LE BIOMASSE

Cosa sono le biomasse S’intende per biomassa ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana che può essere usata come combustibile per la produzione di energia. Le biomasse: sono una fonte di energia rinnovabile e pulita. Sono ampliamente disponibili; Costituiscono una risorsa energetica locale a basso impatto ambientale; Non sono destinate all’esaurimento (se gestite correttamente);

Tipologie di biomassa Le biomasse utilizzabili per la conversione energetica possono essere così suddivise: 1. Residui e sottoprodotti ligno-cellulosici(cimali,ramaglie e potature),residui derivanti dalla lavorazione del legno(cortecce, segature, trucioli) e residui agro-industriali(paglie, gusci e noccioli della frutta); 2. Colture zuccherine (barbabietole); 3. Colture ligno-cellulosiche (sorgo di fibra, canna comune, pioppo e eucalipto);

4.Colture amidacee(cereali, mais e patate) e oleaginose (colza e girasole); 5. Frazioni organiche(umide e secce) dei rifiuti civili e industriali; 6. Scarti derivanti dagli allevamenti zootecnici e dalle industrie agroalimentari;

Per esemplificare qualche tipologia di biomassa, tra le più comuni, si possono citare:

Biocombustibili Bioenergia Biomasse Dalle biomasse derivano direttamente i biocombustibili(combustibili solidi,liquidi o gassosi)

Biocombustibili Tra i principali annoveriamo: BIODIESEL BIOETANOLO CIPPATO PELLETS BIOGAS

BIODIESEL Il biodiesel è fonte di energia rinnovabile ottenuta dagli oli vegetali di colza e girasole,con proprietà e prestazioni simili a quelle del gasolio minerale. Presenta elevata biodegradabilità.

1.ESTRAZIONE:separazione nei semi di grassi I B e proteine; I O 2. RAFFINAZIONE:comprende tutti i processi D per eliminare acqua, I mucillagini(gomme) e E impurità in sospensione S 3.TRANSESTERIFICAZIONE: E è usato per convertire l’olio base nell’ESTERE L desiderato e rimuovere gli acidi grassi liberi

Processo per la produzione di biodisel trigliceride + metanolo → glicerolo + estere metilico(che costituisce il biodiesel)

Schema a blocchi della filiera

Vantaggi rispetto al diesel tradizionale alto numero di cetani (infiammabilità superiore in cicli diesel); più alta capacità lubrificante; L’assenza di zolfo (riduce le piogge acide); alta percentuale di ossigeno (maggior stabilità di combustione, minor produzione di PM10, minor residui organici volatili - VOC). Non è esplosivo; riduce significativamente le emissioni tossiche quando viene bruciato come carburante.

Per ogni litro di Biodiesel sono emessi 2,2 kg di CO2 contro i 3,2 kg emessi dal Diesel derivato dal petrolio!

L’inconveniente: il biodiesel produce più emissioni di ossidi di azoto (NOx) del gasolio; inconveniente che può essere contenuto riprogettando i motori diesel e dotando gli scarichi

Bioetanolo Il bioetanolo è un alcool(etanolo o alcool etilico) ottenuto mediante un processo chimico,la fermentazione alcolica, con cui i glucidi vengono trasformati in alcol etilico. Per ottenere i migliori risultati da questa trasformazione occorre partire da una materia prima che abbia contenuti zuccherini elevati,perciò le materie prime per la produzione di etanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi: Coltivazioni ad hoc(canna da zucchero,grano,mais) Residui di coltivazione agricole e forestali; Eccedenze agricole temporanee ed occasionali; Residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro-alimentari; Rifiuti urbani;

Bioetanolo dal tronco della pianta Un metodo che permette di produrre bioetanolo è quello di ottenere in primis il glucosio per poi produrre etanolo tramite via fermentativa. Il tronco della pianta, generalmente abete rosso, deve essere opportunamente pretrattato al fine di ottenere del legno tagliuzzato, il quale poi viene sottosposto a cottura e quindi avviene l'estrazione del glucosio. Una volta estratto l'esoso si sottopone il substrato ad una fermentazione ad opera di saccharomyces cerevisiae oppure di candida microrganismi i quali operano in condizioni di anaerobiosi e che danno come ultimo prodotto della loro via glicolitica il piruvato il quale viene inizialmente decarbossilato ad acetaldeide ed in seguito una idrogenazione ottenendo così, appunto, Etanolo. L'etanolo prodotto, però, ha una concentrazione massima del 25-30% in quanto i lieviti hanno una bassa capacità di sopportare alte concentrazioni di alcool. Per questo motivo viene sottoposto ad una distillazione azeotropo al fine di ottenere un'etanolo al 94-95%.

Bioetanolo da cellulosa Vengono idrolizzate grandi quantità di cellulosa che tramite l'uso di funghi o batteri si trasformano in glucosio e altri zuccheri, poi avviene la fermentazione mediante lieviti o altri microbi. Ricerche innovative mirano a modificare geneticamente sia i batteri che i lieviti come il saccharomyces cerevisiae modificato in modo da produrre il doppio di etanolo.

Schema a blocchi della filiera (C6H10O5)n + n . H2O → n . C6H12O6 Cellulosa vapore glucosio fermento (C6H12O6) → 2 . C2H5OH + 2 . CO2 glucosio etanolo anidride carbonica

Cippato:il legno sminuzzato Si definisce “legno sminuzzato”, o “chips di legno”, il legname in scaglie ottenuto da apposite macchine. Per produrre chips viene utilizzato legno di qualità inferiore, come i residui delle potature boschive , agricole o urbane, oppure ancora i sottoprodotti delle segherie. Il cippato ottenuto può essere di tre tipologie: verde, contenente anche fogliame (soprattutto aghi), in quanto ottenuto dalla riduzione in chips di piante intere o di porzioni della chioma. marrone, se sono cippati rami e tronchetti con corteccia; presenta colore più scuro del precedente e, a parità di altre condizioni, una massa volumica leggermente superiore poiché la corteccia si frantuma in particelle di dimensioni più piccole e riempie parte degli interstizi fra i chips, dando origine a un cumulo più compatto; bianco, che deriva dalla sminuzzatura di solo legno, ovvero di fusti o tronchetti preventivamente scortecciati;

Le scaglie provenienti dal bosco presentano in genere un’umidità che oscilla tra il 40 e il 60%, per cui è necessario progettare in maniera adeguata la fase dello stoccaggio, in modo da permettere una giusta aerazione ed evitare quindi fermentazioni che deteriorano la qualità del cippato.

Vantaggi del cippato Nelle operazioni boschive la “cippatura” consente diversi vantaggi: il recupero di scarti che altrimenti verrebbero lasciati in bosco (prevenendo così l’innesco di incendi) l’aumento della produttività conseguente all’eliminazione di alcune fasi di allestimento del legname.

Pellets: combustibile dagli scarti industriali Alcune tipologie di scarti dell'industria del legno (segatura, polveri ) possono essere utilizzate per produrre un combustibile alternativo ecologico detto "pellet di legno".  Il pellets può essere prodotto utilizzando varie tipologie di biomasse legnose e segatura di legno purché non contengano vernici, collanti o altre sostanze tossiche infatti la capacità legante della lignina, contenuta nella legna, permette di ottenere un prodotto compatto senza aggiungere additivi e sostanza chimiche estranee al legno.

Questo combustibile si distingue per la bassa umidità (inferiore al 12 %) e per la sua elevata densità nonché per la regolarità del materiale.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).

Biogas Con il termine biogas si intende una miscela di vari tipi di gas (per la maggior parte metano, dal 50 al 70%) prodotto dalla fermentazione batterica in anaerobiosi (assenza di ossigeno) dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza, liquami zootecnici o di fognatura. L'intero processo vede la decomposizione del materiale organico da parte di alcuni tipi di batteri, producendo anidride carbonica, idrogeno molecolare e metano (metanizzazione dei composti organici).

Vantaggi nell'uso del biogas impedisce la diffusione nella troposfera del metano emesso naturalmente durante la decomposizione di carcasse e vegetali: il metano è infatti uno dei gas-serra più potenti ed è quindi auspicabile la sua degradazione in CO2 e acqua per combustione.

Schema a blocchi della filiera

Modalità di conversione Conversione di tipo biochimico: ricavano energia da reazioni chimiche dovute alla presenza di funghi, enzimi e microrganismi che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni; Conversione di tipo termochimico: sono stati basati sull’azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia;

Conversione biochimica: Digestione anaerobica; Digestione aerobica; Fermentazione alcolica; Produzione di metanolo; Produzione di oli;

Processi biochimici: La digestione anaerobica Demolizione per mezzo di batteri (in assenza di O) di sostanze organiche complesse contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale; Batteri sempre presenti nella massa organica e trasformano i composti organici in CH4 e CO2; Avviene all’interno di reattori che evitano il contatto tra mssa liquida e ossigeno atmosferico; Produzione di biogas (45-60% metano e parte restante CO2) Usato come combustibile per alimentare la BIOCONVERSIONE; Al termine del processo si conservano integri N, P e K usati come fertilizzanti;

In relazione all'intervallo di temperatura in cui agiscono, i batteri sono suddivisi in: • Psicrofili, quando agiscono a temperature inferiori a 25°C • Mesofili, quando agiscono a temperature comprese tra i 25°C e 45°C • Termofili, quando agiscono a temperature superiori a 45°C.

Fasi della digestione anaerobica: 1. idrolisi della cellulosa, delle proteine, dei lipidi e degli zuccheri e degli amminoacidi; 2. fase acidogenica con formazione di acidi grassi in particolare di acido acetico; 3. metanizzazione del prodotto della seconda fase; questo stadio metanogenico coinvolge una serie di metano-batteri, che completano la trasformazione in metano ed anidride carbonica degli acidi grassi (principalmente acetico), secondo la reazione seguente: CH3COOH CH4+CO2 in cui un atomo di carbonio è l'accettore finale di idrogeno, e produce metano, mentre l'altro atomo va a costituire l'anidride carbonica.

Processi biochimici: Digestione aerobica Metabolizzazione delle sostanze organiche ad opera di microrganismi (presenza di O); Conversione delle sostanze complesse in altre più semplici con liberazione di CO2 e H2O; Produzione di calore che può essere trasferito all’esterno mediante scambiatori a fluido;

Processi biochimici: Fermentazione alcolica Trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in ETANOLO usato come carburante per autotrazione;

Processi biochimici: Produzione di metanolo L’utilizzazione del gas di gasogeno come vettore energetico pone alcune limitazioni legate essenzialmente ai problemi connessi con l’immagazzinamento e il trasporto, dovuto anche al basso contenuto energetico per unità di volume. Ciò fa sì che risulti eccessivamente costoso il trasporto su lunghe distanze, a meno che non si trasformi il gas in alcool metilico (CH3OH), che può essere agevolmente utilizzato 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.

Processi biochimici: Produzione di oli Estratti dalle colture oleaginose (girasole, colza e soia); Gli olii possono essere utilizzati come combustibili anche nello stato in cui vengono estratti (è meglio usarli dopo l’esterificazione); Caratteristica comune a tutte le oleaginose è la natura proteica (possono essere usate anche per l’alimentazione animale);

Processi termochimici: Combustione diretta; Pisolisi; Gassificazione; Carbonizzazione; SRF(Short Rotation Forestry);

Processi termochimici: Combustione diretta si attua all’interno di caldaie; Non solo legna ma anche scarti forestali, paglia, residui dell’industria del legno (segatura e trucioli), dell’industria agro-alimentare (gusci e noccioli) e rifiuti solidi urbani; Permette la trasformazione dell’energia chimica intrinseca alla biomassa in energia termica (reazioni chimico-fisiche); Produzione di calore recuperato mediante scambiatori di calore in cui si trasferisce l’energia ad altri fluidi vettori (aria o acqua);

Processi termochimici: Pirolisi Processo di decomposizione dei materiali organici; Si ottiene fornendo calore a temperature 400-00 °C (in assenza di ossidanti); È ottimale per sostanze organiche con piccolo tasso di umidità ed un rapporto tra C e N > di 30; Sono usati:legno, potature, residui vegetali, rifiuti solidi urbani e industriali a carattere organico; Si ottengono prodotti gassosi, liquidi o solidi in proporzioni diverse;

Processi termochimici: Gassificazione Parziale ossidazione di una sostanza in un ambiente ad elevata temperatura (900-1000°C); Produzione di GASCOMBUSTIBILE (gasogeno) che può essere trasformato in alcool metilico(CH3OH) Basso potere calorifero; Abbondante presenza di impurità nel gas;

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.

Processi termochimici: Carbonizzazione Trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone; Eliminazione di H2O e sostanze volatili; Si effettua in carbonaie o storte;

Processi termochimici: SRF(Short Rotation Forestry) si intende la coltivazione di specie arboree con alto contenuto energetico e un breve turno di raccolta (2÷5 anni); Le varie fasi del ciclo di produzione , necessitano comunque ancora di sperimentazione su scala significative nelle diverse situazioni ambientali italiane, tenendo conto che tutte le specie considerate hanno diverse tecniche di propagazione ed esigenze climatiche, idriche, etc; la coltivazione di specie arboree è tanto più redditizia quanto più i cicli di crescita sono brevi;

Colture è possibile, per combustione diretta, ottenere energie attraverso caldaie tradizionali o a letto fluido; Si genera vapore che può essere utilizzato per riscaldamento oppure per produrre energie meccanica o elettrica attraverso turbine tradizionali od a combustione esterna; Se vengono gassificate possono alimentare turbine a gas ottenendo, come residuo, un combustibile solido; Dalle stesse biomasse si possono ottenere, mediante pirolisi, combustibili solidi o liquidi;

BENEFICI La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale, pulita e rinnovabile; La CO2 prodotta permette quasi di pareggiare il bilancio dell'anidride carbonica emessa in atmosfera: infatti la CO2 emessa è la stessa CO2 fissata dalle piante (o assunta dagli animali in maniera indiretta tramite le piante), al contrario di quanto avviene per la CO2 emessa ex-novo dalla combustione dei carburanti fossili perciò non contribuisce all’effetto serra; Non vi è quindi contributo netto all’aumento del livello di CO2 nell’atmosfera; Il basso contenuto di zolfo e di altri inquinanti fa si che, se usate in sostituzione a carbone o ad olio combustibile, le biomasse contribuiscono ad alleviare il fenomeno delle piogge acide; Unico inconveniente è il contenuto di polveri!!!

Impatto ambientale degli impianti alimentati a biomassa ha i seguenti vantaggi: CO2 neutra; Assenza di Zolfo; Assenza di depositi acidi (presenti nei combustibili fossili); Assenza di CxHy; Le ceneri prodotte possono essere restituite al terreno; Unico inconveniente è il contenuto di polveri!!!