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    Andrea UNICH

    Insegnamento di COMBUSTIBILI NON CONVENZIONALI

    Corso di laurea magistrale in INGEGNERIA PER L'ENERGIA E L'AMBIENTE

    SSD: ING-IND/10

    CFU: 2,00

    ORE PER UNITÀ DIDATTICA: 16,00

    Periodo di Erogazione: Primo Semestre

    Italiano

    Lingua di insegnamento

    Italiano

    Contenuti

    Il corso analizza gli aspetti relativi ai combustibili alternativi, in particolare quelli provenienti da Biomasse. Sono descritti i principali processi di produzione, di utilizzo e i conseguenti impatti ambientali associati ai combustibili non convenzionali.
    I principali processi di produzione dei biocombustibili, chimici, termochimici e biologici, sono descritti con riferimento alla biomassa di provenienza.
    Gli aspetti relativi alle proprietà fisico-chimiche e l’impatto di questi combustibili quando vengono sostituiti a quelli tradizionali fossili sono analizzati in dettaglio.
    Il conseguente impatto ambientale è valutato attraverso le analisi Well-to-Tank e Well-to-Wheel mediante le direttive europee e le normative conseguenti. E’ fornito anche un cenno all’analisi LCA.

    Testi di riferimento

    Dispense dalle lezioni e materiale integrativo disponibile sul sito
    Direttive europee 2009/28/EC (RED), 2015/652 (FQD)
    Normative EN 16214 Sustainability criteria for the production of biofuels and bioliquids for energy applications.
    Sito Internet della Penn State University: Alternative Fuels from Biomass Sources https://www.e-education.psu.edu/egee439/

    Obiettivi formativi

    Il corso ha l’obiettivo di fornire conoscenze sull’utilizzo dei combustibili alternativi, di provenienza non fossile. Il crescente utilizzo di risorse fossili per fini energetici, siano essi per impianti di generazione di potenza o per il settore trasporti, ed il conseguente impatto ambientale rendono necessario il ricorso a nuove fonti di approvvigionamento energetico. I combustibili alternativi rispondono in parte a tali richieste. Esistono però aspetti nella produzione e nel loro utilizzo che devono essere attentamente valutati. Gli aspetti della produzione, utilizzo e impatto ambientale sono analizzati nel dettaglio e confrontati con quelli relativi ai combustibili fossili.

    Prerequisiti

    Energetica, Combustione.

    Metodologie didattiche

    Corso tradizionale con lezioni frontali e visite a impianti per la produzione di biocombustibili.

    Metodi di valutazione

    Esame orale con domande su: produzione dei Combustibili Alternativi; utilizzo di Combustibili Alternativi in motori a combustione interna; valutazione dell’impatto ambientale e criteri di sostenibilità.

    Altre informazioni



    Programma del corso

    Scenario energetico mondiale: produzione e consumi.
    Parte I Produzione
    Cenni relativi ai principali concetti di Chimica Organica utili allo studio dei combustibili idrocarburici convenzionali e non convenzionali. Descrizione delle principali classi di idrocarburi: Alcani, Alcheni, Alchini, Alcoli, Eteri, Aromatici, Aldeidi, Chetoni, Acidi Carbossilici, Esteri. Nomenclatura degli idrocarburi. Carboidrati, Lipidi, Proteine.
    Descrizione del processo di raffinazione del petrolio. Indicazione di qualità e quantità dei vari tagli petroliferi ottenibili dalla raffinazione del petrolio.
    Trattamenti chimico-fisici dei vari tagli petroliferi. Thermal e Catalytic cracking dei tagli pesanti (oli lubrificanti, bitumi), Hydro-treating e dewaxing dei tagli petroliferi intermedi (diesel, kerosene e naphtha), Catalytic reforming della benzina, e alchilazione degli idrocarburi gassosi
    Classificazione e descrizione dei principali combustibili convenzionali: i) Benzina; ii) Diesel.
    Classificazione della biomassa: Residui agricoli, Residui forestali, Rifiuti, Colture energetiche.
    Classificazione dei bio-combustibili: Solidi (legno, cippato, pellets, bricchette, ...), Liquidi (oli vegetali, alcoli, eteri, …), Gassosi (biogas e biometano).
    Principali metodi per la caratterizzazione delle proprietà di una biomassa. Analisi prossimale, Ultimate Analysis, Calore di combustione (bomba di Mahler), Analisi delle ceneri.
    Processo di gassificazione: essiccazione, pirolisi, combustione e riduzione. Definizione di Char, Tar, Ash. Proprietà del syngas (gas di sintesi) in funzione della biomassa, delle caratteristiche della corrente di gassificazione. Calcolo del Potere Calorifico del syngas. Design dei gassificatori (letto fisso up-draft, letto fisso down-draft, letto fisso cross-draft, letto fluidizzato).
    Processo di pirolisi e principali reazioni. Prodotti della pirolisi: gas: CO, CO2, CH4, C2H4; liquido: idrocarburi a basso peso molecolare come aldeidi, chetoni, alcoli; solido: idrocarburi ad alto peso molecolare, ceneri. Classificazione dei vari metodi di pirolisi: lenta, rapida e flash. Schema di processo per la pirolisi rapida per produzione di bio-olio. Differenza tra bio-olio e petrolio.
    Descrizione del processo di digestione anaerobica di biomassa (deiezioni, rifiuti, ecc.) per la produzione di biogas (miscela CH4 e CO2). Fasi della digestione anaerobica: Idrolisi, Acidogenesi, Acetogenesi, Metanogenesi. Tipologie di batteri coinvolti in ognuna delle fasi di digestione anaerobica. Principali tipologie di digestori.
    Caratterizzazione della biomassa usata in un processo di digestione anaerobica: contenuto di solidi totali (ST), di solidi volatili (VS), Contenuto di Carbonio, Azoto, Zolfo.
    Descrizione dell’effetto delle principali variabili che condizionano il processo di digestione anaerobica: pH, temperatura (digestione mesofila, digestione termofila).
    Composizione del biogas durante il processo di digestione anaerobica. Equazione di Gompertz.
    Descrizione del processo di fermentazione per la produzione di bio-etanolo.
    Bio-etanolo di prima generazione (da biomasse saccarifere e amidacee) e di seconda generazione (da biomasse ligno-cellulosiche).
    Tipologie di impianti per produzione di bio-etanolo a partire dalle diverse tipologie di biomassa.

    Parte II Utilizzo
    Generalità sui motori a combustione interna. Potere calorifico inferiore e rapporto aria combustibile stechiometrico. Classificazione dei cicli termodinamici. Temperatura adiabatica di fiamma, ciclo Otto ideale. Rendimento del ciclo Otto ideale, Ciclo diesel ideale, confronto, cicli limite Otto e Diesel. Cenni sulla combustione dei motori ad accensione comandata, fattori che influenzano la propagazione del fronte di fiamma, detonazione. Numero di ottano di un combustibile. Confronto tra le proprietà principali dei combustibili per motori ad accensione comandata (benzina, alcol, gas naturale, biogas): numero di ottano, curve di distillazione, impatti sul sistema di alimentazione, stoccaggio su veicolo di combustibili gassosi. Confronto tra le proprietà principali dei combustibili per motori ad accensione per compressione (gasolio, biodiesel, GTL); numero di cetano, curve di distillazione, punto di intorbidimento e punto di scorrimento.

    Parte III Impatto ambientale
    Cenni sull’impatto ambientale della CO2 equivalente e conseguente Effetto Serra. Normative europee sull’uso delle biomasse quali biocarburanti e bioliquidi: Direttive 2009/30/CE, 328/2018, 2015/652 qualità dei biocarburanti.
    Analisi LCA per la valutazione dell’impatto della produzione di biocarburanti o bioliquidi.
    Analisi WTW e WTT secondo direttive europee per la valutazione della riduzione delle emissioni di CO2 equivalente in atmosfera nel settore trasporti e nel settore energia. Standard ISO EN 16214 per la quantificazione delle emissioni di CO2.

    English

    Teaching language

    Italian

    Contents

    The course analyzes the alternative fuels, in particular those from Biomass. The main production processes of alternative fuels, their use and consequent environmental impacts are described.
    The main chemical, thermo-chemical and biological processes for biofuels are presented for different biomass.
    The physical-chemical properties of alternative fuels and conventional fossils ones are compared.
    The consequent environmental impact is assessed through Well-to-Tank and Well-to-Wheel analyzes using European directives and the corresponding regulations. A reference to the LCA analysis is also provided.

    Textbook and course materials

    Lecture notes and supplementary material available on the site.
    European Directives 2009/28 / EC (RED), 2015/652 (FQD)
    Standards EN 16214 Sustainability criteria for the production of biofuels and bioliquids for energy applications.
    Internet website of Penn State University: Alternative Fuels from Biomass Sources https://www.e-education.psu.edu/egee439/

    Course objectives

    The course aims to provide knowledge on the use of alternative fuels. The increasing use of fossil resources for energy purposes, whether they are for power generation plants or for the transport sector, and the consequent environmental impact make it necessary to search for new energy supply sources. The alternative fuels partly respond to these requests. However, there are aspects of alternative fuels production and their use that must be carefully evaluated. In this course, the production, the use and the environmental impact of alternative fuels are analysed in detail and compared with those of traditional fossil fuels.

    Prerequisites

    Energy source management, Combustion.

    Teaching methods

    Traditional course with lectures and visits to biofuel production plants.

    Evaluation methods

    Oral exam with questions about: production of Alternative Fuels; use of Alternative Fuels in internal combustion engines; environmental impact assessment and sustainability criteria.

    Other information



    Course Syllabus

    World energy scenario: production and consumption.
    Part I Production
    Main concepts of Organic Chemistry useful for the study of conventional and non-conventional hydrocarbon fuels. Description of the main hydrocarbon classes: Alkanes, Alkenes, Alkynes, Alcohols, Ethers, Aromatics, Aldehydes, Ketones, Carboxylic Acids, Esters. Hydrocarbons nomenclature. Carbohydrates, Lipids, Proteins.
    Description of the oil refining process. Indication of quality and quantity of the various oil cuts obtainable from oil refining.
    Chemical-physical treatments of the various oil cuts. Thermal and Catalytic cracking of heavy fuels (lubricating oils, bitumen), Hydro-treating and dewaxing of intermediate oils (diesel, kerosene and naphtha), Catalytic reforming of gasoline, and alkylation of gaseous hydrocarbons
    Classification and description of the main conventional fuels: i) Gasoline; ii) Diesel.
    Biomass classification: agricultural residues, forest residues, waste, energy crops.
    Classification of bio-fuels: Solids (wood, chips, pellets, briquettes, ...), Liquids (vegetable oils, alcohols, ethers, ...), Gaseous (biogas and bio-methane).
    Main methods for the characterization of the biomass properties. Proximate analysis, Ultimate Analysis, Combustion heat (Mahler's bomb), Ash analysis.
    Gasification process: drying, pyrolysis, combustion and reduction. Definition of Char, Tar, Ash. Properties of syngas as a function of the biomass and of the gasification current. Calculation of the calorific value of the syngas. Gasifier design (up-draft fixed bed, down-draft fixed bed, cross-draft fixed bed, fluidized bed).
    Description of the pyrolysis process and indication of the main pyrolysis chemical reactions. Pyrolysis products: gas: CO, CO2, CH4, C2H4; liquid: low molecular weight hydrocarbons such as aldehydes, ketones, alcohols; solid: high molecular weight hydrocarbons, ashes. Classification of various pyrolysis methods: slow, rapid and flash. Process scheme for rapid pyrolysis for bio-oil production. Difference between bio-oil and crude oil.
    Description of the anaerobic biomass digestion process (manure, waste, etc.) for the production of biogas (CH4 and CO2 mixture). Phases of anaerobic digestion: Hydrolysis, Acidogenesis, Acetogenesis, Methanogenesis. Types of bacteria involved in each of the anaerobic digestion phases. Main types of digesters.
    Biomass characterization used in an anaerobic digestion process: total solids (ST), volatile solids (VS) content, Carbon Content, Nitrogen, Sulfur.
    Description of the effect of the main variables that affect the process of anaerobic digestion: pH, temperature (mesophilic digestion, thermophilic digestion).
    Biogas composition during the anaerobic digestion process. Gompertz equation.
    Description of the fermentation process for the production of bio-ethanol. First generation bio-ethanol (from sugar and starchy biomass) and second generation (from ligno-cellulosic biomass).
    Types of plants for bio-ethanol production starting from the different types of biomass.

    Part II Use
    General information on internal combustion engines. Lower calorific value and stoichiometric air fuel ratio. Classification of thermodynamic cycles. Adiabatic flame temperature, Otto and Diesel cycles.
    Combustion of spark ignition engines, factors that influence the flame front propagation, detonation. Octane number of a fuel. Comparison of the main properties of fuels for spark ignition engines (gasoline, alcohol, natural gas, biogas): octane number, distillation curves, impacts on the fuel system, storage of gaseous fuels on the vehicle. Comparison of the main properties of fuels for compression-ignition engines (diesel, biodiesel, GTL); cetane number, distillation curves, cloud point and pour point.

    Part III Environmental impact
    Environmental impact of biofuels as equivalent CO2 and consequent Greenhouse Effect. European regulations on the use of biomasses such as biofuels and bioliquids: Directives 2009/30 / CE, 328/2018, 2015/652 quality of biofuels.
    Life Cycle Analysis (LCA) for the evaluation of the impact of the production of bio-fuels or bio-oil.
    WTW and WTT analysis according to European directives for the evaluation of the reduction of CO2 equivalent emissions in the atmosphere in the transport sector and in the energy sector. ISO EN 16214 standard for the quantification of CO2 emissions.

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