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TRATTAMENTO DELLE BIOMASSE
La biomassa può essere convertita in energia utile per mezzo di differenti processi tecnologici. I fattori che influenzano la scelta di un processo di conversione rispetto ad altri sono:
• Il tipo e la quantità di biomassa alimentata al processo;
• La forma di energia desiderata e quindi, l’utilizzo finale richiesto; • Gli standard ambientali da rispettare;
• Le condizioni economiche;
• I fattori specifici di progettazione.
In molti casi, tra tutti i fattori sopra elencati, quelli che più influenzano la scelta del processo di conversione sono: la forma finale in cui è richiesta l’energia e la disponibilità di biomassa in quantità e qualità.
L’energia contenuta nelle biomasse può essere utilizzata direttamente come energia termica dal processo di combustione (uso tradizionale e dominante) per la produzione di energia elettrica (combinata all’energia termica), oppure concentrata in una varietà di combustibili solidi, liquidi o gassosi tali da rendere più facile il trasporto e l’utilizzo finale.
La biomassa per un suo ottimale utilizzo, prima di essere usata, dovrà essere trasformata in un prodotto compatibile con l’uso finale.
In sintesi i processi di conversione delle biomasse sono divisibili in tre categorie:
a) Conversione fisico/chimica: cippatura, compattamento, essiccamento, spremitura, estrazione di oli e produzione di biodiesel;
b) Conversione biologica: digestione anaerobica e fermentazione alcolica;
c) Conversione termochimica: carbonizzazione, gasificazione e pirolisi.
I metodi sopraccitati si differenziano per i tipi di biomassa che possono sfruttare e per i diversi prodotti cui danno origine, in figura 12 sono riportati i trattamenti attualmente esistenti per la biomassa.
46 BIOMASSA Processi Biologici Processi Ficico-Chimici Processi Termo-Chimici -Fermentazione -Digestione -Estrazione -Spremitura -Gasificazione -Liquefazione -Idrogenazione -Pirolisi -Combustione diretta -Co-Combustione
Figura 12 - Trattamenti delle biomasse suddivisi per categoria
- I processi di conversione fisico/chimica sono azioni meccaniche atte a ridurre il peso, il volume o la pezzatura delle biomasse.
Particolarmente adatti a questo tipo di trattamento sono: i legnami, gli scarti di segheria e i semi oleosi usati per la spremitura e l’estrazione. Dalla spremitura e dall’estrazione con solvente si ottiene come prodotto finale l’estere, detto anche biodisel che si forma per reazione degli oli vegetali o dei grassi animali con metanolo o etanolo, di cui il più conosciuto è l’olio di colza o di girasole.
Di solito il processo di spremitura è accompagnato dall’estrazione con solvente in modo tale da incrementare la resa.
- I processi di conversione biologici permettono di convertire la biomassa in prodotti che possono essere sia liquidi che gassosi, grazie al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi che si formano nella biomassa stessa in particolari condizioni.
Sono impiegate quelle biomasse il cui rapporto carbonio/azoto (C/N) sia inferiore a 30 e il contenuto di umidità superi il 30%.
Risultano perciò più idonee alla conversione biochimica le colture acquatiche, i sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, patate, etc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione agro-industriale, nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate di rifiuti solidi urbani.
Andando più nello specifico il processo di fermentazione alcolica consiste, prima nell’idrolizzare la cellulosa e l’emicellulosa dei materiali ligno-cellulosiche in zuccheri poi, attraverso la compressione, provvedere all’estrazione degli zuccheri prodotti. Questi ultimi, infine, sono miscelati con acqua e lievito e posti in appositi recipienti, detti fermentatori, nei quali vengono conservati caldi.
La fermentazione alcolica è particolarmente adatta per materiali con un alto contenuto di umidità dato che non è richiesta l’essicazione. Le tecnologie per la fermentazione alcolica sono commercialmente disponibili, ma senza il sostegno di incentivi non risultano
48 La digestione anaerobica consiste nella decomposizione della biomassa attraverso l’azione di batteri in assenza di ossigeno.
Il prodotto finale è costituito da una miscela di CH4 e CO2 nella quale
la percentuale di metano è intorno al 60%, anche se, sono stati riscontrati in alcuni casi, valori superiori.
La decomposizione delle biomasse può avere luogo nelle discariche o all’interno di appositi contenitori a chiusura ermetica, chiamati digestori, dove sono mantenute in agitazione e riscaldate.
Essendo, in molti paesi, il recupero del biogas dalle discariche imposto per legge con l’obiettivo di ridurre al minimo i rischi per l’ambiente e la salute, i costi addizionali, per la distribuzione del gas agli utenti, sono molto bassi.
La digestione è particolarmente indicata per materiali con un alto contenuto di umidità dato che non è richiesta l’essicazione.
- I processi di conversione termochimica sono trasformazioni basate sull’azione del calore, che permette le reazioni chimiche necessarie alla trasformazione della materia in energia.
Sono utilizzabili a questo scopo, i prodotti o residui cellulosici e legnosi il cui rapporto C/N, contrariamente al precedente, abbia valore superiore a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30%. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono: il legname ed i suoi derivati (segatura, trucioli, etc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di
cereali, residui di potatura della vite e di frutteti), ed alcuni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, etc.).
Dei processi di conversione termochimica fa parte la liquefazione, che avviene a basse temperature (525-600°C) ed alte pressioni (5-20MPa) in presenza di un catalizzatore (idrogeno).
Questo trattamento ha il vantaggio di non richiedere l’essiccamento della biomassa da trattare, ma nonostante ciò, l’interesse nei confronti di questa tecnologia non è molto sviluppato, a causa degli elevati costi delle apparecchiature necessarie ed al basso valore del prodotto ottenuto.
La combustione consiste nell’ossidazione totale dei materiali presenti nella biomassa. I principali step della combustione diretta sono il rilascio di volatili e la loro combustione in fase gassosa, seguita dalla successiva interazione della matrice solida rimasta (char) con gli agenti gassificanti (O2, CO2, H2O).
Quest’ultimo costituisce lo stadio controllante dell’intero processo. Il prodotto principale è il calore che deve essere utilizzato immediatamente per la generazione di vapore e/o energia dato che lo stoccaggio non è possibile.
La combustione delle biomasse è già commercialmente disponibile, ed è ampiamente utilizzata perchè presenta rischi minimi per l’investitore.
50 Abbiamo, inoltre, la co-combustione che è la combustione di piccole frazioni di biomasse di varia natura ed origine, in impianti progettati e ottimizzati per i combustibili primari, generalmente a carbone.
La co-combustione presenta aspetti vantaggiosi sia riguardo ai costi, che all’efficienza e alle emissioni.
La gassificazione invece è un processo di conversione ad alta temperatura di un solido a matrice carboniosa in presenza di un agente gassificante che ha come prodotto finale una miscela di gas combustibili non condensabili.
Il gas combustibile, che è una miscela di CO, CO2, H2 e CH4, può
essere prodotto dalla biomassa per ossidazione parziale o per gasificazione a vapore o pirolitica.
L’ultimo processo possibile è la pirolisi che è una decomposizione termica che avviene in assenza di ossigeno o altri agenti ossidanti e porta alla formazione di una miscela di prodotti formata da char, liquidi condensabili (tar) e gas.
Essa costituisce sempre il primo stadio dei processi di gassificazione e combustione, ma in questi casi è seguita dall’ossidazione totale o parziale dei prodotti primari.
Le proporzioni, con cui si ottengono i prodotti primari, dipendono dalle condizioni operative del processo.
