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PREMESSA
Utilizzo delle biomasse da energia
Ad oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo. L’utilizzo di tale fonte mostra, però, un forte grado di disomogeneità fra i vari paesi. I paesi in via di sviluppo, nel complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle biomasse, ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del fabbisogno energetico totale, mediante la combustione di legno, paglia e rifiuti animali. Nei paesi industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono appena per il 3% agli usi energetici primari. In particolare, gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, l’Europa, complessivamente, il 3,5%, con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria. L’Italia, con il 2% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea.
L’impiego delle biomasse in Europa soddisfa, dunque, una quota piuttosto marginale dei consumi di energia primaria, ma il reale potenziale energetico di tale fonte non è ancora pienamente sfruttato.
All’avanguardia, nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, sono i paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse. La Francia, che ha la più vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come combustibile ha adottato una politica di completa defiscalizzazione. La Gran Bretagna invece, ha sviluppato una produzione trascurabile di biocombustibili, ritenuti allo stato attuale antieconomici e si è dedicata in particolare allo sviluppo di un vasto ed efficiente sistema di recupero del biogas dalle discariche, sia per usi termici che elettrici. La Svezia e l’Austria, che contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo (salice, pioppo) che hanno rese 3÷4 volte superiori alla media come fornitura di materia prima. Nel quadro europeo dell’utilizzo energetico delle biomasse, l’Italia si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante l’elevato potenziale di cui dispone.
PREMESSA
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I processi di conversione delle biomasse lignino-cellulosiche
I processi di conversione delle biomasse lignino-cellulosiche si dividono in processi di conversione biochimica e in processi di conversione termochimica.
I processi di conversione biochimica permettono di convertire la biomassa in energia o biocombustibili a basse temperature attraverso l’azione di enzimi e micro-organismi ed alcuni esempi sono la produzione di bioetanolo e la digestione anaerobica.
I processi di conversione termochimica sono basati sull'azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia o biocombustibili ed esempi di questa tipologia di conversione sono la combustione diretta, la pirolisi e la gassificazione. Tra le varie tecnologie di conversione energetica delle biomasse alcune possono considerarsi giunte ad un livello di sviluppo tale da consentirne l’utilizzazione su scala industriale, altre necessitano invece di ulteriore sperimentazione al fine di aumentare i rendimenti e ridurre i costi di conversione energetica.
L’attività del centro ricerche interdipartimentale CRIBE si prefigge l’obiettivo di abbattere le barriere tecnologiche relative allo sviluppo di queste tecnologie ed ha per questo installato un impianto di gassificazione ed un impianto pilota di pirolisi.
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INTRODUZIONE
Negli ultimi 20 anni la ricerca di energie rinnovabili per limitare la dipendenza dai combustibili fossili ed il pericolo dei mutamenti climatici ha alimentato un crescente interesse nei confronti delle biomasse. Per essere competitivo con sistemi energetici tradizionali l’utilizzo energetico della biomassa deve passare dalle applicazioni a bassa efficienza per riscaldamento ad applicazioni ad alta efficienza per la cogenerazione di calore ed energia elettrica in turbine e motori a gas. La gassificazione, convertendo le biomasse in un gas combustibile, rende possibili queste applicazioni.
La gassificazione delle biomasse può aumentare l’efficienza della produzione di energia, produrre gas per la sintesi di carburanti, prodotti chimici ed idrogeno. Nonostante il grande interesse la diffusione della gassificazione della biomasse è lenta. La tecnologia è vicina ad essere ad uno stadio commerciale ma ci sono delle condizioni che devono essere ancora soddisfatte. Al di là di ragioni di ordine politico-economico esistono, infatti, problemi di ordine tecnologico non completamente risolti, che rendono gli investimenti rischiosi.
La formazione di composti organici condensabili a temperatura ambiente (tar) è una problematica specifica della gassificazione rispetto alla combustione. Lo studio del controllo/limitazione della formazione di tar e/o di sistemi di conversione deve essere ancora affrontato in maniera approfondita e necessita sforzi da parte della ricerca scientifica. Le problematiche legate alla presenza del tar dipendono dall’utilizzo finale del gas prodotto dalla gassificazione. Nei casi di co-combustione il tar viene bruciato in una fornace a carbone per cui non comporta problemi ed il suo potere calorifico viene utilizzato. Diversamente in processi in cui il gas è inviato ad un motore o deve essere raffreddato o compresso il tar causa problemi di depositi, incrostazioni, intasamento. Sopra i 400 °C il tar condensato si trasforma in char ostruendo drammaticamente tubazioni e linee dell’impianto.
Scopo della tesi
Il presente lavoro di tesi è stato incentrato sullo studio della produzione, sul campionamento e l'analisi di tar prodotti da trattamenti termici di biomasse. A tale scopo sono state messe a
INTRODUZIONE
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punto ed ottimizzate le condizioni operative di un reattore di pirolisi a letto fisso e di un sistema di campionamento del tar. Una volta caratterizzato, il sistema di campionamento è stato applicato ad un impianto di gassificazione al fine di campionare e caratterizzare le frazioni condensabili del syngas prodotto.
Il lavoro sperimentale si è tenuto nell’area del centro CRIBE a San Piero a Grado (PI), nella quale sono installati gli impianti pilota di pirolisi e di gassificazione di biomasse.
Struttura della tesi
Al fine di chiarire il contesto del presente lavoro di tesi, nel Capitolo 1 verranno descritti i processi di trattamento termico di biomasse che portano alla formazione di tar e verranno fornite indicazioni sulle sue proprietà e sui suoi tipici range di produzione nei processi di pirolisi e gassificazione di biomasse. Sarà quindi riportata una rassegna delle principali tecniche di campionamento ed analisi del tar.
Nel Capitolo 2 verranno effettuate le descrizioni degli impianti di gassificazione e pirolisi utilizzati con le eventuali ottimizzazioni e le migliorie apportate.
Nel Capitolo 3 verranno enunciate le tecniche di campionamento di gas e condensati e le tecniche di analisi, adottate nel presente lavoro di tesi, per la caratterizzazione di biomasse utilizzate, char, frazioni condensate e particolato prodotti durante le prove sperimentali. Particolare attenzione verrà posta sullo sviluppo del sistema di campionamento tar la cui messa a punto è stata uno degli obiettivi del presente lavoro di tesi.
Nel Capitolo 4, infine, verranno effettuate le descrizioni dettagliate delle modalità operative delle prove sperimentali, i risultati ottenuti dalle caratterizzazioni effettuate e l’elaborazione dei dati sperimentali per verificare la chiusura dei bilanci.
