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BIOMASSE:
UN TERMINE MISTERIOSO PER UN'ENERGIA SEMPLICE E NATURALE
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UNA PRIMA DEFINIZIONE
Il termine biomassa è stato
introdotto per indicare tutti quei materiali di origine organica
(vegetale o animale) che non hanno subito alcun processo
di fossilizzazione e sono utilizzati per la produzione di energia.
Pertanto tutti i combustibili fossili (petrolio, carbone, metano, ecc..)
non possono essere considerati come biomassa. Le biomasse rientrano fra
lefonti rinnovabili in quanto la [[CO2]] emessa per la produzione
di energia non rappresenta un incremento dell’anidride
carbonica presente nell’ambiente, ma è la medesima che le piante hanno
prima assorbito per svilupparsi e che alla morte di esse tornerebbe
nell’atmosfera attraverso i normali processi degradativi della sostanza
organica. L’utilizzo delle biomasse quindi accelera il ritorno della
CO2 in atmosfera rendendola nuovamente disponibile alle piante.
Sostanzialmente queste emissioni rientrano nel normale ciclo del
carbonio e sono in equilibrio fra CO2 emessa e assorbita. La differenza
con i combustibili fossili è pertanto molto profonda:
il carbonio immesso in atmosfera è carbonio fissato nel sottosuolo che
non rientra più nel ciclo del carbonio, ma nel terreno è fissato
stabilmente. In questo caso si va a rilasciare in atmosfera vera e
propria “nuova” CO2. Il termine è utilizzato per descrivere la
produzione di energia in impianti appositi: impianti a biomassa.
E IN PRATICA?
Pellet e legna per riscaldamento e acqua calda
 Il
sistema più diffuso ed economico di utilizzo di biomasse nelle
abitazioni è costituito dalle moderne
stufe e caldaie a pellet o a legna.
Il principio di funzionamento è simile. Anche la caldaia a pellet
utilizza un combustibile solido ed è destinata al riscaldamento di ogni
tipo di ambiente. Esistono stufe a pellet ricoperte di ceramica o
rivestite in acciaio. La ceramica non scotta e mantiene a lungo
il calore, mentre l'acciaio può raggiungere temperature elevate ma si
raffredda molto più in fretta.
Le differenze principali rispetto alla stufa a legna sono le seguenti:
-
La stufa a pellet necessita di un collegamento alla rete elettrica
come un comune elettrodomestico
-
È un prodotto molto più pulito poiché elimina la necessità di
trasferire il combustibile dalla legnaia all'abitazione e perché non
possono esserci fuoriuscite di fumo all'interno dell'ambiente di
utilizzo funzionando con una porta a chiusura stagna (la quale è da
aprire solo periodicamente per la pulizia da effettuare a stufa spenta
e fredda)
-
Ha una canna fumaria di misure più ridotte
-
Funziona a tiraggio forzato cioè una ventola situata all'interno della
stufa provvede ad evacuare all'esterno i fumi prodotti dalla
combustione.
La struttura è simile ad una stufa tradizionale, ha un vano o serbatoio,
di solito con carica dall'alto, che contiene il pellet da bruciare. Esso
può avere una capienza che parte da quindici e può arrivare fino a
sessanta o più chilogrammi a seconda del modello di stufa. All'interno
vi è una vite infinita o coclea che trascina il pellet dal serbatoio
all'interno del braciere dove il combustibile viene bruciato grazie alla
presenza di una resistenza elettrica che, diventando incandescente nella
fase di avvio, innesca la fiamma.
Il calore prodotto viene diffuso nell'ambiente sia per convezione
naturale che ad aria forzata tramite una o più ventole che
contribuiscono a distribuire l'aria calda negli ambienti attigui. In
alcuni modelli è anche possibile incanalare l'aria calda in piccole
condotte e posizionare una o più bocchette per canalizzare il calore in
altri vani. I modelli più recenti sono dotati di un cronotermostato che
permette di programmare orari di accensione e spegnimento in automatico,
la velocità della ventola per l'aria calda forzata ed i gradi di
temperatura desiderati.
Esistono altresì modelli di stufe a pellet dedicati al riscaldamento
dell'acqua per i radiatori. In tali prodotti sono presenti all'interno
scambiatori di calore in cui è presente l'acqua che una volta riscaldata
circolerà nell'impianto dei termosifoni. È inoltre possibile far
coesistere questo tipo di stufa ed un'altra fonte di calore (es. una
calderina a gas) in modo che funzionino alternativamente.
 Il
calore prodotto è misurato in kilowattora (KWh). Un kilowattora
corrisponde a 866,66 Kcal o 3,6MJ. La potenza di ogni singolo modello
(misurata in kilowatt) è commisurata in base alla dimensione della
stufa, alla quantità di pellet bruciato, alla regolazione impostata
dall'utente. Anche il tipo di pellet utilizzato può incidere sulla resa
calorica
della stufa.
La stufa necessita di una pulizia ordinaria del braciere e del cassetto
cenere (se presente) da effettuare con più o meno frequenza a seconda
dell'utilizzo in termini di tempi di funzionamento e di potenza
impostata e del tipo di pellet impiegato; inoltre va pulita in modo più
approfondito almeno una volta all'anno, ma anche più spesso in base al
modello ed all'utilizzo. Potrebbe essere necessario l' intervento di un
tecnico per questa operazione.
La stufa a pellet è considerato un prodotto ecologico poiché per
ottenere il pellet vengono di norma utilizzati gli scarti di lavorazione
del legno (segatura, ecc.). Non è quindi necessario l'abbattimento di
nuovi alberi per la produzione del pellet.
Lo scarico dei fumi derivanti dalla combustione avviene tramite un tubo
di diametro variabile anch'esso a seconda del modello, da 8 a 12 cm di
diametro. Il tubo deve avere caratteristiche particolari, diverse da
quelli delle stufe a legna, non solo per motivi di sicurezza ma anche di
funzionalità, quindi l'installazione fai-da-te è sconsigliata.
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PER GLI APPASSIONATI: QUALCHE ELEMENTO IN PIU'
DEFINIZIONE
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.
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.
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:
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 definitibiocombustibili,
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.
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