BISP Biorefineries in the Siena Province: filiera paglia-energia

Title: Analisi di fattibilità di bioraffinerie in Provincia di Siena (BISP)

Type: research project

Funding program: borsa di studio attivata dalla Provincia di Siena attraverso il bando di “selezione per l’assegnazione di borse di ricerca per l’attrazione di ricercatori in azienda”.

Timeframe: 2010-2011

Objective.

Il progetto di ricerca denominato BISP (Biorefineries in the Siena Province) ha come scopo principale quello di valutare la fattibilità nell’installare una o più “bioraffinerie” nella Provincia di Siena per la produzione di biocombustibili di seconda generazione.

Gli obiettivi di questo progetto di ricerca sono:

1. valutare la possibilità di produrre bioetanolo di II generazione con la biomassa residua presente nella Provincia di Siena;
2. valutare se sia possibile produrre il quantitativo di bioetanolo che sarà necessario introdurre nel mix della benzina entro il 2020. Secondo le direttive espresse nel pacchetto EU clima energia 20-20-20 entro il 2020 almeno il 10% dei combustibili utilizzati per autotrazione (che corrisponde a circa 8.200 tonnellate) dovranno essere di origine rinnovabile;
3. cercare soluzioni per rendere economicamente conveniente produrre bioetanolo di seconda generazione, ottimizzando l’uso delle risorse, combinando la produzione di bioetanolo ad aziende che abbiano calore residuo come scarto, al fine di non aumentare il ricorso all’energia proveniente da fonti fossili;
4. ridurre le emissioni di CO₂ connesse al settore dei trasporti in linea con le politiche dalla Provincia di Siena in tema di emissione di gas serra (programma Siena carbon free 2015).

Data la vocazione agricola del territorio della Provincia di Siena, il progetto valuta l’utilizzo di scarti delle colture cerealicole (paglia) ricchi di materiale lignocellulosico per produrre bioetanolo. In Provincia di Siena, sono presenti coltivazioni di grano duro, grano tenero, avena e orzo; la paglia prodotta da queste coltivazioni ha percentuali variabili dal 34 al 37,1% di cellulosa e dal 24,9 al 44% di emicellulosa.

BISP parte dal concetto di “integrated biorefineries”, ovvero l’integrazione di impianti di produzione di biocombustibili con centrali termoelettriche per lo sfruttamento del calore residuo. In  particolare, oggetto dell’indagine è l’installazione di una bioraffineria ottenuta dall’integrazione dell’impianto di produzione di bioetanolo con pozzi geotermici non utilizzati quindi riducendo, se non azzerando, il ricorso a combustibili fossili necessari per le trasformazioni bio-chimiche. A partire da una ricognizione di questa tipologia di impianti in Europa, sono state stimate dimensione dell’impianto, quantità di biomassa processata e potenziale produzione di bioetanolo. Infine, è stata valutata l’efficienza e la sostenibilità ambientale e economica del processo produttivo.

Il progetto è stato realizzato grazie alla collaborazione tra EG e l’Agenzia Provinciale per l’Energia e l’Ambiente della Provincia di Siena (APEA).

Outcomes.

I principali risultati del progetto sono così sintetizzabili:

• Sfruttando gli scarti delle colture cerealicole della Provincia di Siena è possibile implementare una filiera produttiva di bioetanolo di seconda generazione.
• È possibile produrre bioetanolo in un impianto integrato, localizzato nel nord della Provincia, sfruttando il calore di cascame proveniente da pozzi geotermici.
• Per alimentare la filiera produttiva è necessario utilizzare la paglia prodotta in 17/19 Comuni (in base all’anno di riferimento), quelli cioè che si trovano in un raggio di circa 70 km dall’impianto, rispettando così il principio della “filiera corta”.
• Utilizzando uno speciale pretrattamento termico brevettato in Danimarca, si ottiene una resa di circa 217 kg di bioetanolo per tonnellata di paglia.
• È possibile raggiungere il target prefissato dal pacchetto EU clima energia 20-20-20 destinando alla produzione di bioetanolo il 50-60% della paglia prodotta nei comuni interessati dalla filiera produttiva (38,000 t/anno di bioetanolo da 147,000 t/anno di paglia).
• Le emissioni derivanti dal processo di produzione del bioetanolo sono circa 601,51 kg CO₂ eq per tonnellata di bioetanolo.
• L’utilizzo del bioetanolo prodotto in Provincia di Siena in sostituzione del 10% di benzina produrrebbe la diminuzione di 15.393 tonnellate di CO₂ eq, pari a una diminuzione del 6% delle emissioni nette di CO₂ eq dell’intera Provincia di Siena.
• Se il 30% dell’investimento iniziale fosse finanziato con fondi nazionali o Europei, il periodo di rientro è stato valutato in 15-16 anni.

Localizzazione della bioraffineria e individuazione dei comuni coinvolti.

Diagramma di flusso della produzione di bioetanolo dei comuni coinvolti in Provincia di Siena.

 

 

References.

– Patrizi et al; 2013: Environmental feasibility of partial substitution of gasoline with ethanol in the Province of Siena (Italy). Journal of Cleaner Production, 47, 388-395.

– Patrizi et al., 2015. Evaluation of the emergy investment needed for bioethanol production in a biorefinery using residual resources and energy. Journal of Cleaner Production, 96: 549-556.

Keywords: Biofuels, Biorefinery, Straw, Greenhouse gas emissions (GHG), Life Cycle Assessment (LCA), Geothermal heat

Methods: Life Cycle Assessment, Emergy EvaluationTitle: Biorefineries in the Siena Province (BISP)

Type: research project

Funding program: Reserach fellowship funded by the Province of Siena

Timeframe: 2010-2011

 

Objective.

This study presents a possible implementation of a second generation bioethanol production chain within the Province of Siena (Tuscany, Italy) by means of a biorefinery, and its consequences for the regional GHG balance in order to meet the European requirements for partial substitution of 10% bioethanol for gasoline by 2020. According to the GHG inventory of the Province of Siena, the transport sector represents the main contributor to the overall GHG emissions within the Province. A biorefinery project is hypothesized, fed by residual straw (from the local production of wheat, barley and oat) and residual geothermal heat (from local geothermal power plant) in order to produce bioethanol. The target of the production plant was about 8,200 tons/year of bioethanol, representing the amount needed to replace 10% of the gasoline consumed in 2008 in the Province of Siena.

About 37% of the territory of the Province of Siena is dedicated to agriculture. Firstly, the potential amount of residual biomass (straw from the foremost crop cultivations of the territory of the Province of Siena) is evaluated that could be converted into bioethanol. Then, the possible implementation of an integrated biorefinery within the territory of the Province of Siena is investigated by means of LCA analysis, including the total CO₂eq released along the production chain of the bioethanol. Finally, the consequences of that production process, combined with the partial substitution of gasoline with bioethanol in the GHG balance of the Province of Siena, are evaluated. The results of the Life Cycle Assessment (LCA) of the entire production chain have been included within the GHG balance of the Province of Siena in order to assess the effect of this substitution. The emissions derived from the production chain have been added to the current gross CO₂eq emissions, and the CO₂eq avoided, thanks to the substitution of bioethanol, has been subtracted. Finally a roughly estimation of the payback period has been carried out.

Ecodynamics group and Environmental and Energy Agency of the Province of Siena (APEA) worked together for the development of the project.

 

Outcomes.

The main results of this paper are:

1. the territory of the Province of Siena produces enough straw to implement the bioethanol production chain (38,000 tons/year of ethanol out of 147,000 tons/year of straw);
2. the emissions deriving from the entire bioethanol production chain are about 601.51 kg CO₂eq per ton of bioethanol produced (about 4,932 tons of CO₂eq are the emissions associated to the production of 8,200 tons of bioethanol);
3. the use of the produced bioethanol in Siena’s transport sector could bring about a reduction of 15,393 tons of CO₂eq in emissions, equal to 6% of the net CO₂eq emissions.
4. The payback period for the biorefinery, have been estimated in 15-16 years if 30% of the investment could be covered by national or European incentives.

 
Location of the hypothetical biorefinery and the municipalities that could be involved in the production chain (colored in grey).

Flow diagram of the bioethanol production chain in the Province of Siena.

 

 

References.

– Patrizi et al; 2013: Environmental feasibility of partial substitution of gasoline with ethanol in the Province of Siena (Italy). Journal of Cleaner Production, 47, 388-395.

– Patrizi et al., 2015. Evaluation of the emergy investment needed for bioethanol production in a biorefinery using residual resources and energy. Journal of Cleaner Production, 96: 549-556.

 

Keywords: Biofuels, Biorefinery, Straw, Greenhouse gas emissions (GHG), Life Cycle Assessment (LCA), Geothermal heat

Methods: Life Cyclce Assessment, Emergy Evaluation

Principal Investigator @EG: Nicoletta Patrizi PhD