Bioenergia

La bioenergia è qualsiasi forma di energia utile ottenuta dai biocombustibili. La biomassa rappresenta la più consistente tra le fonti di energia rinnovabile anche se esistono molteplici difficoltà di impiego dovute all’ampiezza e all’articolazione delle fasi che costituiscono le singole filiere.

Le tecnologie per ottenere energia dai vari tipi di biomasse sono naturalmente diversi e diversi sono anche i prodotti energetici che si ottengono. Ad esempio, se un materiale ha molto carbonio (C) e poca acqua (H₂O), è adatto per essere bruciato per ottenere calore o elettricità; se, viceversa, ha molto azoto (N) ed è molto umido, può essere sottoposto ad un processo biochimico che trasforma le molecole organiche in metano ed anidride carbonica. Infine, combustibili liquidi adatti ad essere utilizzati nei motori a benzina o diesel possono essere ottenuti a partire da particolari specie vegetali.

In sintesi, i processi di conversione in energia delle biomasse possono essere ricondotti a due grandi categorie: processi termochimici e processi biochimici.

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%. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.).

Processi biochimici: I processi di conversione biochimica permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta 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 le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.), nonché alcune tipologie di reflui urbani ed industriali.

Una immediata opportunità per l'utilizzo massiccio delle biomasse come fonte per ottenere energia elettrica è data dalla tecnologia della co-combustione (cofiring). Sin dal 1990 molte verifiche sperimentali hanno dato esito positivo nella sostituzione di una porzione di carbone con biomassa da utilizzare nella stessa caldaia dell' impianto preesistente, ciò può essere fatto miscelando la biomassa con carbone prima che il combustibile venga introdotto nella caldaia o utilizzando alimentazioni separate per la biomassa e il carbone.

Si può arrivare a sostituire il 20% di carbone con biomasse, riducendo le emissioni di protossido d'azoto, di anidride solforosa e di anidride carbonica.

In U.S.A. gli impianti termoelettrici a carbone predisposti per il cofiring hanno avuto un tempo di ammortamento medio di 8 anni, ed è stato ritenuto molto conveniente dalle stesse società proprietarie di tali impianti.

Anche il cofiring di gas naturale con biogas o syngas può dare buoni risultati di efficienza, anche quando applicato a sistemi medio-piccoli.

E’ un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto fornendo calore, a temperature comprese tra 400 e 800°C, in forte carenza di ossigeno. I prodotti della pirolisi sono gassosi, liquidi e solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, convenzionale) e dai parametri di reazione. Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodotti della pirolisi è la qualità dei medesimi. Spesso, infatti, il livello di qualità non risulta essere sufficientemente adeguato per le applicazioni con turbine a gas e motori diesel.

Indicativamente, facendo riferimento alle taglie degli impianti si può affermare che i cicli combinati ad olio pirolitico appaiono i più promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, alimentati con prodotti di pirolisi, sembrano più adatti ad impianti di piccola potenzialità.In particolare, a livello sperimentale, si nota che:  

- con una pirolisi lenta a basse temperature e lungo tempo di permanenza si ha un contenuto carbone di legna di circa il 30% in peso con un contenuto energetico di circa il 50%;  

- la pirolisi estremamente veloce (flash pirolisi) condotta ad una temperatura relativamente bassa (intorno a 500 °C con un massimo di 650°C) e con un tempo di permanenza molto basso (meno di 1 secondo) fa aumentare i prodotti liquidi fino all’80% in peso; 

- a pirolisi estremamente veloce (flash pirolisi) condotta a temperature superiori (sopra i 650°C) fa aumentare i prodotti gassosi fino all’80% in peso;

- una pirolisi condotta in condizioni convenzionali, ovvero a temperature moderate (inferiori a 600 °C) dà origine a prodotti gassosi, liquidi e solidi in proporzioni più o meno costanti.

La produzione di bio-olio consente di avere un combustibile a più alto contenuto energetico se comparato con la biomassa di partenza e, una volta stabilizzato, stoccabile per lungo tempo a temperatura ambiente senza problemi di degradazione.

Schema del processo entropico di pirolisi
La slide sopra illustra il flusso di massa e di energia che descrive il processo entropico con un alto grado di umidità MSW. La separazione di RDF riduce la quantità di scorie a meno del 10% della quantità attuale. L'essiccamento riduce il flusso di MSW a circa un terzo della sua massa originaria, trattenendo quasi tutto il suo contenuto di energia.
La pirolisi concentra il contenuto di energia dell'RDF rilasciando umidità addizionale e CO2. Il sottoprodotto dei vapori dell'olio sono riciclati nel processo. Il prodotto complessivo ha circa il 22% del peso e contiene due terzi dell'energia totale della massa originaria di scorie

Sul mercato sono presenti reattori di pirolisi, ottimizzati per il trattamento dei RSU

Carbonizzazione

La carbonizzazione è, in sostanza, un processo di pirolisi.

E' un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle carbonaie all’aperto, o in storte chiuse che offrono una maggior resa in carbone e vari altri prodotti (alcol, acido acetico, acetone, catrame, ecc.).
Il carbone di legna può essere usato come combustibile o anche come materia prima per l'ottenimento di prodotti chimici industriali quali ad esempio i carboni attivi.

La combustione è una reazione chimica in cui una sostanza (combustibile) si combina con l'ossigeno dell'aria (comburente) sviluppando calore. La combustione presuppone la contemporanea presenza in giuste proporzioni di tre elementi fondamentali: il combustibile, il comburente e la temperatura. In assenza anche di uno solo di questi fattori la combustione non ha luogo, mentre se le proporzioni non sono rispettate si parla di combustione incompleta.

Dal punto di vista termodinamico, la combustione è un processo di conversione dell’energia chimica del combustibile in calore.

L’energia termica recuperata viene utilizzata generalmente per riscaldamento o per processi produttivi industriali oppure per generare elettricità grazie a cicli a gas o a vapore. Però la combustione di biomassa associata a cicli a vapore Rankine non sempre consente di ottenere ottimi rendimenti di generazione elettrica. Valori tipici per impianti di potenza medio – grande (nel caso delle biomasse, ciò significa almeno dell’ordine dei 10 MW elettrici) si aggirano intorno al 25% come rendimento elettrico netto, mentre, sono nettamente inferiori in caso di impianti di piccola taglia. La combustione di combustibili poveri, inoltre, presenta alcune problematiche dovute, sostanzialmente, a bassi valori di PCI , scarsa applicazione di essiccamento e condizioni ottimali di stoccaggio al fine di diminuire il contenuto di umidità, basso punto di fusione delle ceneri (in funzione del tipo di biomassa considerata). Tali problematiche possono essere in parte o del tutto affrontate con sistemi di cippatura, bricchettatura o pellets, sistemi attualmente in fase di sviluppo e sperimentazione.

Anche alcune tipologie di scarti dell'industria del legno (segatura, polveri ) possono essere utilizzate per produrre combustibili ecologici quali pellet, bricchetti o cippato

Il pellet si distingue per la bassa umidità (inferiore al 12 %) e per la sua elevata densità nonché per la regolarità del materiale. Il presupposto per l'utilizzo di questo prodotto è l'impiego di legname vergine, non trattato cioè con corrosivi, colle o vernici . I pellets sono prodotti con la polvere ottenuta dalla sfibratura dei residui legnosi, la quale viene pressata da apposite macchine in cilindretti che possono avere diverse lunghezze e spessori (1,5-2 cm di lunghezza,6-8 mm di diametro). La compattezza e la maneggevolezza danno a questa tipologia di combustibile caratteristiche di alto potere calorifico (p.c.i. 4.000-4.500 kcal/kg) e di affinità ad un combustibile fluido. E' molto indicato quindi, per la sua praticità, per piccoli e medi impianti residenziali.

Con residui e polveri più grossolane vengono prodotti i bricchetti, che sono dei tronchetti pressati, in genere di 30 cm di lunghezza e 7-8 cm di diametro. L'utilizzo è assimilabile a quello del legno in ciocchi. I processi per la produzione di pellets e bricchetti non richiedono l'uso di alcun tipo di collante, poiché la compattazione avviene fisicamente e con l'alta temperatura generata nel processo. La compattezza e la maneggevolezza danno a questa tipologia di combustibile caratteristiche di alto potere calorifico (p.c.i. 4.000-4.500 kcal/kg), è indicato per impianti medi e grandi, ma si presta anche all'uso in piccoli impianti anche residenziali.

Cippato deriva dall'inglese Chips "pezzettini" sono pezzettini di legno ricavati dagli scarti di segherie che lavorano piante prive di sostanze inquinanti quali vernici, ecc.E' un ottimo combustibile che usato in apposite caldaie o stufe sprigiona una potenza calorica di Kcal/h 3000/3500 a seconda del grado di umidità.

Naturalmente tra i biocombustibili solidi bisogna annoverare i pezzi (o ciocchi) di legno vero e proprio, il costo è marginalmente superiore dato che i combustibili sopradescritti possono essere ricavati da scarti industriali e/o delle lavorazioni agricole e boschive, comunque in genere i biocombustibili solidi sono competitivi anche nei confronti del metano, non solo per le necessità di calore ma in alcuni casi con i sistemi adeguati anche per la produzione di energia elettrica.

Pellet

Bricchetto

Cippato

Legname

Bricchettatrice

Pellettizzatrice

Esistono in commercio macchine apposite per la produzione di cippato, pellets e bricchetti, questi ultimi anche per piccole e medie quantità, in Svezia si ha un forte consumo di pellets, quasi un milione di tonnellate all'anno, non solo per piccoli e medi impianti e non solo per riscaldamento ma anche in centrali di cogenerazione di alcune centinaia di MW di potenza, gli operatori di questi impianti dichiarano che non esiste un combustibile più economico dei biocombustibili 

Con la combustione si forma un gas molto tossico e mortale:l'ossido di carbonio (CO), dovuto alla non perfetta combustione e ciò si verifica con qualsiasi combustibile. L'analisi dei fumi ha rilevato che l'ossido di carbonio tende a diminuire con l'aumentare del rendimento termico e a scomparire man mano che la combustione tende ad essere completa. Siccome l'ossido di carbonio è un gas combustibile che se miscelato con aria a temperature elevate brucia, la postcombustione consiste proprio nel bruciare il CO presente nei fumi generati dalla combustione primaria.

I vantaggi di questa nuova tecnologia sono la riduzione dei gas tossici immessi nell'ambiente, aumento del rendimento termico di circa il 10%, risparmio economico ed energetico.

I camini prefabbricati dovrebbero essere progettati tenendo conto di questa particolarità, dove una certa quantità di aria (detta secondaria) dovrebbe essere fatta confluire all'interno della camera di combustione, preriscaldata lungo il condotto di immissione e portata alla temperatura di accensione dalla fiamma sottostante. L'aria, combinandosi con l'ossido di carbonio prodotto dalla combustione primaria, prende fuoco generando una seconda fiamma più vivace con temperatura elevatissima e fumo più trasparente 

I biocombustibili solidi hanno oltretutto il pregio di poter essere adottati e gestiti da subito anche nei paesi arretrati e in via di sviluppo

Processo di conversione del carbone e/o della biomassa in composti gassosi (ossido di carbonio, anidride carbonica, metano, idrogeno e miscele di essi come il syngas), eseguito per reazione con aria, ossigeno, vapore o loro miscele. Il gas prodotto può essere impiegato direttamente nell’industria chimica ed elettrica, o altrimenti convertito in idrocarburi liquidi o solidi tipo cere (Processo Fischer-Tropsch).  

La gassificazione consiste nell'ossidazione incompleta di una sostanza in ambiente ad elevata temperatura (900/1000°C) per la produzione di un gas combustibile (detto gas di gasogeno o syngas).Il gas di gasogeno può essere trasformato in alcool metilico (CH3OH), che può essere agevolmente utilizzato per l'azionamento di motori e per la produzione di biodiesel.

Le figure sopra rappresentano due impianti per la produzione di gasogeno a partire da torba (combustibile solido derivante dalla carbonizzazione di piante acquatiche o palustri come sfagni, ciperacee, graminacee ecc., la torba essiccata contiene il 40-60% di carbonio; il potere calorifico è fra 3000 e 3500 kcal/kg.) o carbone di legna. Il primo impianto funziona con materiale in pezzi grossi il secondo in pezzi piccoli. In essi, la combustione in difetto d’aria, produce una miscela di gas ricca di ossido di carbonio e idrogeno,(syngas o gas di gasogeno o gas illuminante o gas di città). Entrambi gli impianti erano caricati attraverso le porte b che durante la combustione erano chiuse ermeticamente. L’aria per la combustione entrava dalle griglie f e i gas prodotti uscivano dalle condutture g.

Le tecnologie di gassificazione della biomassa sono ritenute promettenti sia perché nell'immediato possono essere abbinate alle attuali tecnologie di produzione dell'energia elettrica, in particolare nelle centrali a gas a ciclo combinato e sia perché possono essere abbinate alle eventuali future centrali elettriche a fuel-cell, in particolare MCFC e SOFC, nelle quali gas composti da idrogeno e carbonio sono ottimali.

Con riferimento ad un insediamento urbano da 500.000 abitanti è stato trovato che l'utilizzo del syngas ottenuto dagli RSU congiuntamente a gas naturale in una turbina da circa 100 MW (invece che i normali motori a combustione interna come proposto dalle tecnologie correnti) consente di innalzare le rese di conversione in elettricità dal 35 al 52% mentre i costi di produzione sarebbero pari a 0,045 €/kWh.

Biogas da digestori anaerobici

E' un processo di conversione di tipo biochimico che avviene in assenza di ossigeno e consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, che produce biogas costituito abitualmente per il 50÷70% circa da metano e per la restante parte da CO2 ed altri componenti. Il potere calorifico del gas ottenuto varia a seconda del contenuto di metano. Un valore medio può essere posto pari a circa 23.000 kJ/Nm 3 . Il biogas così prodotto viene trattato, accumulato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas accoppiate a turbine per la produzione di energia elettrica o in centrali a ciclo combinato o motori a combustione interna.

I sottoprodotti di tale processo biochimico sono ottimi fertilizzanti poiché parte dell'azoto che avrebbe potuto andare perduto sotto forma di ammoniaca è ora in una forma fissata e quindi direttamente utilizzabile dalle piante. Al termine del processo di fermentazione si conservano integri i principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella materia prima, favorendo così la mineralizzazione dell’azoto organico risultando in tal modo un ottimo fertilizzante.

Di seguito viene proposta parte della descrizione del funzionamento di un impianto per la depurazione delle acque reflue in un comprensorio di 25.000 persone.

"La permanenza dei fanghi all'interno del digestore anaerobico dura in media circa 23 giorni. Mentre si trovano all'interno del serbatoio, avviene la fermentazione e grazie all'impiego di reagenti chimici e micro-organismi i fanghi vengono disgregati nelle molecole più semplici possibili. Il processo produce anche una grossa quantità di biogas che viene incanalata in un altro serbatoio, indirizzata alla caldaia e quindi in parte utilizzata per mantenere una temperatura costante di 33 gradi all'interno del digestore.

La quantità in eccesso di gas, soprattutto nel periodo estivo, viene smaltita attraverso la combustione nel bruciatore posto nel centro del piazzale dell'impianto. Annualmente, si calcola, questo processo produce circa 300.000 metri cubi di gas, un terzo dei quali sono per il momento in eccesso e vengono bruciati." (!!? n.d.r.)

Dal trattamento delle acque reflue si ottengono anche ammoniaca e nitrati utilizzati per la produzione di fertilizzanti e fanghi organici utilizzati da aziende di compostaggio per ottenere ancora sostanze fertilizzanti.

A Kirchdorf, in Austria, è stato installato un impianto per la produzione di biogas, 850 tra ristoranti e case private consegnano quotidianamente oltre 12 tonnellate di avanzi, L'energia elettrica prodotta in una centrale a ciclo combinato abbinata al sistema e' sufficiente ad alimentare tutta la regione.

Il biogas può essere ottenuto anche dalle discariche dei rifiuti urbani.

Una discarica completamente isolata mediante impermeabilizzazione naturale o con teli sintetici diviene un "contenitore di accumulo" del biogas che si produce in seguito al processo di decomposizione della sostanza organica contenuta nei rifiuti. I principali composti prodotti sono metano ed anidride carbonica.

Per evitare dispersioni nel sottosuolo e nell’aria (con relativo rischio di esplosioni), diffusione di odori molesti e danni alla vegetazione, il biogas viene raccolto mediante un’apposita rete di captazione. Il sistema di estrazione è costituito da una serie di pozzi verticali, dai quali si dipartono a raggera delle tubazioni fessurate, disposte orizzontalmente in modo da raggiungere tutto il corpo della discarica; la pressione, alla quale sono sottoposti i gas all’interno del corpo della discarica, ne permette la raccolta e l’asportazione.

Il sistema di aspirazione del biogas può essere di tipo naturale o forzato.

Il biogas così raccolto può essere convogliato tramite un collettore principale ad una centrale a gas per la produzione di energia elettrica e teleriscaldamento. Da notare che il metano contenuto nel biogas sarebbe altrimenti destinato a disperdersi in atmosfera, il metano è un gas ad effetto serra 7 volte più attivo dell'anidride carbonica!

Il recupero di biogas da discarica è un sistema adottato sopratutto in via sperimentale in molti paesi, l' Inghilterra invece ha sviluppato un vasto ed efficiente sistema di recupero di biogas dalle discariche, sia per usi termici che elettrici. Anche la Svizzera si sta attrezzando con questi sistemi.

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Esempio minimo di sistema per la produzione di biogas

Quotidianamente viene aggiunta biomassa mescolata ad un minimo d'acqua in un serbatoio aperto (1).La miscela entra per gravità nell’impianto quando si apre la valvola (2). Il miscelatore (3), ha lo scopo di impedire la formazione di schiume e di sedimenti. Il recipiente digestore (4) è ermeticamente chiuso e coibentato . Ogni aggiunta di liquame fresco comporta uno scarico di liquame digerito in un recipiente esterno (6). Il processo di digestione richiede da 14 a 35 giorni, secondo la temperatura dell’impianto, per cui il rifornimento quotidiano di liquame dovrebbe variare da 1/14 a 1/35 del volume del digestore per mantenere il tempo di ritenzione  desiderato.

Il gas prodotto gorgoglia attraverso il liquame fino alla parte superiore del digestore (5) e tramite una condotta con silicone (7) viene portato fino al serbatoio (8). Una precauzione importante è la sistemazione di un retino antifiamma di ottone o rame all’inizio della condotta che porta al serbatoio. Il biogas prodottoè una miscela del 60% circa di metano, la parte infiammabile, e del 40% circa di anidride carbonica.

In una piccola fattoria con 10 bovini, 10 suini, 50 tra galline, conigli e animali vari, e 4 persone si possono produrre circa 4,5 metri cubi di metano al giorno, naturalmente in una fattoria ci sono anche rifiuti vegetali, (stalla, orto, ecc) per cui la produzione può essere di 6/7 Nm3 al giorno se il recipiente di raccolta è debitamente dimensionato, equivalente a circa 60.000 Kcal

Esempio di vasca per stoccaggio liquami adibita a digestore a freddo o riscaldata con collettore di ripresa biogas

Digestore anaerobico a caldo e gasometro

Sistema di filtrazione, desolforazione, deumidificazione e affinamento, con stazione di compressione biogas.

Veduta d'assieme di un complesso per il trattamento dei reflui zootecnici all'interno di un progetto Altener II

la digestione aerobica è un processo biochimico di degradazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, in modo proporzionale alla loro attività metabolica. Quindi la fermentazione aerobica è una potenziale fonte di energia termica, sfruttabile sopratutto in ambienti agro-zootecnici.

I piccoli sistemi modulari alimentati con le più svariate tipologie di biomassa potrebbero potenzialmente soddisfare il fabbisogno energetico di oltre 2,5 miliardi di persone attualmente sprovviste di energia elettrica. Ciò per il fatto che queste popolazioni vivono in aree con abbondante disponibilità di biomassa destinabile all'ottenimento di combustibili bioenergetici, piccoli sistemi modulari da 5 kW a 5 MW potrebbero rappresentare soluzioni ottimali per le piccole comunità o interi villaggi. Non di meno questi sistemi possono avere un potenziale mercato anche nei paesi industrializzati in quanto hanno costi di produzione e di gestione molto interessanti e competitivi anche grazie alla loro modularità e taglia che permettono di avere una fonte di energia elettrica e calore in prossimità dei luoghi di utilizzo.

Il laboratorio nazionale per l'energia rinnovabile (NREL) con sede nel Colorado (USA) con la partecipazione di altri laboratori di ricerca stanno puntando molto su questi sistemi con progetti e realizzazioni in fase di studio e verifica di costi ed efficienza. 

Un sistema prevede l'utilizzo di microturbine per cogenerazione esistenti in commercio (immagine a lato) integrate in un gassificatore di materiale legnoso (immagine sopra), il prototipo è di 30 kW e il costo di scala potrebbe essere inferiore ai 500 € al kW, per la produzione di elettricità l'efficienza è del 25-30%.

A lato: generatore elettrico-termico da 7 kW a gasogeno da biomassa, tali sistemi possono avere costi nell'ordine di 1000 € al kW e possono essere alimentati con le più diverse tipologie di residui da biomassa. In questo prototipo la produzione di elettricità ha un'efficienza del 12-20% (valutazioni NREL) adatto in situazioni con rilevante fabbisogno di energia termica.

Altre tecnologie prevedono l'utilizzo di motori termici stirling alimentati anche direttamente con biocombustibili solidi, nell'immagine a lato un sistema in fase precommerciale cofinanziato dal NREL, le potenze vanno da 500 W a 10 kW, l'egfficienza è del 12-15%, + 50% energia termica