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Mostra Internazionale di impianti ed attrezzature per la produzione di calore ed energia dalla combustione di legna

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A cura del Dott. Stefano Grigolato - Dipartimento Te.S.A.F. (Università degli Studi di Padova)

Cos’è?

Tra le principali fonti energetiche rinnovabili, la biomassa riveste un ruolo esclusivo perché rappresenta una forma di accumulo di energia solare ampliamente distribuita sulla terra che può essere usata, direttamente o indirettamente attraverso alcuni processi di trasformazione, come biocombustibile per la produzione di energia termica o elettrica.
Da punto di vista biologico per biomassa si intende tutto il materiale prodotto ed esistente all’interno di un sistema ecologico, ossia il totale delle sostanze cellulari delle piante, animali e microrganismi.
Si può quindi definire la biomassa come sostanza organica che deriva direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana.
Secondo il Decreto Legislativo 387/03 si indente materiale biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.
A livello nazionale emerge una disponibilità complessiva di biomasse che potrebbe coprire fino al 14% della domanda energetica interna. Il raggiungimento di questo obiettivo è ancora distante, sia perché la tecnologia è ancora in fase di sviluppo e collaudo, sia perché il loro sfruttamento, in certi contesti, può risultare non conveniente dal punto di vista energetico ed economico

Perché sono importanti le biomasse?

L’interesse mondiale rivolto alle biomasse si basa sulle seguenti motivazioni:
•    la loro combustione o degradazione presenta emissioni neutrali nei confronti dell’aumento di anidride carbonica in atmosfera.
•    presentano una distribuzione omogenea su tutto il pianeta
•    possono essere raccolte in prossimità dei centri di conversione energetica
•    hanno un elevato potenziale per la produzione di energia pulita e conveniente
•    contribuiscono allo sviluppo delle zone rurali
•    i biocombustibili derivabili possono essere economici rispetto allo sfruttamento di combustibili fossili importati

Le principali fonti di biomassa a fini energetici

•    Biomasse di origine forestale e residui delle industrie di prima trasformazione del legno: residui provenienti dalle utilizzazioni forestali, residui della lavorazione del legno non trattato, potature del verde urbano

•    Biomasse di origine agricola e residui delle industrie agro-alimentari: produzioni legnose (salice, pioppo, robinia, eucalipto) o erbacee (miscanto, sorgo, cardo, canna) da coltivazioni dedicate, produzioni di piante oleaginose (girasole, colza, etc.), produzione di piante zuccherine (barbabietola da zucchero, sorgo  zuccherino, etc.), residui delle potature, residui delle industrie agro-alimentari (sansa)

•    Biomasse da rifiuti urbani: componente biodegradabile dei rifiuti urbani e industriali opportunamente selezionati.

Conversione in energia

La possibilità di sfruttare le biomasse come fonte energetica avviene attraverso una serie di processi che vanno dalla semplice combustione delle biomasse ligno-cellulosiche alla esterificazione degli oli per la produzione di biodiesel.
I processi di conversione in energia delle biomasse possono essere ricondotti in due principali categorie:

• Processi termochimici: l’azione del calore permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia. Sono indicate per materiale cellulosico e legnoso. Le biomasse che più sono adatte a tale processo sono le biomasse forestali e i residui delle lavorazioni del legno, le colture dedicate ligno-cellulosiche (miscanto, ecc.) e sottoprodotti delle biomasse agricole (paglia di cereali) e delle industrie agro alimentari (lolla, gusci, noccioli, ecc.)
  
  1. combustione diretta: consiste nel bruciare la biomassa in presenza di aria. Il processo si avvia con una apporto esterno di calore. La combustione di prodotti e residui forestali e agricoli presenta buoni rendimenti, purché le sostanze siano ricche cellulosa e lignina e con contenuti di acqua inferiori al 35%. Idonee a questo processo di conversione termochimica sono le biomasse di origine forestale e le biomasse ligno-cellulosiche delle coltivazioni dedicate legnose e alcune erbacee (miscanto, canna, ecc.)
      
  2. carbonizzazione: consente la trasformazione di materiale legno-cellulosico, per azione di calore, in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale
      
  3. gasificazione: processo in cui  materiale ligno-cellusoico è termochimicamente convertito in un gas a basso o medio potere calorifico inferiore, tramite la vaporizzazione dei componenti più volatili (gas di idrocarburi, idrogeno ecc.)
      
  4. pirolisi: decomposizione di materiali organici,  per mezzo di calore (tra 400 e 800°C) e in completa assenza di  ossigeno. I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi
     
      
• Processi biochimici: ricavano energia per reazioni chimiche derivate dalla presenza di enzimi, microrganismi, funghi, che si diffondono nelle biomasse in particolari condizioni di ambiente (elevato contenuto d’acqua, condizioni anaerobiche). Le biomasse che più si adattano sono le colture dedicate quali le piante oleaginose (girasole, colza, ecc.), i reflui zootecnici, scarti delle lavorazioni agro-industriali o agro-alimentari e i reflui urbani.
  
  1. digestione aerobica: consiste nella metabolizzazione 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 anidride carbonica e acqua e producendo calore proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore può essere trasferito all’esterno, mediante scambiatori a fluido
  2. digestione aerobica:avviene in assenza di ossigeno e consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse  contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, producendo gas (biogas)
      
  3. fermentazione alcolica: avviene per mezzo della presenza di lieviti in condizioni di ambiente privo di ossigeno. Porta alla produzione di etanolo e altre sostanze secondarie. I derivati dell’etanolo possono essere utilizzati come biocombustibili liquidi
  4. esterificazione: processo nel quale un olio vegetale è fatto reagire in eccesso di alcool metilico e in presenza di un catalizzatore. Il prodotto finale, è una miscela di metil-esteri, che non contiene né zolfo né composti aromatici, con elevata presenza di ossigeno (ha come prodotto il biodiesel).
      

Questi processi hanno lo scopo di rendere la biomassa direttamente utilizzabile nei cicli di produzione di energia.

Trattamenti per un uso diretto nella produzione di energia

Con semplici pre–trattamenti o trattamenti (per lo più meccanici), alcune biomasse, in particolar modo quelle ligno-cellusoiche, possono essere  trasformate direttamente in  biocombustibili, pronti i processi di conversione termochimica:
 

• essiccazione – trattamento rivolto a diminuire il contenuto d’acqua al fine di incrementare il potere calorifico del legno. L’essiccazione può essere naturale o forzata
   
• cippatura – consiste nella riduzione in scaglie del materiale legno. Questo processo di trasformazione avviene tramite azione meccanica di uno strumento a martelli o a coltelli. Il prodotto finale è il cippato, classificabile (biocombustibile solido legnoso)
   
• pelletizzazione (o densificazione) - processo che consiste nella essiccazione di materiale legnoso seguita da una sminuzzatura in piccole scaglie, quasi polvere, e successivamente compressione in piccoli cilindri. Il prodotto è chiamato pellets o briquette (biocombustibile solido legnoso)

Ottenere energia termica dalle biomasse

Il principale sistema di conversione energetica della biomassa è la combustione. Questo processo di conversione è usato per produrre energia termica che può essere direttamente usata per riscaldare oppure essere utilizzata in impianti termo-elettrici per la produzione di energia elettrica.
L’energia termica ricavabile dalle biomasse può essere ottenuta attraverso la combustione delle stesse biomasse (opportunamente pretrattate – essiccazione, cippatura, ecc.) oppure attraverso la combustione dei prodotti (biocombustibili) ottenuti dai diversi processi di conversione termo-chimici e biochimici.

Vantaggi
•    ampiamente disponibile
•    rappresenta una risorsa locale, pulita e rinnovabile.
•    non contribuisce all’effetto serra
•    è facilmente convertibile in combustibili ad alto potere energetico
•    può sfruttare le zone inutilizzate dall’agricoltura e creare occupazione nelle comunità rurali
•    quantità limitata di zolfo, riducendo così la produzione di piogge acide

Svantaggi

•    la combustione della biomassa può essere efficiente e pulita se si fa uso di tecnologie moderne e adatte. Per ottenere alta qualità e buon rendimento, è necessario l’utilizzo di moderne caldaie
•    ancora poca programmazione a livello nazionale e regionale
•    mercato ancora non adeguato allo sviluppo del settore
•    l’opinione pubblica non è ancora informata correttamente