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Filiere di conversione dei biocombustibili

Il funzionamento del'intero processo di trasformazione dei biocombustibili

    L’uso energetico delle biomasse comporta la trasformazione dell’energia chimica da esse posseduta in una forma di energia utilizzabile – termica o elettrica – nonché la produzione di biocombustibili da impiegare nel settore dei trasporti.

     

    Processi di conversione della biomassa

     

    Tale conversione prevede diverse soluzioni tecniche che si differenziano per le caratteristiche della biomassa utilizzata, per i principi fisici applicati e per le potenze convenientemente realizzabili.

    Le principali filiere di conversione della biomassa sono:

    • Termochimica (combustione, carbonizzazione, gassificazione, pirolisi) – Per questo tipo di processo sono indicate biomasse che hanno bassa umidità e un adeguato potere calorifico (per esempio legno e suoi derivati, paglia di cereali, lolla di riso, gusci…)
    • Biochimica (idrolisi enzimatica, digestione e fermentazione) – Per questo tipo di processo sono adatte biomasse che hanno un elevato contenuto di umidità e un ridotto contenuto di carbonio (per esempio fogli e steli di barbabietola, reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione come acqua di lavorazione dei frantoi)
    • Estrazione meccanica (esterificazione)

     

    Trattamenti termochimici

    Combustione

    La combustione consiste nel bruciare il combustibile introdotto in caldaia sulla base di opportune condizioni. Il processo in cui si articola la combustione della biomassa prevede diverse fasi:

    • Riscaldamento fino a 200°C;
    • Essiccamento per eliminare l’umidità;
    • Pirolisi, in cui viene ceduto calore alla biomassa in assenza di ossigeno;
    • Combustione primaria in fase gassosa, in cui i gas rilasciati dalla fase precedente danno luogo ad una prima combustione in cui si raggiungono temperature di circa 630 °C;
    • Combustione eterogenea gas-solido, in cui il residuo solido (che contiene carbonio e con potere calorifico simile a quello della lignite) viene bruciato ad alta temperatura.

    Gli impianti destinati alla combustione della biomassa possono avere differenti finalità: produzione di calore, generazione di energia elettrica o cogenerazione. Per tanto si distinguono:

    Impianti di riscaldamento per utenze di tipo domestico: termocamini, stufe e caldaie, eventualmente collegate ad un impianto di riscaldamento a termosifoni. Negli impianti di maggiore dimensione è opportuno che i tempi di permanenza della biomassa in camera di combustione siano elevati per permettere un opportuno mescolamento/fluidizzazione della carica da bruciare e, dunque, un miglioramento dell’efficienza del processo.

    Impianti di generazione elettrica o cogenerativa: elettricità + calore. I sistemi di combustione di questi impianti non sono molto differenti da quelli impiegati per la combustione delle fonti fossili nelle centrali termoelettriche convenzionali.

    Esistono inoltre apposite caldaie che possono essere utilizzate per produrre energia bruciando biomassa. Queste caldaie differiscono dai generatori di calore classici essendo necessaria un’ulteriore ottimizzazione al fine di evitare sprechi di calore che abbatterebbero enormemente i rendimenti, già bassi, di queste tecnologie.

     

    Caldaia a fiamma inversa

    Caldaie a fiamma inversa: sono caratterizzate dal fatto che la camera di combustione è situata sotto il vano nel quale viene caricata la legna.

    L’aria viene divisa in aria primaria (che viene introdotta direttamente sopra la griglia e che consente l’avvio della combustione e la formazione di uno strato di braci che generano dei gas carichi di monossido di carbonio a causa della combustione incompleta) e aria secondaria (che viene aggiunta nella camera sottostante in modo da completare la combustione).

    Questo tipo di caldaia è utilizzato prettamente per il riscaldamento.

     

     

    Caldaia a cippato: la combustione avviene in caldaie a griglia che possono essere fisse o mobili a seconda dello spessore dei materiali da bruciare. Il combustibile viene caricato automaticamente e quindi è necessario predisporre un locale per lo stoccaggio. L’accensione può avvenire sia manualmente che automaticamente mediante dispositivi elettrici. E’ utilizzata per produrre sia calore che energia elettrica.

    Caldaia a cippato

    Co-combustione

    La co-combustione (in inglese co-firing) consiste nella combustione simultanea di differenti combustibili nelle stessa caldaia per migliorare il rendimento di conversione delle biomasse e ridurre l’emissione di CO2.

    Una delle soluzioni con maggiori potenzialità è la co-combustione di carbone e biomassa, che permette di incrementare l’efficienza di combustione della biomassa fino al 36 %, un valore apprezzabile se si considera che il rendimento medio si attesta attorno al 15-20 %.

    La co-combustione della biomassa non richiede sostanziali modifiche dell’impianto esistente qualora la percentuale di biomassa sia tra il 5-15%, perché il carbone e la biomassa vengono premiscelati, omogeneizzati e successivamente introdotti in caldaia. È possibile anche trattare i due combustibili separatamente, prevedendo un sistema di alimentazione in caldaia della biomassa dedicato, che comporta un maggiore controllo del processo (e dunque ottimizzazione), ma anche costi d’investimento più elevati.

    La combustione di biomassa in parziale sostituzione del carbone comporta dei vantaggi ambientali in termini di micro e macroinquinanti. I risultati conseguibili sono:

    • riduzione di emissione di ossidi di zolfo
    • riduzione delle polveri sottili
    • riduzione degli ossidi di azoto conseguente alla temperatura raggiunta in caldaia, più bassa rispetto a quella raggiunta durante la combustione di solo carbone
    • lieve incremento della concentrazione di CO che tuttavia risulta trascurabile se confrontato con il valore limite imposto dalla normativa
    • riduzione significativa delle emissioni di metalli pesanti

    Carbonizzazione

    La carbonizzazione è un processo in cui il legno, per effetto di una combustione in presenza di poco ossigeno, subisce un’ossidazione incompleta e dà origine al carbone vegetale (carbonella), combustibile caratterizzato da elevato potere calorifico (6.000-7.500 kcal/kg), basso tenore di umidità e buona infiammabilità. Questo procedimento ha lo scopo di aumentare il potere calorifico per unità di massa e di ridurre il volume del legno. L’utilizzo più comune e conosciuto è quello del barbecue.

    Gassificazione

     

    La gassificazione dei materiali di origine biologica rappresenta un valido strumento per il recupero di energia con ridotte emissioni inquinanti.

    La gassificazione è un processo che porta alla formazione di un gas (syngas) a basso o medio potere calorifico: la trasformazione avviane in un reattore, in carenza di ossigeno, dove la biomassa viene riscaldata a temperature comprese tra i 900 e i 1500°C per realizzare una parziale ossidazione. Il syngas può essere impiegato per l’essiccazione delle stesse biomasse o direttamente per la produzione di energia elettrica.

    Infatti può essere utilizzato:

    • da una caldaia che genera calore;
    • da un motore che genera corrente elettrica e calore da cogenerazione;
    • nelle industrie chimiche di trasformazione del syngas in metanolo.

    Il processo di gassificazione risulta conveniente perché la combustione di combustibili gassosi è più controllabile e non porta alla formazione di ceneri dal momento che il trattamento del gas tra l’uscita dal reattore e l’entrata nella caldaia è in grado di assicurare un combustibile pulito.

    La gassificazione rappresenta una soluzione in grado ci contribuire alla generazione distribuita di corrente elettrica utilizzando i prodotti del territorio con un bilancio di gas serra in pareggio ed il recupero di biomasse residuali altrimenti non sfruttabili.

    Pirolisi

    Pirolisi

    La pirolisi è un processo simile alla gassificazione che differisce per la temperatura, la quantità di ossigeno presente e per i prodotti ottenuti.

    Nella gassificazione tutta la carica introdotta nel reattore di gassificazione viene trasformata in gas, infatti, al termine del processo, resta solo cenere. Nella pirolisi invece, per via delle temperature moderate, vengono gassificate solo le sostanze volatili.

    Con questo processo si opera una sorta di “degradazione” dei componenti carboniosi (cellulosa e lignina) in assenza di ossigeno, effettuata ad una temperatura compresa tra i 400°C e i 1000°C che porta alla formazione di gas (H2, CO, idrocarburi e gas inerti), composti catramosi e carbonio allo stato quasi puro.

    La quantità e la tipologia delle fasi prodotte (gas, liquido, solido) dipendono dal tipo di materiale trattato, dalle condizioni termiche in cui avviene la pirolisi e dalla tipologia di processo adottato.

    Elevate temperature (650°C) raggiunte in tempi ridotti aumentano la produzione di composti liquidi (bio-olio) e gassosi riducendo invece la produzione di residui solidi carboniosi; al contrario basse temperature, raggiunte in un tempo prolungato, favoriscono la produzione di carbone.

    Il bio-olio ha le seguenti caratteristiche:

    • un potere calorifico simile a quello del petrolio 7500 kcal/Kg;
    • ha un basso contenuto di zolfoM;
    • dalla sua distillazione sono ottenuti prodotti alternativi agli oli combustibili, che possono essere usati direttamente o in miscela con altri combustibili convenzionali.

    Trattamenti biochimici

    Fermentazione alcolica

    Quotidianamente abbiamo a che fare con la fermentazione alcolica, ad esempio nel vino. Sulla buccia degli acini d’uva si trovano dei lieviti che effettuano proprio la fermentazione alcolica, in un lasso di tempo che va dai 6 agli 8 giorni.Altro esempio comune è la birra, ottenuta aggiungendo al malto d’orzo o di altri cereali luppolo e particolari lieviti (saccaromiceti).

    La fermentazione alcolica consiste nella trasformazione dello zucchero contenuto nelle biomasse in etanolo.

    La produzione di etanolo da sostanze zuccherine richiede:

    • Il trattamento della materia prima per ottenere una soluzione zuccherina;
    • L’utilizzo di lieviti o batteri per la conversione dello zucchero in etanolo;
    • La distillazione dell’etanolo;
    • La deidratazione dell’etanolo se necessaria.

    Dalla canna da zucchero, contenente il 16-17% di zucchero, si ricava un succo, che subisce una fermentazione a una temperatura di 33-35°C. La reazione viene fermata quando la concentrazione di alcool raggiunge il 10% essendo questo per la sussistenza dei microrganismi presenti. Successivamente la soluzione liquida ottenuta viene distillata ottenendo alcol idrato che eventualmente può essere deidratato con trattamenti chimici o mediante filtri molecolari.

    L’ottenimento di alcool dalla barbabietola da zucchero differisce dal precedente processo per la temperatura di processo compresa fra 70-80°C fondamentale per l’estrazione degli zuccheri. I residui di lavorazione, dopo essiccamento, possono essere utilizzati come nutrimento per animali.

    Digestione anaerobica

    La digestione anaerobica è un processo biochimico, in ambiente privo di ossigeno, che comporta la demolizione delle sostanze organiche complesse ad opera di microrganismi. Il prodotto di tale processo è il biogas, costituito per il 50÷70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO2.

    Il biogas così prodotto viene trattato ed utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas accoppiate a turbine per la produzione di energia elettrica, centrali a ciclo combinato oppure motori a combustione interna.

    Le quattro fasi della digestione anaerobica

    1. Idrolisi: le molecole organiche biodegradabili più complesse vengono spezzate in molecole più semplici
    2. Acidogenesi: le molecole semplici vengono scisse in molecole ancora più semplici come ad esempio l’acido acetico con produzione di ammoniaca, anidride carbonica e acido solfidrico quali sottoprodotti.
    3. Acetogenesi: le molecole prodotte nel precedente stadio sono ulteriormente digerite producendo biossido di carbonioidrogeno e principalmente acido acetico
    4. Metanogenesi: in condizioni di temperatura e di pH ben precise viene prodotto metano, anidride carbonica e acqua.

    Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante residui ad alto contenuto d’umidità 80÷90%, quali deiezioni animali, reflui civili, rifiuti alimentari, frazione organica dei rifiuti solidi urbani e biomasse vegetali.

    Digestione aerobica

    È un processo biochimico di degradazione delle sostanze organiche per opera di microrganismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno.

    Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e acqua e calore proporzionalmente alla loro attività metabolica. Quindi ladigestione aerobica è una potenziale fonte di energia termica sfruttabile soprattutto in ambienti agro-zootecnici.

    Estrazione meccanica

    Tale tecnologia consiste nell’estrazione di olio da semi di colture oleaginose (colza, girasole, arachidi,…) che successivamente viene trattato con alcol al fine di ottenere un biocombustibile adatto al settore dei trasporti (ovvero biodiesel) e un residuo di lavorazione che può essere usato come nutrimento per il bestiame.

    I semi derivanti dalle colture vengono puliti per eliminare gli eventuali residui della raccolta, e successivamente decorticati.

    Il procedimento di spremitura implica generalmente un trattamento meccanico e/o chimico in base al contenuto in peso di materia grassa; se il contenuto è maggiore del 20% si procede con l’estrazione meccanica, se è inferiore al 20% si impiega l’estrazione chimica.

    Dal trattamento di spremitura meccanica si ottiene il “pannello proteico”, che presenta un maggior contenuto di sostanze grasse, mentre dal trattamento chimico le farine, che contengono solo proteine. L’olio grezzo, risultato della spremitura, deve essere successivamente purificato, operazione che può essere effettuata mediante due modalità:

    • Depurazione, per eliminare le impurità presenti
    • Raffinazione, per ridurre l’acidità dell’olio grezzo aumentandone la qualità

    Purificato l’olio si applica un processo chimico (transesterificazione) per ottenere un combustibile meno viscoso da impiegare direttamente in motori a combustione interna e caldaie.

    La transesterificazione consiste nel rompere le molecole degli oli vegetali miscelando olio (composto prevalentemente da trigliceridi) con di metanolo in presenza di una sostanza a base di potassio.

    Con tale procedimento, da 1000 kg di olio raffinato e 100 kg di metanolo si ottengono 1000 kg di biodiesel e 100 kg di glicerolo, un sottoprodotto che viene raffinato e venduto all’industria farmaceutica in forma di glicerina.

    Il biodiesel può essere utilizzato tanto per il riscaldamento quanto per l’uso motoristico puro o, più comunemente, miscelato al gasolio tradizionale.

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