. È il fatto che deve passare il minore tempo possibile tra il momento della compressione e lo scoppio del carburante,  potrebbe dare altrimenti problemi di accensione e avviamento di un motore diesel a freddo. Il combustibile è iniettato nella camera di combustione e, a contatto con l’aria ad alta temperatura, si accende con un ritardo dell’ordine del millisecondo, chiamato ritardo d’accensione. La diminuzione del ritardo rappresenta uno degli obiettivi fondamentali per il controllo della combustione nel motore Diesel: un valore troppo elevato si riflette negativamente sulla rumorosità di funzionamento e sull’aumento delle vibrazioni e delle sollecitazioni meccaniche. Al contrario, in questo caso, molecole lineari avranno accendibilità maggiore. Anche in questo caso si è deciso di esprimere l'accendibilità di un gasolio attraverso una misura, eseguita su di un motore e con modalità standard, per definire la scala di misura dell'accendibilità: il cetano (normalesadecano: C16H34): la sua molecola a catena lunga e diritta offre numerosi punti d'attacco per l'ossidazione, perciò alla sua accendibilità è stato dato un valore convenzionale pari a 100; Accendibilità l'eptametilnonano (un isocetano: C16H34) , che è invece molto più resistente all'ossidazione, per cui la sua accendibilità è stata assunta pari a 15. L'accendibilità di un combustibile viene misurata dal suo numero di Cetano NC, definito in base alla composizione della miscela di cetano ed eptametilnonano, il cui ritardo all'accensione risulta equivalente a quello del gasolio in esame, quando il confronto è eseguito su di un motore CFR Diesel standard. Vediamo un istogramma che confronta il numero di cetano di vari biodiesel […] vediamo che nonostante derivino da biomasse rispecchiano più o meno i NC tipici dei diesel standard. N.B: accendibilità e detonazione sono uno il contrario dell’altro quindi variando la miscela di paraffine e isoparaffine si può modificare questi parametri. N.B.2: il numero di doppi legami e di atomi di ossigeno nelle molecole fanno variare sensibilmente le caratteristiche dei carburanti. Per quanto riguarda molecole tossiche rilasciate i biocarburanti sono preferibili rispetto a carburanti fossili, molecole come monossido di carbonio, anidride carbonica in quantità, i PM, anidride solforosa e VOC. Tuttavia, molecole contengono azoto quindi sono rilasciati gli NOx in genere in quantità maggiore nei biocarburanti rispetto ai carburanti tradizionali. 4) Volatilità: Altro problema è la viscosità, il carburante deve scorrere nei motori quindi non essere troppo denso ma nemmeno troppo volatile, infatti, una certa volatilità è necessaria per portar via dal motore certe particelle che restano all’interno. È uno dei parametri che si misurano. La volatilità è una proprietà importante del combustibile, perché influenza il comportamento del motore, soprattutto al momento dell'avviamento a freddo e dell'accelerazione, nonché il corretto funzionamento del circuito di alimentazione del carburante. Nel caso del Diesel essa gioca un ruolo importante nell'evoluzione dello spray in camera di combustione, condizionando la vaporizzazione delle gocce ed il miscelamento tra aria e combustibile. È importante per i motori veloci che il gasolio contenga una frazione sufficientemente volatile (circa il 30% deve distillare al disotto dei 230°C), per evitare  difficoltà all'avviamento a freddo, quando la carica non può beneficiare del riscaldamento da parte delle pareti. Un combustibile troppo volatile può portare ad una miscelazione insoddisfacente con l'aria, perché la rapida evaporazione delle gocce ne limita la penetrazione in camera di combustione. Un limite alla volatilità delle frazioni leggere è invece imposto dal pericolo che si formino bolle di vapore nel circuito di alimentazione, che possono arrivare ad ostacolare od interrompere il flusso di combustibile. Le frazioni più pesanti (quelle comprese tra il punto 90% della curva di distillazione ed il punto finale), possono avere una certa influenza: sulla disuniforme ripartizione della ricchezza della miscela tra i vari cilindri e sulla formazione di depositi in camera di combustione. La parte finale della curva di distillazione deve dunque essere fissata in modo da limitare questi inconvenienti. 5) Gomma: Quando un campione di benzina evapora, in presenza di ossigeno, può lasciare un deposito non volatile avente l'aspetto di una vernice, che viene indicato sinteticamente con il nome di gomma. Si tratta In generale di prodotti di ossidazione di idrocarburi insaturi (olefine) presenti nella benzina. Poiché esse provocano inconvenienti nel funzionamento del motore le specifiche limitano il contenuto in gomme delle benzine e la tendenza alla loro formazione. 6) Zolfo: Il petrolio grezzo può contenere un tenore in zolfo (sotto forma di: zolfo libero, mercaptani, polisolfuri, ecc.) variabile. Il principale inconveniente dello zolfo consiste nel trasformarsi, durante il processo di combustione, in anidride solforosa, che rende acidi i gas scaricati, producendo così un forte impatto sull'ambiente esterno. Disturbi possono poi essere procurati anche al funzionamento del motore, perché lo zolfo favorisce la formazione di depositi in camera di combustione e, aumentando l'acidità dei gas combusti, accentua l'usura per corrosione delle parte cui essi vengono a contatto. La sua eliminazione può essere ottenuta per mezzo di un trattamento catalitico in presenza di idrogeno, che porta alla formazione di acido solfidrico (H2S). 7) Viscosità: La viscosità deve quindi essere contenuta entro limiti opportuni, precisati dalle specifiche per i vari tipi di gasolio. La viscosità di un gasolio garantisce la lubrificazione e la tenuta dei principali accoppiamenti meccanici dell'apparato di iniezione ed influenza direttamente il valore della potenza assorbita dalle pompe di circolazione ed iniezione del combustibile. Occorre limitare anche la presenza di sostanze incrostanti (residui carboniosi) che facilitano la formazione di depositi, e di prodotti abrasivi (generalmente Indicati con il termine di ceneri). Queste ultime possono derivare sia dall'introduzione accidentale di prodotti minerali, sia dall'uso di sali metallici per trattamenti precedenti, e procurano usura di tipo abrasivo negli elementi più delicati dell'apparato di iniezione. 8) Intorbidimento e scorrimento: i carburanti devono conservare una buona filtrabilità alle basse temperature, onde evitare di otturare il filtro del combustibile. Performance al freddo: rimane per i biocarburanti un punto critico, si parla di temperature dai 12°C ma anche fino agli 0°C, per biocarburanti è un problema perche diventano allo stato liquido/gelatinoso. Questa proprietà è misurata da: a. il punto di intorbidimento: temperatura alla quale, durante il raffreddamento di un campione di gasolio, cristalli di paraffina cominciano ad apparire dispersi nella fase liquida, formando una sospensione che diffonde più luce del liquido iniziale; b. il punto di scorrimento: temperatura alla quale il gasolio riprende a scorrere, dopo essere stato portato a temperatura sufficientemente bassa da bloccare lo scorrimento delle molecole. 9) Gas di scarico: I motori montati sui mezzi di trasporto costituiscono le principali sorgenti di inquinamento atmosferico nelle aree urbane ad intenso traffico, specie per quanto riguarda gli strati dell'aria più prossimi al terreno. Nei gas da essi scaricati sono contenuti diversi inquinanti:  a. monossido di carbonio (CO) b. ossidi di azoto (monossido NO e biossido N02, globalmente indicati come NOx), c. una grande varietà di idrocarburi derivanti dalla combustione o decomposizione parziale del combustibile (sinteticamente chiamati HC o VOC) d. particelle solide (PM) portate in sospensione dai gas, derivate dall'ossidazione incompleta del combustibile o da composti metallici ed additivi in esso presenti (genericamente dette particolato); e. prodotti di ossidazione di impurità del combustibile (quali lo zolfo e anidride solforosa); f. anidride carbonica N.B: nel caso di biocarburanti devo avere un prodotto finale del tutto identico e dalle stesse proprietà che il carburante classico. Nel caso di carburanti derivanti da biomasse per la tenuta del motore si deve considerare: - la viscosità cinematica: una viscosità troppo elevata determina il deterioramento delle caratteristiche dello spray; - il contenuto di ceneri: un contenuto troppo alto determina danni nel sistema di controllo delle emissioni; - il contenuto di acqua: provoca problemi di corrosione, soprattutto al livello della pompa di alta pressione e degli iniettori; - la contaminazione totale: si possono registrare intasamento dei filtri e danni al livello della pompa di alta pressione, dovuti alla mancanza di lubrificazione e al raffreddamento; - la stabilità all’ossidazione: la mancanza di stabilità determina l’innesco di processi di polimerizzazione nel circuito di alimentazione, con conseguente intasamento dei filtri e dei condotti e formazione di depositi nelle pompe; - l’acidità totale: determina problemi di corrosione; - il contenuto di trigliceridi: provoca la formazione di depositi nelle pompe di iniezione e sulle fasce elastiche. BIODIESEL Il motore diesel è ormai usato da più di 50 anni e ha la preferenza per le applicazioni pesanti come agricoltura, trasporti e lavorazioni pesanti con il vantaggio che la molecola sia più semplice, la sua produzione abbia costi più bassi, capacità de motore di funzionare con diverse miscele e la possibilità di adattarsi a più carichi di lavoro con un motore più versatile rispetto al motore a benzina. In Europa per auto private è per >50% e invece in USA hanno 1% di diesel usato per il trasporto su strada ma solo per quanto riguarda le auto, mentre per i trasporti pesanti è sempre il più utilizzato. Il problema di uso di biocarburanti non è solo a livello biologico ed ecologico ma anche a livello politico, certi mercati come quello americano spingono su certi tipi di consumo. In un motore a benzina (accensione a scintilla), il carburante e l'aria vengono aspirati nel cilindro del motore, compressi e quindi incendiati da una scintilla. La potenza del motore è controllata limitando la quantità di miscela aria-carburante che entra nel cilindro mediante una valvola a farfalla. In un motore diesel, noto anche come motore ad accensione spontanea, solo l'aria entra nel cilindro attraverso il sistema di aspirazione. Quest'aria viene compressa ad alta temperatura e pressione, quindi il carburante finemente nebulizzato viene spruzzato nell'aria ad alta velocità. Quando entra in contatto con l'aria ad alta temperatura, il carburante vaporizza rapidamente, si mescola con l'aria e subisce una serie di reazioni chimiche spontanee che provocano un'autoaccensione. Non è necessaria alcuna candela, sebbene alcuni motori diesel siano dotati di candelette riscaldate elettricamente per favorire l'avviamento del motore a basse temperature. La potenza del motore è controllata variando il volume di carburante iniettato nel cilindro. Rudolf Diesel (1858-1913), l'inventore del motore che porta il suo nome (1890). Nel 1900 gli oli vegetali sono stati utilizzati con successo in un motore diesel, quindi la questione dell’uso di oli vegetali è quasi contemporanea all’invenzione del motore diesel. «Durante l'Esposizione di Parigi del 1900, un piccolo motore diesel veniva azionato con olio di arachide dalla società francese Otto. Ha funzionato così bene che solo pochi addetti ai lavori sapevano di questa circostanza poco appariscente. Il motore è stato costruito per il petrolio ed è stato utilizzato per l'olio vegetale senza alcuna modifica. Anche in questo caso, gli esperimenti di consumo hanno portato a un utilizzo del calore identico a quello del petrolio». ← non è un’idea recente quella dell’impiego di prodotti vegetali! Inoltre non erano sviluppate quanto lo sono oggi le tecniche di raffinazione di petrolio, e così come si lavora sulle fonti sintetiche, si possono investire le ricerche e conoscenze sull’impiego di fonti rinnovabili. - Il brevetto belga n° 422.877, concesso il 31 agosto 1937 a C. G. Chavanne (Università di Bruxelles): descrive l'uso di esteri etilici dell'olio di palma (sebbene vengano menzionati altri oli ed esteri metilici) come gasolio. - Nell'estate del 1938 un autobus alimentato con estere etilico di olio di palma serviva la linea passeggeri tra Bruxelles e Louvain. - La guerra purtroppo è il fattore scatenante che spinge a trovare soluzioni e fonti alternative per i carburanti, a causa delle crisi di carenza di materie prime. Storia dei combustibili diesel a base di olio vegetale o Gli oli vegetali sono stati utilizzati anche come combustibili di emergenza e per altri scopi durante la seconda guerra mondiale o Il Brasile ha vietato l'esportazione di olio di semi di cotone per sostituirlo con il gasolio importato. o In Argentina importazioni ridotte di combustibili liquidi hanno reso necessario lo sfruttamento commerciale di oli vegetali. o la corazzata giapponese Yamato usava olio di soia raffinato come scorta di carburante o Le preoccupazioni per il crescente utilizzo di combustibili derivati dal petrolio e la possibilità di una conseguente carenza di carburante negli Stati Uniti negli anni successivi alla Seconda guerra mondiale hanno avuto un ruolo nell'ispirare progetti di ricerca sugli olii vegetali. o Vediamo articoli di lavori inerenti al biodiesel o alle lipasi, gli enzimi per la transesterificazione. Diesel Gli idrocarburi sono composti organici composti interamente da atomi di carbonio e idrogeno. Esistono 4 classi principali di idrocarburi: paraffine – idrocarburi saturi nafteni – idrocarburi saturi olefine – sono come paraffine ma con doppi legami, idrocarburi insaturi aromatici – nella struttura anche con sostituzioni laterali con legami carbonio, idrocarburi insaturi. Mentre il carbonio e l'idrogeno sono gli elementi predominanti nel petrolio greggio, sono presenti anche piccole quantità di zolfo, azoto e ossigeno. Questi elementi sono chiamati eteroatomi. Le molecole contenenti eteroatomi non sono classificate come idrocarburi. Esempi tipici trovati nel gasolio includono dibenzotiofene e carbazolo. Sebbene questi composti siano presenti in piccole quantità, svolgono un ruolo importante nel determinare alcune proprietà del carburante. Distribuzione di lunghezza delle catene alchiliche del carburante classico: Cos’è il biodiesel? BIODIESEL è “un carburante costituito da esteri mono-alchilici di acidi grassi a catena lunga derivati da oli vegetali o grassi animali”. il termine biodiesel copre una varietà di materiali a base di: oli vegetali, grassi o oli da cucina riciclati grassi animali per la scelta del feedstock scelgo in base alla zona in cui mi trovo e in base alla stagionalità. Può essere usato da s