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Energie Rinnovabili Ep. 2 – Energia da biomassa

Energia
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Storia delle Biomasse

Nella mitologia greca il fuoco è l’elemento naturale che simboleggia la forza divina e la conoscenza che gli Dei avevano concesso agli uomini. Prometeo, dopo che Zeus aveva privato l’umanità del fuoco, riesce a rubare un “seme di fuoco” che però è diverso da quello divino perché deve essere costantemente alimentato.
Sin dagli uomini delle caverne, l’umanità ha utilizzato l’energia da biomassa per accendere fuochi a legna, riscaldarsi o cucinare. 
Per definizione la biomassa è materia organica, cioè composta da materiale proveniente da organismi viventi. I più comunemente usati sono piante, legno e rifiuti e sono chiamati materie prime da biomassa, in base alla materia impiegata. L’energia da biomassa può essere classificata come fonte di energia rinnovabile o meno.
La biomassa accumula energia dal sole mediante la fotosintesi clorofilliana, processo che converte l’anidride carbonica e l’acqua in nutrienti, e i carboidrati; può essere trasformata in energia utilizzabile in maniera diretta o indiretta. E’ possibile:
  • Bruciarla per generare calore;
  • Bruciarla per generare calore e utilizzare quest’ultimo per generare energia elettrica;
  • Trasformarla in biocarburante.

Conversione termica

L’energia contenuta nella biomassa può essere sfruttata tramite la reazione di combustione, che richiede un reagente ossidante in grado di legarsi con le molecole di carbonio e idrogeno contenute nel combustibile. Questo tipo di reazione è esotermica, cioè in grado di fornire calore all’ambiente esterno. 
Ogni combustibile ha una sua reazione di combustione caratteristica che tiene conto, in prima battuta, dei quantitativi di molecole di idrogeno, carbonio, ossigeno: non tutti i combustibili infatti bruciano allo stesso modo rilasciando la stessa quantità di calore. Per confrontarli si usa il potere calorifico, che rappresenta il rapporto tra quanta energia (sotto forma di calore) è estraibile per chilogrammo di combustibile (Joule/chilogrammo). La biomassa ha un potere calorifico che dipende ovviamente dalla sua natura, ad esempio il legname ha valori dell’ordine di 17 MJ/kg.

Un esempio di reazione di combustione per la cellulosa è il seguente:

C6H10O5 + 6O2 → 6CO2 + 5H2O

La combustione ha come prodotto di scarto la CO2 , tuttavia si tratta di cicli complessivamente ad emissioni zero come vedremo nella sezione “biomasse e ambiente”. 

Un aspetto importante: L’essiccazione

Prima di effettuare la combustione, si cerca di rimuovere la maggior parte dell’acqua contenuta nella biomassa mediante un processo di essiccazione, in quanto bruciare una massa umida andrebbe a rimuovere parte del calore utile prodotto dalla reazione (calore latente*), rendendo così il processo meno efficiente.
La maggior parte delle biomasse è igroscopica, cioè contiene una grande quantità d’acqua adsorbita* all’interno del solido (il legno inumidito si gonfia). L’asciugatura avviene attraverso un processo di riscaldamento, fino a raggiungere la temperatura di saturazione (la massima raggiungibile da una miscela di aria umida). Continuando a fornire calore vedremo prima evaporare l’acqua superficiale, detta acqua non legata, e successivamente il liquido adsorbito migrerà dall’interno del solido fino all’esterno, evaporando. Le temperature e i tempi dipendono molto dal tipo di biomassa trattata e dall’umidità contenuta.
Per rendere più semplice il processo di combustione si comprime la biomassa essiccata in “bricchetti”, che risultano essere idrofobici e quindi respingono l’acqua, caratteristica utile quando devono essere stoccati in ambienti umidi. Oltre ciò, hanno un’elevata concentrazione di energia e sono facili da bruciare durante la combustione diretta o la co-combustione (ad esempio il Pellet).

Figura 1: Schema illustrativo di una caldaia a pellet

Combustione diretta e co-combustione

Il primo sistema per sfruttare le biomasse è quello di bruciarle direttamente, un esempio familiare a molti è quello della stufa a pellet, che può essere complementare alla caldaia per scaldare l’acqua a scopi sanitari.
Se l’intento è quello di produrre energia, si sfrutta il calore per generare vapore (a seconda delle temperature raggiunte ad acqua o fluidi organici) da espandere* successivamente in turbina. In questo caso si può decidere di addizionare al carbone della biomassa e si parla di sistemi co-fired, che rendono il processo più sostenibile.



Figura 2: Ciclo Rankine per caldaia co-fired

Pirolisi e gassificazione

Un'altra strategia per sfruttare le biomasse è quella di trasformarle da combustibile solido a combustibile gassoso, composto principalmente da idrogeno e monossido di carbonio. Le reazioni di combustione sono le seguenti:

H2+1/2 O2 → H2O

CO+1/2 O2 → CO2

Tramite un processo denominato shift, è possibile aumentare il contenuto di idrogeno del combustibile andando a far reagire il CO con vapore d’acqua, oltre ad eliminare il CO stesso: 

CO+H2O → CO2+H2

Per dar vita al processo sono necessari tre passaggi chiave:
  1. Fornire un ossidante con dosaggio regolato in modo da non far partire la combustione;
  2. Fornire del calore (le temperature in gioco raggiungono gli 800 °C);
  3. Fornire idrogeno, puro o tramite aggiunta di vapore.
All’interno del reattore di gassificazione si distinguono due fasi: la prima, detta pirolisi, avviene a basse temperature (200 °C-300°C) e si ha il rilascio dei TAR*, di sostanze aromatiche e di gas di pirolisi. Nelle zone ad alta temperatura (600°C-1000°C) invece, si avvia il processo di gassificazione, da cui si ottiene infine il syngas. 
Il residuo solido rimanente, detto char, è formato da piccole masse devolatilizzate dei vari aromatici ad alto contenuto di carbonio: è possibile utilizzarlo al posto del carbone.
I reattori di gassificazione sono principalmente di tre tipi:
  1. A letto fisso: Sono i più semplici, sono composti da delle griglie su cui viene depositata la biomassa per essere gassificata, al di sotto della griglia viene fatto risalire l’agente ossidante.
  2. A letto fluido: La biomassa/carbone viene sminuzzata (dimensioni inferiori ai 10 cm), un flusso d’aria dal basso tiene in sospensione le particelle che risultano completamente immerse nell’agente ossidante. 
  3. A flusso trascinato: Il combustibile viene sminuzzato in particelle dell’ordine dei 100 micron, arrivando ad avere la consistenza della farina, per poi essere trascinato nel reattore dal flusso d’ossidante. Vista la difficoltà di raggiungere simili pezzature con le biomasse questo processo rimane per ora confinato al carbone.


Figura 3: Schema di gassificatore a letto fisso

I prodotti della pirolisi sono: 
  • Un liquido scuro chiamato olio di pirolisi;
  • Un gas sintetico chiamato syngas;
  • Un residuo solido chiamato biochar.
L’olio di pirolisi è un tipo di catrame, può essere bruciato per produrre energia elettrica e può essere impiegato per la produzione di combustibili e plastiche, vi si guarda con particolare interesse come sostituto del petrolio.

Il syngas può essere convertito in carburante oppure, dopo apposita lavorazione, convertito in metano e impiegato in sostituzione del gas naturale.

Il biochar è un tipo di carbone, può essere utilizzato in tutte quelle applicazioni dove già si utilizza il carbone fossile, per produrre filtri e perfino agricoltura come ammendante per il suolo.

Decomposizione anaerobica

Durante la decomposizione anaerobica i batteri decompongono la biomassa in assenza di ossigeno; tra i prodotti di decomposizione otteniamo il metano, che, per ricordarne la provenienza, prende il nome di biometano o biogas.
Il metano è un ottimo combustibile, generalmente è estratto da giacimenti petroliferi ed ha un potere calorifico di 52 MJ/Kg. La sua reazione di combustione è la seguente:

CH4+2 O2 -> CO2+2 H2O

I batteri metanogeni vengono utilizzati all’interno di strutture chiamate digestori, questi grandi silos vengono caricati con biomasse (generalmente letami, scarti di origine alimentare e potature) e tenuti a temperature idonee alla vita dei batteri dai 30°C ai 55°C, a seconda del tipo.
Una volta trattato, il biogas può essere usato come combustibile per alimentare un ciclo Brayton*. 

Figura 4: Schema di un digestore + ciclo Brayton

Il biogas viene prodotto anche all’interno delle discariche sempre come prodotto di decomposizione, questo effetto se non confinato può rappresentare un serio problema in quanto il metano ha un potere climalterante di circa trenta volte superiore rispetto a quello della CO2, alcune aziende si occupano della raccolta di questo metano e quando non è possibile sfruttarlo per la produzione di energia viene bruciato direttamente sul sito per liberare CO2 invece di CH4.

Perfino gli allevamenti di bestiame hanno una buona produzione di metano, in alcuni allevamenti si è pensato di studiare alcuni sistemi di recupero del gas prodotto dalle mucche, o in alternativa qualora la cattura non fosse possibile, di limitarne la produzione tramite diete particolari.

Biofuel

La biomassa è l’unica fonte rinnovabile che può essere convertita in biocarburanti liquidi come il biodiesel e l’etanolo. L’etanolo è prodotto dalla fermentazione della biomassa ad alto contenuto di carboidrati, come la canna da zucchero o il mais, mentre il biodiesel è ottenuto dalla combinazione dell’etanolo con grasso animale, olio da cucina esausto o olio vegetale.

L’efficienza dei biocarburanti non raggiunge lo stesso livello di quelli tradizionali, ma possono esservi miscelati così da ridurre le emissioni prodotte senza alterare le prestazioni dei macchinari.

La produzione di etanolo richiede ampi spazi per coltivare le materie prime da convertire in biofuel, solitamente si utilizza il mais o altri cereali.  Le superfici coltivate a mais non sono quindi disponibili per altre colture, oltre a ciò, per computare l’impatto ambientale si sommano anche i fertilizzanti e i pesticidi utilizzati per rendere redditizie le colture.

Recentemente i biocarburanti si sono dimostrati una valida alternativa a quelli tradizionali per quanto riguarda il trasporto aereo, difatti diverse compagnie, tra cui Lufthansa, Emirates e America Airlines hanno realizzato i primi voli alimentati da SAF (Sustainable Aviation Fuel) e hanno aumentato il loro impegno volto a ridurre l’impatto ambientale dei voli (hai visto il nostro vecchio post sul SAF?).

Biochar

Quando la biomassa marcisce o brucia rilascia nell’atmosfera grandi quantità di metano e anidride carbonica, ma quando viene carbonizzata sequestra o immagazzina il suo contenuto di carbonio. Quando il biochar viene aggiunto al terreno questo continua ad assorbire anidride carbonica e formare grandi depositi di carbonio sequestrato che portano a emissioni di carbonio negative ed un terreno più sano.
La sua funzione è anche di arricchire il terreno perché il biochar assorbe e trattiene l’acqua e le sostanze nutritive. Nella foresta pluviale amazzonica brasiliana, è utilizzato in un processo chiamato slash-and-char dove la biomassa risultante dal taglio viene trasformata in biochar e reinserito nel terreno per aumentare il suo tenore di carbonio, mentre con il metodo slash-and-burn la biomassa risultante dal taglio viene bruciata.

Black Liquor

Nell’industria cartiera, durante la trasformazione del legno, viene prodotta una sostanza di scarto ad alta energia chiamata liquore nero. Fino agli anni ’30, veniva considerato uno scarto e smaltito nei fiumi vicini alle industrie, ma questa sostanza contiene più del 50% dell’energia della biomassa del legno e grazie all’avvento delle caldaie a recupero può essere impiegata per far funzionare i mulini. Negli USA l’industria cartiera utilizza tutto il black liquor all’interno delle industrie, risultando più sostenibile.

Più recentemente la Svezia ha sperimentato la gassificazione del black liquor per produrre syngas, che può quindi essere utilizzato per produrre energia elettrica.

Idrogeno e biomasse

La biomassa è ricca di idrogeno, che può essere estratto chimicamente per generare energia e alimentare i veicoli. Le celle a combustibile statiche possono essere impiegate per generare elettricità e calore in luoghi remoti, ad esempio lo Yosemite National Park in California impiega celle a combustibile per fornire calore ed elettricità alla sua sede amministrativa.
Nelle celle a combustibile risiede un grande potenziale come fonte di energia per i veicoli, ma al momento si discute molto sull’utilizzo di questa tecnologia, in quanto l’energia necessaria per comprimere e trasportare l’idrogeno è molto elevata, rendendola economicamente non sostenibile.

Biomasse e ambiente

Il ciclo del carbonio è il processo mediante il quale il carbonio viene scambiato tra tutti gli strati della Terra: atmosfera, idrosfera, biosfera e litosfera; la biomassa è parte integrante di esso.

Il carbonio quindi assume molte forme, aiuta a regolare la quantità di luce solare che entra nell’atmosfera, viene scambiato mediante la fotosintesi clorofilliana, la decomposizione degli organismi, la respirazione e le attività umane. 

Nelle condizioni ottimali, un organismo in decomposizione può diventare torba, carbone o petrolio prima di essere estratto attraverso attività naturali o umane.

Nei periodi di scambio il carbonio viene immagazzinato o sequestrato, ad esempio il carbonio dei combustibili fossili è stato immagazzinato per milioni di anni. Quando l’uomo estrae i combustibili fossili e questi vengono bruciati per produrre energia, il loro carbonio viene rilasciato nell’atmosfera. I combustibili fossili però non riassorbono il carbonio rilasciato.

A differenza dei combustibili fossili la biomassa proviene da organismi viventi recenti e quindi il carbonio contenuto può continuare ad essere scambiato nel ciclo del carbonio.

Affinché la Terra possa continuare efficacemente il ciclo del carbonio i materiali della biomassa devono essere coltivati in modo sostenibile. Ci vogliono decenni affinché alberi e piante assorbano e sequestrino il carbonio nella stessa quantità che sarà rilasciata con il loro utilizzo. Un altro fattore da tenere in considerazione è lo sfruttamento del suolo, coltivazioni intensive di mais e cereali sottraggono spazio ad altre coltivazioni, mentre si può rivelare un’arma contro il dissesto idrogeologico una maggiore attenzione a colline e montagne con la piantumazione di alberi e arbusti.


Legenda:

Calore latente: quantità di calore necessaria affinché una massa di un chilogrammo di una specifica sostanza effettui un passaggio di stato.
Adsorbimento: proprietà fisico-chimica dei solidi e dei liquidi che consiste nel trattenere o nel concentrare sulla propria superficie, cioè di adsorbire, uno o più componenti (atomi, molecole o ioni) di altre sostanze solide e fluide a contatto con la superficie stessa.
Espansione: sistema di generazione di energia mediante passaggio di gas o vapore attraverso un elemento (in genere una turbina o un ugello) che ne abbassa la pressione e la temperatura.
TAR: liquido di scarto derivante dalla gassificazione.
Ciclo Brayton: ciclo termodinamico che schematizza il funzionamento delle turbine a gas.

Fonti:
https://fontidienergiarinnovabile.it/energia-da-biomasse/
https://www.bfe.admin.ch/bfe/it/home/approvvigionamento/energie-rinnovabili/energia-da-biomassa.html 

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