ABSTRACT FASI PRINCIPALI della produzione di BIODIESEL

LIFE CYCLE ASSESSMENT DELLA PRODUZIONE DI ENERGIA
DA MICROALGHE: ANALISI DELLO STATO DELL’ARTE
Vittoria Bandini*, Chiara Monari, Serena Righi, Andrea Contin
Alma Mater Studiorum - Università di Bologna
CENTRO INTERDIPARTIMENTALE DI RICERCA INDUSTRIALE ENERGIA E AMBIENTE – Unità Operativa Biomasse
Sede Legale Rimini – via Angherà, 22
*E-mail: [email protected]
ABSTRACT
Attualmente
ente è in corso la sperimentazione in impianti pilota
La produzione di energia da biomasse algali sembra un settore molto
molto promettente per lo sviluppo delle fonti rinnovabili. Attualm
e in laboratorio. È importante che la ricerca tecnologica sia affiancata dalla valutazione
valutazione della sostenibilità
sostenibilità dei processi considerati. In questo lavoro sono stati analizzati
analizzati gli studi che
recentemente si sono occupati di valutazione del ciclo di vita (Life
individuati
ti prevalentemente studi che
(Life Cycle Assessment – LCA) della produzione di energia da alghe. Sono stati individua
valutano la produzione di biodiesel.
biodiesel. Gli studi si concentrano sul bilancio energetico dei processi, ed indicano come questo possa essere favorevole quando si coco-produca biogas
insieme a biodiesel o comunque quando si riesca a valorizzare anche i prodotti di scarto
scarto del processo (biomassa residua, glicerolo,
glicerolo, ecc.). Si evidenziano però
però varie fasi, tra cui
l’essicazione della biomassa algale e l’
l’estrazione dei lipidi, che richiedono ancora delle forti innovazioni
innovazioni tecnologiche per migliorarne le performance.
OBIETTIVI DEL LAVORO
Valutare gli approcci metodologici
LCA utilizzati, i confini e le assunzioni
applicati allo scopo di individuare le
fasi più
più critiche e le best practices.
practices.
ANALISI BIBLIOGRAFICA
Valutare i risultati ottenuti dai diversi autori allo
scopo di individuare in modo generale ostacoli,
limitazioni e miglioramenti da apportare al processo
per renderlo maggiormente ecoeco-sostenibile.
STRAIN-TO-PUMP
TECNOLOGIE
FASI PRINCIPALI della produzione di BIODIESEL
Centrifuga, flocculazione, sedimentazione, flottazione
Rimozione dell’acqua
Estrazione dei lipidi
Autori
L.Batana , J.Quinn,
B. Willison,
T.Bradley
Titolo
Net Energy and Greenhouse
Gas Emission Evaluation of
Biodiesel Derived from
Microalgae
Campbell P.K.,
Beer T., Batten D.
Clarens A.F.,
Resurreccion E.P.,
White M.A., Colosi
L.M.
Life cycle assessment of
biodiesel production from
microalgae in ponds
Environmental Life Cycle
Comparison
of Algae to Other Bioenergy
Feedstocks
Anno
2010
Rivista
Centrifuga, filtrazione, pressa, trattamento termico
Esano, tr. termico, estrazione “wet”
wet”, mulino a sfere
Transesterificazione
Trasporto
Razon L.F., Tan
R.R.
Sander, K., Murthy,
G.S.
Stephenson
A.L.,Kazamia E.,
Dennis J.S., Howe
C.J., Scott S.A.,
Smith A.G.
A
Life-Cycle Assessment of
Biodiesel
Production from Microalgae
Net energy analysis of the
production of biodiesel and
biogas from the microalgae:
Haematococcus pluvialis and
Nannochloropsis
Coltura delle alghe
Raccolta e asciugatura
Altri processi
Batan et al. (2010)
fotobioreattori
centrifuga
Campbell et
al., 2011
vasche all'aperto
Insufflazione di gas
Flocculazione chimica
Dissolved air flotation
system
2011 Bioresource Technology
2010
Environ. Sci. Technol.
Life-cycle assessment of
microalgae culture coupled to
biogas production
2011 Bioresource Technology
Comparative energy life-cycle
analyses of microalgal biomass
Jorquera O.,
Kiperstok A., Sales
production
E.A., Embiruçu
in open ponds and
M.,Ghirardi M.L.
photobioreactors
2010 Bioresource Technology
H.H. Khoo , P.N.
Sharratt, P. Das,
Life cycle energy and CO2
R.K.
analysis of microalgae-toBalasubramanian,
biodiesel:
P.K. Naraharisetti,
Preliminary results and
S. Shaik
comparisons
2011 Bioresource Technology
Lardon L., Hélias
A.,Sialve B., Steyer
J., Bernard O.
Paper
Environ. Sci. Technol.
Collet P., Hélias A.,
Lardon L., Ras M.,
Goy R.A., Steyer J.
Fotobioreattori, vasche all’
all’aperto
Coltivazione delle microalghe Fotobioreattori,
Raccolta
Circa 40 articoli sull’
sull’argomento; 13 fanno uso della
metodologia LCA per valutare gli impatti ambientali
2009
2011
Clarens et al., 2010
Collet et al., 2011
Jorquera et al.,
2010
Jorquera et al.,
2010
vasche all'aperto
uso di acque reflue urbane
Vasche all'aperto
CO2 recuperata dalla digestione
anaerobica
Pompaggio di acqua e fertilizzanti
Coltura in fotobioreattori
Insufflazione di gas
Pompaggio di acqua
vasche all'aperto
Insufflazione di gas
Pompaggio di acqua
Lardon et al., 2009,
scenario dry
Lardon et al., 2009,
scenario wet
Applied Energy
An energy evaluation of coupling
Belinda S.M. Sturm, nutrient removal from wastewater
Stacey L. Lamer
with algal biomass production 2011
Applied Energy
Xu L., Brilman
Assessment of a dry and a wet
D.W.F., Withag
route for the production of
J.A.M ,Brem G.,
biofuels from microalgae:
Kersten S.
Energy balance analysis
2011 Bioresource Technology
Yang J., Xu M.,
Zhang X., Hu Q.,
Life-cycle analysis on biodiesel
Sommerfeld M.,
production from microalgae:
Chen Y.
Water footprint
2011 Bioresource Technology
sedimentazione naturale
centrifuga
Coltura in fotobioreattore
Inoculo in vasche all'aperto
Insufflazione di gas
Razon e Tan, 2011,
Hematococcus
Razon e Tan, 2011,
Nanno chloropsis
Produzione
biodiesel
biomassa
algale
glicerina
transesterifica
zione
biometano
centrifuga
digestione
anaerobica della
biomassa secca
biometano
vasche all'aperto
esano
transesterifica
zione
vasche all'aperto
flocculazione con argilla e
flocculante sintetico
rotary press
estrazione da
massa umida
sedimentazione
gravitazionale
microfiltraggio
digestione
anaerobica della
biomassa residua
flocculazione
sedimentazione
gravitazionale
belt dryer
digestione
anaerobica della
biomassa residua
chamber filter press
evaporazione al sole
stufa a gas naturale
Coltura in fotobioreattore
Inoculo in vasche all'aperto
Sander et al. , 2010
Coltura in fotobioreattore
Inoculo in vasche all'aperto
Stephenson et
al., 2010
vasche
Stephenson et
al., 2010
fotobioreattori
flocculazione
omogeneizzazione
Xu et al., 2011,
scenario wet
vasche all'aperto
flocculazione
centrifuga
disidratazione meccanica
self cleaning plate
separation centrifuge
evaporazione al sole
stufa a gas naturale
flocculazione
decanter centrifuge
omogeneizzazione
Origine dati
trasporto
Colorado State
University pilot plant e
modellizzazione
GREET e literature
letteratura e
assunzioni
modello
flocculazione con argilla e
flocculante sintetico
rotary press
belt dryer
Sander et al. , 2010
Altri aspetti considerati
centrifuga
transesterifica
zione
Coltura in fotobioreattore
Inoculo in vasche all'aperto
Insufflazione di gas
Pompaggio di acqua
Coltura in fotobioreattore
Inoculo in vasche all'aperto
Insufflazione di gas
Pompaggio di acqua
Altri prodotti
shear mixer,
centrifuge,
decant tank,
solvent
transesterifica
recovery, and
zione
two distillation
units (esano etanolo)
esano e
metanolo
Environ. Sci. Technol.
Life cycle analysis of algae
biodiesel
2010 Int. J Life Cycle Assess
Life-Cycle Assessment of
Potential Algal Biodiesel
Production in the United
Kingdom:
Comparison of Raceways and
Air-Lift Tubular Bioreactors
2010
Energy & Fuels
flocculazione
flocculazione con
coagulante
Air sparging
centrifuga
Khoo et al. , 2011
digestione
anaerobica della
biomassa residua
Estrazione
lipidi
digestione
anaerobica della
biomassa residua
digestione
anaerobica della
biomassa residua
gassificazione
supercritica dei
residui acquosi
uso del combustibile
hypothetical system
riciclo digestato
based on extrapolation
infrastrutture
from lab-scale studies
riciclo acqua e nutrienti
infrastrutture
review of the literature
data
infrastrutture
review of the literature
data
microalgae-to-algal oil
system
from the Institute of
Chemical and
Engineering Sciences
(ICES) in
Singapore
glicerolo
glicerolo
materie prime
uso del combustibile
evaporazione dell'acqua
infrastrutture
riciclo acqua e nutrienti
materie prime
uso del combustibile
evaporazione dell'acqua
infrastrutture
riciclo acqua e nutrienti
virtual facility
virtual facility
cracking bead
transesterifica
mill
zione
decanter
biogas
riciclo acqua
database e altri articoli
esano
transesterifica
zione
biogas
riciclo acqua
database e altri articoli
esano
transesterifica
zione
etanolo
based on current statetrasporto
of-the-art industrial
emissioni in atmosfera
technology
evaporazione di acqua
esano
transesterifica
zione
etanolo
trasporto
based on current stateemissioni in atmosfera
of-the-art industrial
evaporazione di acqua
technology
transesterifica
zione
biometano
glicerolo
transesterifica
zione
biometano
glicerolo
Hydrotreating
idrogeno
esano
stripping
column
esano
stripping
column
esano
oil cake
trasporto
uso del combustibile
materie prime
trasporto
uso del combustibile
materie prime
riciclo nutrienti
ipotesi di impianto
ipotesi di impianto
ipotesi di impianto
BILANCIO ENERGETICO
Il bilancio energetico netto risulta
negativo in 13 scenari su 17
7
15,40
MJ consumati/ MJ biodiesel
6
5
4
biodiesel conversion
3
transportation
lipid separation
2
1
EMISSIONI DI CO2eq
La valorizzazione dei coprodotti
appare la chiave di volta della
sostenibilità
sostenibilità energetica ed
ambientale di questo processo
produttivo
drying
growth + harvest
B
Kh at an
oo
Kh sc .
o 1
La o s
rd c .2
o
La n s
rd c. 1
o
La n s
rd c. 2
o
La n s
rd c. 3
on
Ra sc
zo . 4
n
Ra sc
zo .1
Sa n s
nd c .2
e
S r
St and sc. 1
ep e
he r s
ns c. 2
on
sc
Xu .2
sc
Xu .1
sc
Xu .2
sc
Xu .3
sc
.4
0
Le fasi più
più energivore risultano la raccolta, la rimozione
dell’
dell’acqua dalla biomassa e la separazione dei lipidi
I bilanci energetici finali risultano molto variabili in funzione
funzione
della tipologia di processo studiata e delle tecnologie applicate
applicate
in quel processo
Gli autori che osservano bilanci energetici più
più favorevoli
inferiori,, a
rilevano anche emissioni di gas serra confrontabili, o inferiori
quelle del biodiesel da coltivazioni terrestri o del diesel fossile
PRIME INDICAZIONI PER L’
L’APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA
Fare riferimento a linee guida e
modelli riconosciuti: linee guida
ILCD, modello GREET per
bilancio energetico ed emissioni
di GHG dei biocombustibili
Prestare particolare
attenzione
all’
all’allocazione dei
coprodotti
Quando possibile
utilizzare dati primari per
aumentare la qualità
qualità e
l’affidabilità
affidabilità dei risultati
ottenuti
Adottare come unità
unità
funzionale una unità
unità
energetica (ex. 1MJ
biodiesel)
biodiesel)
Scegliere un approccio
StrainStrain-toto-Pump per
facilitare il confronto
con altri combustibili
e biocombustibili
Considerare oltre al bilancio
energetico e le emissioni di CO2
anche altri impatti ambientali per
ottenere un valutazione multimulticriteriale