Bioenergia
Per bio-energia si intende qualsiasi forma di energia ottenuta dalla biomassa ed utilizzata per la produzione di energia termica, energia elettrica o cogenerazione di entrambe. 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 diverse 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 sia 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.
Fonte
www.itabia.it
Cofiring (Co-combustione)
Una immediata opportunità per l'utilizzo massiccio delle biomasse come fonte per ottenere energia elettrica è data dalla tecnologia della co-combustione (cofiring). Fin dal 1990 infatti 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.
Fonte:
www.treepower.org
www.nrel.gov
Anche il cofiring di gas naturale con biogas o syngas può dare buoni risultati di efficienza, anche quando applicato a sistemi medio-piccoli.
Fonte:
Pirolisi
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É 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. 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:
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, è stoccabile per lungo tempo a temperatura ambiente senza problemi di degradazione. Vedere anche l’articolo "Status of biomass gasification", Renewable Energy World, July-August 2001. La trattazione è valida in particolare per i Paesi che hanno partecipato ai lavori della IEA sulla gassificazione. Gli impianti di pirolisi sono da preferire ad impianti di incenerimento nei termovalorizzatori, in quanto, non essendoci combustione diretta si elimina le emissioni in atmosfera di nanoparticelle. Recenti studi indicano quest'ultime come particolarmente insidiose per la salute pubblica.
Fonte:
Approfondimenti e costi di impianti di pirolisi |
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Carbonizzazione del legno La carbonizzazione è, in sostanza, un processo di pirolisi.
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.
Fonte:
www.tecniche.garganoverde.com |
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Biocombustibili solidi
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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 attorno al 25% come rendimento elettrico netto, mentre, sono decisamente inferiori in caso di impianti di piccola taglia. La combustione di combustibili poveri, inoltre, presenta alcune problematiche dovute, sostanzialmente, a bassi valori di PCI , alla scarsa applicazione di essiccamento e la necessità di creare 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, attualmente in fase di sviluppo e sperimentazione. |
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Pellet
Bricchetti
Cippato
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La post-combustione di biocombustibili solidi Uno dei maggiori inconvenienti della combustione dei biocombustibili solidi è l'alto tenore di emissioni, sopratutto di CO in particolare nei piccoli impianti residenziali dove può anche dar luogo ad intossicazioni dato che tale gas è altamente tossico. Oggi si possono però trovare impianti anche residenziali che adottano la tecnologia della post-combustione. Il CO è un gas combustibile che, se opportunamente miscelato con aria a temperature elevate, brucia. La post-combustione consiste proprio nel bruciare il monossido di carbonio presente nei fumi della combustione primaria. |
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La fiamma, lambendo le piastre in lega, resistentissima al calore e con l'ausilio di immissione di aria ricca di ossigeno (Aria Secondaria) da luogo al fenomeno di "pirolisi". Tale fenomeno brucia il monossido di carbonio (CO) e demolisce la maggior parte delle molecole dei fumi e delle ceneri, ottenendo così una bassa emissione di materiale inquinante, un massimo rendimento e sufficiente margine di sicurezza. I vantaggi di questa nuova tecnologia sono la riduzione dei gas tossici immessi nell'ambiente, l’aumento del rendimento termico di circa il 10%, il risparmio economico ed energetico. I camini prefabbricati dovrebbero essere progettati tenendo conto di questa particolarità e una certa quantità di aria (Aria 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.
Fonte: |
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Gassificazione
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È un 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). |
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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. Fonte:
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, sia perché possono essere abbinate alle eventuali future centrali elettriche a fuel-cell, in particolare MCFC e SOFC, nelle quali i gas composti da idrogeno e carbonio sono ottimali.
Ecco un'applicazione pratica della gassificazione per ottenere un'elevata efficienza termica. Qui di lato una caldaia ad effetto gasogeno. |
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L'ENEA è impegnato, in particolare presso il proprio Centro della Trisaia, in attività di ricerca e dimostrazione sull'utilizzo delle biomasse per la produzione di energia elettrica, con particolare riferimento allo sviluppo della tecnologia della gassificazione al fine di ottenere, con efficienza dell'80-85%, un syngas (gas di sintesi composto da H e CO) a basso medio potere calorifico, molto flessibile e con ridotto impatto ambientale. Le macchine utilizzatrici del syngas prodotto vanno dai classici motori alle microturbine e alle celle a combustibile. enea.it/biomassa La gassificazione può contribuire allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani e/o all'utilizzo del combustibile da rifiuti. dsa.unipr.it La gassificazione degli RSU ha come prodotto un gas di sintesi (syngas) che alimenta la turbina a gas dell'impianto a ciclo combinato. Ciò con le seguenti principali finalità:
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.
Fonte:
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Digestori anaerobici, produzione di biogas
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È 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 genera biogas costituito abitualmente per il 50/70% circa da metano e per la restante parte da CO2 ed altri componenti. |
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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 e 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.
"La permanenza dei fanghi all'interno del digestore anaerobico dura in media circa 23 giorni. Mentre si trovano nel 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 che questo processo produca circa 300.000 metri cubi di gas, un terzo dei quali sono per il momento in eccesso e vengono bruciati.
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 è 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 raggiera 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. Va sottolineato che il metano, che ha un effetto serra 7 volte più attivo dell'anidride carbonica, sarebbe altrimenti destinato a disperdersi in atmosfera.
Fonte:www.arpa.emr.it
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.
www.poweron.ch
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Sistemi Small-modular
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I piccoli sistemi modulari alimentati con le più svariate tipologie di biomassa possono 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. |
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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.
A fianco un gassificatore in grado di produrre wood-gas per l'alimentazione di un generatore elettrico da 9 kW . Possono essere alimentati con le più diverse tipologie di residui da biomassa. La produzione di elettricità ha un'efficienza del 20-25%, e possono essere integrati in cogenerazione. Attualmente si utilizzano motori a scoppio quali generatori, esistono però delle alternative quali le microturbine a partire da taglie superiori ai 30 kW o motori stirling per taglie minori.
I piccoli sistemi modulari che utilizzano biomassa per l'alimentazione sono alle prime esperienze commerciali e hanno quindi un largo margine di miglioramento economico e tecnologico, anche considerando che già ora sono interessanti anche per l'aspetto economico. Link correlati |
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