• Articolo Roma, 5 marzo 2007
  • L'energia prodotta dalla biomassa

    Definizione Biomassa

  • La *Biomassa* utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero trasformati in combustibili solidi, liquidi o gassosi.

Si definisce biomassa qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale o animale, destinata a fini energetici o alla produzione di ammendante agricolo, e rappresenta una sofisticata forma di accumulo dell’energia solare.

La brevità del periodo di ripristino fa si che le biomasse rientrino tra le fonti energetiche rinnovabili, in quanto il tempo di sfruttamento della sostanza è paragonabile a quello di rigenerazione. Poiché nel concetto di rinnovabilità di una fonte energetica è insita anche la sostenibilità ambientale, sarà necessario che le biomasse, con particolare riferimento a quelle di origine forestale, provengano da pratiche aventi impatto ambientale trascurabile o nullo (es. le operazioni di manutenzione boschiva).
Non sono invece considerati biomasse alcuni materiali, pur appartenenti alla chimica organica (come le materie plastiche e i materiali fossili), perchè non rientrano nel concetto con cui si intendono i materiali organici qui presi in considerazione.
Quando si bruciano le biomasse (ad esempio la legna), estraendone l’energia immagazzinata nei componenti chimici, l’ossigeno presente nell’atmosfera si combina con il carbonio delle piante e produce, tra l’altro, anidride carbonica, uno dei principali gas responsabile dell’effetto serra. Tuttavia, la stessa quantità di anidride carbonica viene assorbita dall’atmosfera durante la crescita delle biomasse. Il processo è ciclico.
Fino a quando le biomasse bruciate sono rimpiazzate con nuove biomasse, l’immissione netta di anidride carbonica nell’atmosfera è nulla.

Sono quindi biomasse, oltre alle essenze coltivate espressamente per scopi energetici, tutti i prodotti delle coltivazioni agricole e della forestazione, compresi i residui delle lavorazioni agricole e della silvicoltura, gli scarti dei prodotti agro-alimentari destinati all’alimentazione umana o alla zootecnia, i residui, non trattati chimicamente, dell’industria della lavorazione del legno e della carta, tutti i prodotti organici derivanti dall’attività biologica degli animali e dell’uomo, come quelli contenuti nei rifiuti urbani (la “frazione organica” dei Rifiuti).
Nell’accezione più generale si può quindi considerare *Biomassa* tutto il materiale di origine organica sia vegetale, sia animale, ma per schematizzare meglio questo settore si possono prendere in considerazione le tre principali filiere che lo rappresentano:

* Filiera del legno
* Filiera dell’agricoltura
* Filiera degli scarti e dei rifiuti

 

Per esemplificare qualche tipologia di biomassa, tra le più comuni, si possono citare:

 

I combustibili solidi, liquidi o gassosi derivati da questi materiali (direttamente o in seguito a processi di trasformazione) sono definiti *biocombustibili*, mentre qualsiasi forma di energia ottenuta con processi di conversione della biomassa è definita *bio-energia*

TECNOLOGIE D’IMPIEGO

L’utilizzo delle biomasse presenta una grande variabilità in funzione dei tipi dei materiali disponibili e, nel tempo, sono state sviluppate molte tecnologie di conversione energetica, delle quali alcune possono considerarsi giunte ad un livello di sviluppo tale da consentirne l’utilizzazione su scala industriale, altre, invece, più recenti e molto complesse, necessitano di ulteriore sperimentazione al fine di aumentare i rendimenti e ridurre i costi di conversione energetica.
I processi utilizzati attualmente sono riconducibili a due categorie: *processi termochimici* e *processi biochimici*, all’interno dei quali si suddividono le tecnologie attualmente disponibili, tra le quali – ad eccezione della combustione diretta – tutte le altre rappresentano pretrattamenti, mirati ad aumentare la resa termica, a sfruttare sino in fondo il materiale disponibile, a migliorarne la praticità di trasporto ed impiego e le caratteristiche di stoccaggio oppure a ridurre residui dopo l’utilizzazione:

Processi termochimici

I processi di conversione termochimica sono basati sull’azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30% (tali valori sono indicativi di riferimento). Ad esempio, 1 kg di legna secca (15% umidità residua) fornisce 4,3 kWh di energia e, quindi, 3 kg di legno equivalgono ad 1 kg di gasolio mentre 2,3 kg di legno corrispondono a 1 m³ di metano.

Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica tal quale sono:

* la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, etc.),
* sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, etc.)
* scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, etc.).

*1. combustione diretta*
è il più semplice dei processi termochimici e consiste nell’ossidazione completa del combustibile a H2O e CO2; è attuata, in generale, in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, etc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 30%. I prodotti utilizzabili a tale scopo sono i seguenti:

– legname in tutte le sue forme (cippato e pellet);
– paglie di cereali;
– residui di raccolta di legumi secchi;
– residui di piante oleaginose (ricino, catramo, etc.);
– residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, etc.);
– residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali;
– residui dell’industria agro-alimentare.

*2. Carbonizzazione*
è un processo di pretrattamento del materiale vegetale che consiste nell’alterazione termochimica della biomasse mirato a conferirle migliori caratteristiche attraverso la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), mediante somministrazione di calore in presenza di poco ossigeno e la conseguente eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili non combustibili dalla materia vegetale.

*3. pirolisi*
è un processo di degradazione termochimica di materiali organici, attraverso l’azione del calore, a temperature elevate (tra 400 e 800°C), in completa assenza degli agenti ossidanti (aria o ossigeno) o con una ridottissima quantità di ossigeno (in questo caso il processo può essere descritto come una parziale gassificazione). Dalla pirolisi si ottengono prodotti gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi utilizzati (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. La produzione di energia basata su questa tecnica presenta ancora alcuni problemi connessi alla qualità dei prodotti così ottenuti, che non ha ancora raggiunto un livello sufficientemente adeguato rispetto alle applicazioni (con turbine a gas o con motori diesel). Attualmente, le prospettive migliori sono per impianti di grandi dimensioni che utilizzano olio da pirolisi, e per impianti di piccola taglia che usano i prodotti pirolitici con motori a ciclo diesel.

*4. gassificazione*
il processo consiste nella trasformazione in combustibile gassoso di un combustibile solido o liquido, nel caso specifico della biomassa, attraverso una decomposizione termica (ossidazione parziale) ad alta temperatura (900÷1.000°C). Il gas prodotto è una miscela di H2, CO, CH4, CO2, H2O (vapore acqueo) e N2, accompagnati da ceneri in sospensione e tracce di idrocarburi (C2H6). La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi tipi di gassificatore, dei combustibili e del loro contenuto di umidità.
Questo gas (detto gas di gasogeno) è di potere calorifico inferiore medio-basso, (oscilla tra i 4.000 kJ/Nm³ dei gassificatori ad aria, i 10.000 kJ/Nm³ dei gassificatori a vapor d’acqua ed i 14.000 kJ/Nm³ di quelli ad ossigeno).
La tecnologia presenta ancora alcuni problemi, principalmente per il non elevato potere calorifico dei gas ottenuti e per le impurità il loro presenti (polveri, catrami e metalli pesanti). Inoltre, l’utilizzo del gas di gasogeno quale vettore energetico è limitato per i problemi connessi ai costi dello stoccaggio e del trasporto, causa il basso contenuto energetico per unità di volume rispetto ad altri gas. Per rendere economicamente più valido questo processo si trasforma il gas in alcool metilico (CH3OH), che può essere impiegato per l’azionamento di motori. Il metanolo, caratterizzato da un potere calorifico inferiore dell’ordine di 21.000 kJ/kg, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica, con potere calorifico analogo a quello delle benzine tradizionali.

*5. Steam Explosion (SE)*
è un trattamento innovativo, a basso impatto ambientale, mediante il quale si può ottenere una vasta gamma di prodotti, utilizzando come materia prima le biomasse vegetali. Rispetto agli altri processi di pretrattamento, lo SE presenta il vantaggio fondamentale di separare in tre differenti correnti le frazioni costituenti i comuni substrati vegetali (emicellulosa, cellulosa, lignina) rendendo possibile l’utilizzazione totale delle biomasse.

Il processo consiste nell’uso di vapore saturo ad alta pressione per riscaldare rapidamente legno, o qualsiasi altro materiale lignocellulosico, in un reattore che può essere ad alimentazione continua o discontinua.

Si citano anche la *Co-Combustione* e la *Co-Gassificazione* volti a utilizzare nello stesso impianto le biomasse insieme a combustibili tradizionali come il carbone o i derivati dal petrolio.

Processi biochimici

I processi di conversione biochimica sono dovuti al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni e vengono impiegati per quelle biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l’umidità alla raccolta superiore al 30%.

Risultano idonei alla conversione biochimica:
* colture acquatiche
* alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.)
* reflui zootecnici
* scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, etc.)
* biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate

*6. la digestione anaerobica*
è il processo di fermentazione (conversione biochimica) della materia organica ad opera di micro-organismi in assenza di ossigeno; consiste nella demolizione delle sostanze organiche complesse contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale (lipidi, protidi, glucidi), che dà origine ad un gas (biogas) costituito per il 50-70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO2, con un potere calorifico medio dell’ordine di 23.000 kJ/Nm³. Questo processo di fermentazione della sostanza organica ne conserva integri i principali elementi nutritivi presenti (azoto, fosforo, potassio), agevolando la mineralizzazione dell’azoto organico, in modo che l’effluente ne risulti un ottimo fertilizzante.
Il biogas prodotto viene raccolto, essiccato, compresso ed immagazzinato per utilizzarlo come combustibile per caldaie a gas nella produzione del calore o per motori a combustione interna (si utilizzano motori di tipo navale a basso numero di giri) per produrre energia elettrica.
Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati anche con residui ad alto contenuto di umidità, quali le deiezioni animali, i reflui civili, i rifiuti alimentari e la frazione organica dei rifiuti solidi urbani e questo potrebbe rappresentare un’interessante opportunità negli impianti di raccolta dei rifiuti urbani. Però, la raccolta del biogas sviluppato nelle discariche, anche se attrezzate allo scopo, non supera il 40% circa del gas generato e quasi il 60% è disperso in atmosfera, esito non auspicabile perché la gran quantità di metano presente nel biogas ha conseguenze negative sull’effetto serra. Pertanto questo processo andrebbe svolto essenzialmente in appositi impianti chiusi (digestori), dove quasi tutto il gas prodotto viene raccolto ed usato come combustibile.

*7. digestione aerobica*
consiste nella metabolizzazione ad opera di batteri delle sostanze organiche, in ambiente condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi micro-organismi convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto può essere così trasferito all’esterno, mediante scambiatori a fluido. In Europa viene utilizzato il processo di digestione aerobica termofila autoriscaldata (Autoheated Termophilic Aerobic Digestion) per il trattamento delle acque di scarico. Più recentemente tale tecnologia si è diffusa anche in Canada e Stati Uniti.

*8. La fermentazione alcolica*
è un processo di tipo micro-aerofilo che opera la trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in etanolo. L’etanolo risulta un prodotto utilizzabile anche nei motori a combustione interna normalmente di tipo “dual fuel”, come riconosciuto fin dall’inizio della storia automobilistica. Se, però, l’iniziale ampia disponibilità ed il basso costo degli idrocarburi avevano impedito di affermare in modo molto rapido l’uso di essi come combustibili, dopo lo shock petrolifero del 1973 sono stati studiati numerosi altri prodotti per sostituire il carburante delle automobili (benzina e gasolio); oggi, tra questi prodotti alternativi, quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni è proprio l’etanolo, o più probabilmente il suo derivato ETBE (EtilTertioButilEtere), ottenuto combinando un idrocarburo petrolifero (l’isobutene) e l’etanolo.

*9. Estrazione oli vegetali e produzione di biodiesel*
alcune essenze vegetali presentano la caratteristica di avere semi ricchi di oli che possono essere estratti ed utilizzati come combustibili per alimentare gruppi elettrogeni attraverso la combustione diretta.
Queste piante dette oleaginose (soia, colza, girasole, mais, ecc.) producono quantità di olio in misura del 35-45% del peso con un notevole potere calorico (fino a 10.000 kcal/kg) sono adatti, per semplicità di trasformazione ed utilizzazione, alla produzione di energia elettrica ed energia termica con impianti di combustione a tecnologia molto semplice.
Inoltre, offrono interessanti opportunità per la riutilizzazione dei sottoprodotti del processo dell’estrazione dell’olio dai semi; infatti i residui ricchi di materie proteiche sono impiegati per gli alimenti della zootecnia o nell’industria farmaceutica (ad esempio la glicerina) ed infine per la produzione di pellet.
Gli oli vegetali combustibili sono utilizzati nello stato in cui vengono estratti, a condizione che presentino le caratteristiche idonee in termini di contenuti minimi di acqua ed impurezze, o meglio dopo esterificazione (processo che avviene tramite aggiunta di metanolo per la eliminazione della glicerina), in modo da assicurare la compatibilità con i motori endotermici.

A cura di: *Ing. Luca Rubini*

LINK

“AEBIOM – European Biomass Association”:http://www.ecop.ucl.ac.be/aebiom/
“AIEL – Associazione Italiana Energia dal Legno”:http://www.aiel.cia.it/aiel/
“Assodistill – Associazione Nazionale Industriali Distillatori di Alcoli e di Acquaviti”:http://www.assodistil.it/
“Biofuels Information Network (USA)”:http://bioenergy.ornl.gov/
“BIOHEAT”:http://www.bioheat.info/
“Biopower – Renewable Electricity from Plant Material (USA)”:http://www.eere.energy.gov/redirects/eren.html
“EUBIA – European Biomass Industry Association”:http://www.eubia.org/
“FIPER – Federazione Italiana dei Produttori di Energia da fonti Rinnovabili (ITA)”:http://www.fiper.it/
“ITABIA – Italian Biomass Association (ITA)”:http://www.itabia.it/web/index.htm