le biomasseed i biocombustibili nell’autotrazione · • recupero metanolo • purificazione...

Le biomasse ed i biocombustibilinell’autotrazione

Prof. Vittorio Rocco

Università di Roma Tor Vergata

- 2 -

Background

10

10

12

12

kgkg

CO

2C

O2

- 3 -

Background

Ripartizione energia rinnovabile in Italia (2004)

31%

7%

3%

5%

54%

Idroelettrico

Biomasse

Geotermia

Eolico

RSU

- 4 -

Background – Cos’è la biomassa?

Con il termine biomassa si intendono in particolare sostanze

di origine biologica : materiali e residui di origine agricola e

forestale, prodotti secondari e scarti dell'industria agro-

alimentare, i reflui di origine zootecnica, ma anche i rifiuti

urbani (in cui la frazione organica raggiunge mediamente il

40% in peso), le alghe e molte specie vegetali utilizzate per

la depurazione di liquami organici. In base all'origine si può

suddividere in Naturale, Residuale o Dedicata

- 5 -

Background

Residui forestali e Residui forestali e

delldell’’industria del legnoindustria del legno

Residui agricoli e Residui agricoli e

agroagro--alimentarialimentari

Colture energeticheColture energetiche

ForestazioneForestazione

AlgheAlghe

Prodotti organici da Prodotti organici da

attivitattivitàà biologichebiologiche

RSURSU

Processi termoProcessi termo--chimicichimici

Processi bioProcessi bio--chimicichimici

Processi meccanici/ Processi meccanici/ chimicochimico--fisicifisici

Combustibili liquidiCombustibili liquidi

CaloreCalore

Combustibili solidiCombustibili solidi

RisorseRisorse ProcessiProcessi ProdottiProdotti

ElettricitElettricitàà

- 6 -

Background

• I Paesi sottoscrittori del Protocollo di Kyoto sono chiamati a ridurre le emissioni di gas serra entro il 2012 del 8% rispetto al 1990

• L’Unione Europea indica come obiettivo vincolante la riduzione del 20% nel consumo di combustibili fossili entro il 2020, attraverso:

– miglioramento dei processi produttivi

– aumento dell’efficienza

– fonti alternative di energia

• I biocombustibili rappresentano una soluzione tecnicamente percorribile nel breve periodo

• Il Piano temporale dell’Unione Europea per l’uso dei biocombustibilinell’autotrazione prevede una sostituzione parziale dei combustibili tradizionali con biocombustibili per una quota pari al 5.75% nel 2010

• Per l’Italia significherebbe produrre circa 2.000.000 ton di biocombustibile sfruttando più del 10% dell’intera superficie agricola utilizzata (SAU = 13 milioni di ha) per colture tradizionali

- 7 -

I biocarburanti rappresentano un’opportunità…

1. Per l’agricoltura: bio-etanolo e biodiesel rappresentano una opportunità concreta

per gli agricoltori per dare valore aggiunto alle commodities di loro produzione, a

patto che siano essi stessi parte integrante del processo di trasformazione

2. Per lo sviluppo dell’economia: costruire una bioraffineria significa prima offrire

lavoro alle imprese di progettazione e costruzione; poi mantenere e creare posti di

lavoro e nuove professionalità, generando indotto sul territorio; quindi, promuovere

l’attività di aziende nazionali leader nella miscelazione e distribuzione dei

carburanti, nonché delle industrie di produzione degli autoveicoli. In Brasile le auto

FFV sono oggi il 20% e la loro immissione sul mercato sta trascinando la

produzione di etanolo.

3. Per l’ambiente: produzioni agricole generano sequestro di carbonio sul territorio.

Il bioetanolo permette di ridurre le emissioni di CO2 dei gas serra, in linea con gli

obiettivi del protocollo di Kyoto, in un contesto di bilancio energetico positivo

4. Per la società: l’utilizzo di bioetanolo e biodiesel miscelato alla benzina migliora la qualità

dell’aria, specialmente nelle zone urbane dove maggiore è la concentrazione delle

emissioni dovute ai trasporti

5. Per l’auto-approvvigionamento energetico: produrre bioetanolo sul territorio da

materia prima prodotta in loco significa maggiore indipendenza dai paesi produttori

di combustibili fossili

Impiego del biodiesel nell’autotrazione

Parte I: Principali problematiche per la diffusione del biodiesel

- 9 -

Capacità produttiva del biodiesel in Europa

2004 2005Capacità

produttiva

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

7000

EU25

Germania

Francia

Italia

kt

- 10 -

Tecnologia di Produzione del biodiesel

Produzione OlioPre-Trattamento

OlioProduzione Biodiesel

Recupero Glicerina

• Trattamento/Pulizia semi

• Estrazione olio

• Trattamento farine• Essiccazione Olio

• Degommazione olio• Neutralizzazione/

Deacidificazione olio

•Transesterificazione• Purificazione Biodiesel

• Separazione Glicerina

• Recupero Metanolo

• Purificazione Glicerina• Distillazione Glicerina

Olio Grezzo Olio Neutro Biodiesel Glicerina Distillata

Il Biodiesel è un combustibile ossigenato che viene ottenuto a partire da oli vegetali (anche oli di scarto da cucina o

grassi animali) sottoposti al processo di transesterificazione

- 11 -

Transesterificazione

La reazione chimica

+ = +

100 kg of oil 11 kg of 100 kg of

Methyl Ester

11 kg of

1 mole

trigliceride

3 moles 3 moles 1 mole

Glycerine Methyl Alcohol

- 12 -

Specifiche internazionali per il biodiesel

• Le specifiche internazionali per il biodiesel sono fissate nella norma ISO 14214; gli Stati Uniti fanno riferimento inoltre alla specifica ASTM D 6751; la Germania ad una apposita specifica DIN che identifica tre tipi di biodiesel:

• RME (esteri metilici dell'olio di colza - DIN E 51606)

• PME (esteri metilici di soli oli vegetali - DIN E 51606)

• FME (esteri metilici di grassi vegetali e animali - DIN V 51606)

• Le specifiche fissano alcuni punti importanti nei processi di produzione del biodiesel:

• completezza della reazione

• rimozione del glicerolo

• rimozione del catalizzatore

• rimozione degli alcoli

• assenza di acidi grassi liberi

• La conformità a queste caratteristiche viene generalmente verificata tramite gascromatografia.

- 13 -

Transesterificazione

Il processo

Reattore

(STR)

Distillazione

BIODIESEL

Metanolo

NaOHDistillazione

Lavaggio

Acido (H3PO4)

Acidi grassi

Catalizzatore

Raffreddamento

Distillazione

GLICERINA

Neutralizzazione

Acqua

Metanolo riciclato

Saponi

Acqua di rifiuto

Fosforo (fertilizzante)

T=60°C

1h stirring

Mixer

Olio

CaloreResidui di

processo

Metilesteri

Residui di

processo

Recupero Calore

Recupero Calore

Recupero Calore

Recupero Calore

- 14 -

Confronto proprietà gasolio-biodiesel (RME)

Properties Diesel fuel

RME

Cetane number 48 52

C/H/O (molar fraction) 16:30:0 19:34:2

Density, g/cm3 (15° C) 0.83 0.89

Viscosity, cSt (37.8° C) 3.3 4.5

Net heating value, kJ/kg 43000 36000

Carbon content C (wt%) 86.5 77.4

Hydrogen content H (wt%) 13.4 12

Oxygen content O (wt%) - 10.5

Sulphur content S (wt%) 0.05 < 0.01

Stoichiometric ratio A/F 14.5 12.6

Iodine number, g I2/100g - 118

Distillation curve

10% EV. 181 332

50% EV. 255 340

90% EV. 337 350

F.B.P. 372 353

Carbon residue (wt%) 0.01 0.05

Biodegradable no yes

- 15 -

Rese medie – 1 ettaro di coltura di girasoli

Residui Residui

colturalicolturali

Panello/FarinePanello/Farine

Gusci/TegumentiGusci/Tegumenti

GlicerinaGlicerina

BIODIESELBIODIESEL

3.087 kg3.087 kg

SEMISEMI

1.124 kg1.124 kg

OLIOOLIO

8.119 kg8.119 kg

2.120 kg2.120 kg

926 kg926 kg

1.013 kg1.013 kg

115 kg115 kg

- 16 -

Biodiesel & emissioni di CO2 in Italia

Scenario 1: Sostituzione parziale (15% - hp conservativa) del gasolio con biodiesel da girasole

Ipotesi

• Consumo totale gasolio

24 milioni di tonnellate

• Emissioni di CO2 gasolio

(ciclo di vita)

0.294 kg/kg (produzione) + 3.19 kg/kg(combustione) = 3.484 kg/kg

83.6 milioni di tonnellate

(76.3 utilizzo 7.3 produzione gasolio)

• Emissioni CO2 da biodiesel

(ciclo di vita)

(da 0.678 kg/kg a 1.24 kg/kg)

in termini di equivalenza energetica va considerato il rapporto tra i p.c.i.)

Output

• Quantità di biodiesel equivalente al 15% di gasolio in termini energetici

4.1 milioni di tonnellate

• Ettari necessari per la coltivazione

~ 4 milioni di ettari

• Risparmio di CO2

da 7 a 10 milioni di tonnellate

Impiego del biodiesel nell’autotrazione

Parte II: Sperimentazione del biodiesel nei motori automobilistici

- 18 -

L’impiego del biodiesel nel motore: evoluzione set up sperimentale

Fast Data

Acquisition

System

AVL

Test

Commander

PUMA II

Exaust

Gas

Analyser

Gas di

scarico

Engine data

acquisitions

Exhaust gas

analyzer

Electric

Brake

ECU

ECU Calibration

Software

Croma ID TDIAlfa Romeo 1.9

JTD 16V

Attività anni ‘90 Attività anni 2000

- 19 -

L’impiego del biodiesel nel motore:

risultati sperimentali: motore Croma ID TDI

0.5 1.5 2.5 3.5 4.51.0 2.0 3.0 4.0

φ

20

60

100

140

180

0

40

80

120

160

200

Torq

ue,

Nm

100% Gasoil

100% RME

15 25 35 45 5510 20 30 40 50 60

α

20

60

100

140

180

0

40

80

120

160

200

Torq

ue,

Nm

100% Gasoil

100% RME

A

B

Diesel fuel

Diesel fuel

Prestazioni motore – Sperimentazione motore Croma

15 25 35 45 5510 20 30 40 50 60

α

5

15

25

35

45

55

0

10

20

30

40

50

60

Po

wer

, k

W

100% Gasoil

100% RME

0.5 1.5 2.5 3.5 4.51.0 2.0 3.0 4.0

φ

5

15

25

35

45

55

0

10

20

30

40

50

60

Po

wer

, k

W

100% Gasoil

100% RME

A

B

Diesel fuel

Diesel fuel

COPPIAPOTENZA

- 20 -


risultati sperimentali: motore Croma ID TDI

Consumo specifico di combustibile e di calore

15 25 35 45 5510 20 30 40 50 60

α

225

275

325

375

425

200

250

300

350

400

450

Fu

el C

ons.

g/k

Wh

100% Gasoil

100% RME

A

Diesel fuel

0.5 1.5 2.5 3.5 4.51.0 2.0 3.0 4.0

φ

225

275

325

375

425

200

250

300

350

400

450

Fu

el C

on

s. g

/kW

h

100% Gasoil

100% RME

B

Diesel fuel

0.5 1.5 2.5 3.5 4.51.0 2.0 3.0 4.0

φ

9000

11000

13000

15000

8000

10000

12000

14000

16000

Sp

ec.

Hea

t C

on

s. k

J/k

Wh

100% Gasoil

100% RME

C

Diesel fuel

Consumo specifico di calore

Consumo specifico di

combustibile

- 21 -


risultati sperimentali: motore Alfa Romeo 1.9 JTD

Condizioni sperimentali

Sono state analizzate le prestazioni di un motore ad accensione per compressione Alfa Romeo 1.9 JTD 16 V al variare

della composizione del combustibile. Per i test sono stati usati gasolio commerciale, RME (rapeseed methyl-ester)

- 22 -



0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.21 1.4 1.8 2.2 2.6 3

λ

0

50

100

150

200

250

300

25

75

125

175

225

275

To

rqu

e [N

m]

2000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.21 1.4 1.8 2.2 2.6 3

λ

200

240

280

320

360

400

220

260

300

340

380

BS

FC

[g

/kW

h]

2000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

Coppia e BSFC in funzione di λλλλ (2000 rpm)

- 23 -



1 2 3 41.5 2.5 3.5

λ

0

50

100

150

200

250

25

75

125

175

225

To

rqu

e [N

m]

3000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

1 2 3 41.5 2.5 3.5

λ

200

300

400

500

600

250

350

450

550

BS

FC

[g

/kW

h]

3000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

Coppia e BSFC in funzione di λλλλ (3000 rpm)

- 24 -



0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.21 1.4 1.8 2.2 2.6 3

λ

0

400

800

1200

1600

2000

200

600

1000

1400

1800

CO

[p

pm

]

2000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

1 2 3 41.5 2.5 3.5

λ

0

400

800

1200

1600

2000

200

600

1000

1400

1800

CO

[p

pm

]

3000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

CO in funzione di λλλλ (2000 e 3000 rpm)

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0.8 1.2 1.6 2 2.4 2.8 3.21 1.4 1.8 2.2 2.6 3

λ

0

400

800

1200

1600

200

600

1000

1400

NO

x [p

pm

]

2000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

1 2 3 41.5 2.5 3.5

λ

0

400

800

1200

1600

2000

200

600

1000

1400

1800

NO

x [p

pm

]

3000 rpm

RME

Diesel fuel

UFO_biodiesel

NOx in funzione di λλλλ (2000 e 3000 rpm)

Impiego del bioetanolonell’autotrazione

- 27 -

Cos’è il bioetanolo

Il bioetanolo è un etanolo prodotto mediante un processo di

fermentazione delle biomasse, ovvero di prodotti agricoli ricchi di

zucchero (glucidi) quali i cereali, le colture zuccherine, gli amidacei

e le vinacce.

In campo energetico il bioetanolo può essere utilizzato come

componente per benzine o per la preparazione dell‘ETBE (etere

etilbutilico), un derivato alto-ottanico. Può essere utilizzato nelle

benzine in percentuali fino al 20% senza modificare il motore, o

anche puro nel Motore Flex (*).

Il processo di produzione del bioetanolo genera, a seconda della

materia prima agricola utilizzata, diversi sottoprodotti con valenza

economica, destinabili a seconda dei casi alla mangimistica, alla

cogenerazione,

(*) La tecnologia flex è stata studiata negli anni 90 dalla Magneti Marelli per consentire, ai motori che la utilizzano, di

rilevare in tempo reale qual è la percentuale di bioetanolo all'interno della miscela etanolo-benzina. In base alle

informazioni rilevate, la centralina corregge la carburazione secondo i valori mappati per favorire la combustione

- 28 -

Principali caratteristiche bioetanolo vs. benzina

Bioetanolo Benzina

Densità (kg/l) 0.79 ~ 0.75

Formula Bruta C2H6O CnH2n+2

Potere calorifico inferiore (kcal/kg) 6400 10300

Numero di ottano 113 95 – 97

Rapporto stechiometrico 9 14.7

Tonalità termica (kcal/kg) 711,1 700,6

- 29 -

Problematiche utilizzo bioetanolo nei motori

a. vaporizzazione difficoltosa → problemi nella fase diavviamento a freddo: sistemi elettrici di preriscaldamentodel blocco motore

b. potere calorifico ridotto (40%) → aumento dei consumi:modifica del controllo dell’iniezione

c. corrosione: l’impianto di alimentazione deve essererealizzato impiegando acciaio inox e gomme compatibili

d. proprietà lubrificanti inferiori: per certi componenti (a titolodi esempio le sedi delle valvole) devono essere impiegatimateriali più resistenti

- 30 -

Vantaggi utilizzo bioetanolo nei motori

Benefici ambientali: riduzione CO2 (combustibile rinnovabile)

Valida alternativa alla benzina: può essere utilizzato puro(E100) oppure miscelato (generalmente, 85 % alcol e 15 %benzina - E85)

Numero di ottano maggiore → miglioramento delleprestazioni del motore, in quanto viene a diminuire il rischiodella detonazione

Riduzione emissioni derivanti da combustione incompleta (CO, HC,particolato)

Non contiene zolfo

E’ totalmente biodegradabile

- 31 -

Produzione mondiale di bioetanolo

- 32 -

Resa media dei terreni

Per dare un ordine di grandezza i 34 milioni di veicoli italiani che

consumano circa 1000 l/anno di carburante hanno bisogno di 5.7

milioni di ettari di suolo brasiliano coltivato a canna da zucchero.

In Italia la Superficie Agricola Utile è 13 milioni di ettari totali

- 33 -

Bilancio energetico

- 34 -

Riduzione dei gas serra (GHG)

- 35 -

Come utilizzare il bioetanolo….

IMMEDIATAMENTE

• come miscela 10%-85% nelle benzine per motori ad accensione comandata;

• come sostituto 0%-100% della benzina nei Motori Flex (400.000 vetture in

Brasile, 1.500.000 vetture negli USA, 15.000 vetture in Svezia)

IN FUTURO

• nei veicoli con motore ottimizzato per l’uso del bioetanolo attualmente in

sviluppo ma non ancora in commercio

• nei veicoli equipaggiati con celle a combustibile (con conversione a bordo del

bioetanolo in idrogeno)

- 36 -

Gli aspetti economici del bioetanolo

I COSTI DI PRODUZIONE DEL BIOETANOLO

140 €/t in Brasile (da canna da zucchero)

500 €/t in Europa (da barbabietola/mais)

420 €/t in USA (da mais)

700 €/t da sintesi dell’etilene

Attualmente non competitivo in Europa ma nuove colture

ottimizzate come il “sorgo-zuccherino” permetterà di abbassare

il costo di produzione del bioetanolo a 250 €/t

- 37 -

Gli aspetti economici del bioetanolo

- 38 -

Conclusioni - bioetanolo

• Il bioetanolo può essere prodotto virtualmente da qualsiasi tipo di zucchero o amido attraverso un processo fermentativo: le sorgenti più comuni sono la canna da zucchero, il mais, il frumento e le barbabietole da zucchero

• Molti motori a benzina hanno migliorato le proprie prestazioni utilizzando bioetanolo, tuttavia, il combustibile può corrodere gli elastomeri e crea difficoltà di accensione a basse temperature.

• L’utilizzo di bioetanolo puro può ridurre le emissioni di gas serra dell’intero ciclo di vita dal 20 al 100%.

• Il costo di prosuzione in Europa non lo rende ancora competitivo come in Brasile. Ricerche in atto dimostrano, pero’, come in breve tale costo posta essere più che dimezzato.

- 39 -

Conclusioni - biodiesel

• L’impiego del biodiesel è condizionato da:

– Scelte politiche comunitarie che favoriscano l’impiego deibiocombustibili in generale e del biodiesel in particolare cheanticipino o quantomeno rispettino le indicazioni del protocollo diKyoto;

– Scelte politiche nazionali che determinino una più estesadetassazione in attesa che, soprattutto per fattori di scala, il costodel prodotto divenga competitivo;

– Organizzazione del settore agroenergetico dedicato che, coinvolgal’intera filiera per rendere possibile uno sfruttamento ottimizzatodelle biomasse prodotte.

- 40 -

Conclusioni - biodiesel

• I risultati della sperimentazione su motori di diversa generazionemostrano che:

– Le prestazioni possono considerarsi del tutto equivalenti ancheusando biodiesel al 100% (B100) sempre che si possa interveniresul sistema di controllo modificando la mappatura della centralina in relazione alla percentuale di miscelazione biodiesel-gasolio;

– Nei motori di vecchia generazione non gestiti elettronicamente siverificano inevitabili perdite di coppia e significativi incrementi delleconcentrazioni di NOx allo scarico;

– Nei motori di recente generazione le emissioni di NOx rientranonella norma qualora si agisca sulla tempistica di iniezione e sullamodulazione dell’EGR.

– Le emissioni di particolato dovranno esere più accuratamenteverificate soprattutto in termini di dimensioni delle particelle (vale anche per il gasolio) con un sistema di misura in grado di rilevarleanche durante transitori e fino ad una dimensione minima di circa 10 nm.

- 41 -

Bibliografia dell’Autore

1) V. Rocco, R. Montanari, M.V. Prati, A. Senatore “Analysis of Particulate Emitted from an IDI

Turbocharged Small Diesel Engine Fuelled with Diesel Fuel, Biofuel and their Blend” 1995 Fall Technical

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2) Rocco V., Prati M.V., Senatore A., Cerri E., Benfenati M. “Fueling a Small Diesel Engine by Using Gasoil

and RME: Comparative Results and Particulate Characterization” 1° Convegno Internazionale su “I

Carburanti Alternativi e Biocombustibili: Produzione ed Utilizzazione” 20-21 giugno 1996;

3) Cardone M., Prati M.V., Senatore A., Rocco V. “Analisi delle prestazioni e delle emissioni di un motore

Diesel alimentato con miscele di biocombustibile e gasolio” Convegno MIS-MAC V Metodi di

Sperimentazione nella Macchine Roma 13 febbraio 1998;

4) Prati M.V., Rocco V., Senatore A. “Analisi sperimentale dell’impiego del Biofuel in un motore Diesel ad

iniezione diretta sovralimentato per applicazioni autoveicolistiche” Congresso MISMAC VI

Sperimentazione nelle macchine, Genova 1999;

5) M. Cardone, A. Senatore, M.V. Prati, V. Rocco, “A Comparative Analysis of Combustion Process in D.I.

Diesel Engine Fueled with Biodiesel and Diesel fuel“. SAE Tech. Pap. No. 2000-01-0691

6) M. Cardone, M.V. Prati, V. Rocco, M. Seggiani, A. Senatore, S. Vitolo “Brassica carinata as an Alternative

Oil Crop for the Production of Biodiesel in Italy: Engine Performance and Regulated and Unregulated

Exhaust Emissions” Environmental Science & Technology / VOL. 36, NO. 21, 2002

7) M. Cardone, M. Mazzoncini, S. Menini, V. Rocco, A. Senatore, M. Seggiani, S. Vitolo “Brassica carinata as

an alternative oil crop for the production of biodiesel in Italy: agronomic evaluation, fuel production by

transesterifcation and characterization” Biomass and Bioenergy 25 (2003) 623 – 636

8) Senatore A., Cardone M., Allocca L., Rocco V., Vitolo S. ”Experimental Characterization of a Common

Rail Engine Fuelled with Different Biodiesel“ SAE BRASIL Fuels & Lubricants Meeting & Exhibition, Rio

de Janeiro, Brazil – May 11-13, 2005

9) Senatore A., Cardone M., Buono D., Rocco V., Allocca L., Vitolo S. "Performances and Emissions

Optimization of a CR Diesel Engine Fuelled with Biodiesel” SAE paper n. 2006-01-0235, SAE 2006 World

Congress Detroit, Michigan, April 2006.

10) Senatore A., Cardone M., Buono D., Rocco V.” Combustion Study of a CR Diesel Engine Optimized to be

Fuelled with Biodiesel” Cairo International Conference on Environment and Energy 2007

le biomasseed i biocombustibili nell’autotrazione · • recupero metanolo • purificazione...

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