Application of infrared spectroscopy technique for the assessment of solid biofuels quality

Aware of the continuous worldwide increase in energy demand, the greenhouse gases emission concern and the necessity to limit the dependency on fossil fuels, European policy currently promotes renewable energy sources. Among the different types, solid biofuels are for sure some of the most promising alternative, but the fast growth of their market highlights the problem of product quality, which has strong repercussions for technical, environmental, and economic aspects. Moreover, the variability of the material characteristics leads to the need to check its quality in order to ensure a good product and make it competitive with the other fuels. In this context, infrared spectroscopy aims to be a new method of quality control. Differently from the conventional laboratory analysis, it is economic, fast and does not require skilled operators. This Ph.D. project focused on developing an alternative low cost method of biomass quality control based on infrared spectroscopy. The first part of the thesis investigated the qualitative parameters of biofuels. In particular, the discrimination between hardwood and softwood samples, the subsequent prediction of hardwood/softwood content in blend samples and the discrimination between virgin wood and residues from wood processing industries (i.e. bark and treated wood) have been analysed. The second part of the project shows examples of applications of near infrared spectroscopy for the prediction of the quantitative parameters of biofuels, in particular ash content, gross calorific value and moisture content. The results are preliminary, but really promising. Indeed, they confirm the possibility to use infrared spectroscopy coupled with chemometrics as a screening tool for getting information about the main parameters of biomass, ensuring a more effective and extensive monitoring of the quality control, especially in the crucial steps of the bioenergy chain.

Consapevole del continuo aumento della richiesta di energia, della problematica dei gas climaalteranti e della necessità di limitare la dipendenza dei combustibili fossili, la politica europea sta promuovendo le fonti di energia rinnovabile. Tra queste i biocombustibili solidi sono sicuramente tra le più promettenti, ma la rapida crescita del loro mercato ha evidenziato il problema della qualità del prodotto, che ha forti ripercussioni sotto l’aspetto tecnico, ambientale ed economico. Inoltre, la variabilità delle caratteristiche del materiale porta alla necessità di controllarne la qualità così da assicurare un buon prodotto e renderlo competitivo con gli altri combustibili. In questo contesto si inserisce la spettroscopia infrarossa che punta ad essere un nuovo sistema di controllo qualitativo; più economico, rapido e di semplice utilizzo rispetto alle convenzionali analisi di laboratorio. Questo progetto di Ph.D. mira a sviluppare un metodo di controllo alternativo della qualità della biomassa basato sulla tecnica della spettroscopia infrarossa. La prima parte della tesi si focalizza sull’analisi dei parametri qualitativi della biomassa. In particolare, sono stati analizzati aspetti quali la discriminazione tra campioni di conifera e di latifoglia, la predizione del contenuto di conifera/latifoglia in miscele e la discriminazione tra legno vergine e i residui dell’industria del legno (e.g. corteccia e legno trattato con colle). La seconda parte del progetto mostra esempi di applicazione della spettroscopia del vicino infrarosso per la predizione di caratteristiche quantitative dei biocombustibili, in particolare contenuto di ceneri, potere calorifico superiore e contenuto di umidità. I risultati sono preliminari, ma molto incoraggianti. Infatti, hanno confermato la possibilità di usare la spettroscopia infrarossa, in combinazione con tecniche chemiometriche, come strumento di screening per ottenere informazioni sui principali parametri della biomassa, assicurando così un monitoraggio più efficace e puntuale della qualità, specialmente nei punti nevralgici della filiera.