cultura e natura
Biomasse, l’oro “arcobaleno”. In Africa, nella sola zona sub-sahariana, 730 milioni di persone consumano meno di 20 milioni di cittadini europei mentre a livello globale il 48,8% di tutta la produzione energetica mondiale è destinata ai 30 Paesi industrializzati aderenti all’OCSE, la percentuale rimanente, al resto del mondo. a cura di Elisabetta Gatti
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e il petrolio è definito l’oro nero, allora le biomasse possono essere definite “l’oro arcobaleno” per la grande varietà di fonti e di prodotti energetici che offrono. Con questo termine infatti si possono raggruppare tutte le fonti energetiche che derivano dalla fotosintesi clorofilliana presenti sul pianeta ad eccezione dei combustibili fossili e delle plastiche di origine petrolchimica. Utilizzate dall’uomo fin dalla notte dei tempi - anche la legna da ardere appartiene a questa categoria - le biomasse entrano nella nostra era tecnologica con un po’ di difficoltà. Infatti sono soprattutto i paesi in via di sviluppo, con bassi consumi energetici e con poco sviluppo tecnologico, che utilizzano percentuali maggiori del loro potenziale. Ad esempio l’Africa trae da questa fonte mediamente il 60% dell’energia consumata. Invece i paesi industrializzati raggiungono solo il 3% degli usi energetici primari. In Europa, sono i paesi del nord (18% in Finlandia e 17% in Svezia), che sfruttano al meglio questa variegata tipologia di rinnovabili. L’Italia è ancora in una fase di basso sfruttamento, nonostante il suo potenziale sia il doppio di quello attualmente utilizzato. Secondo il Biomass Energy
Executive Report 2012 se riuscissimo a sfruttarlo interamente, entro il 2020 l’Italia produrrebbe 29.236 GWhe di energia elettrica equivalente a 5.467 ktep (5.467.000 Tonnellata Equivalente di Petrolio) e 17.870 GWhth di energia termica equivalente a 1.537 ktep. CHE COSA SONO Il termine biomassa è l’ abbreviazione di "massa biologica". In base alla recente normativa introdotta dal Decreto Legislativo 28/2011, che recepisce le disposizioni europee sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, per biomassa si intende: “la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani:” LE TIPOLOGIE DI BIOMASSE Ci sono diversi criteri di classificazione di questi fonti. Alcuni prendono in considerazione il contenuto dell’acqua o l’origine (vegetale, animale).
Fonte:Biomass Energy Report 2009
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cultura e natura Altri la vitalità (se ci sono microorganismi vivi o morti) o il prodotto finale (gassoso, liquido solido). Un ulteriore criterio di classificazione, è dato dal processo di conversione. In base a quest’ultima categorizzazione possiamo individuare principalmente tre diversi tipi di conversione: termochimico, biochimico, meccanicochimico:
COMBUSTIONE DIRETTA
In questo procedimento viene utilizzato soprattutto il legno in tutte le sue varietà (tronchetti, pellets, segatura, chips), residui e prodotti agricoli (paglia, semi, erba, ecc.) e residui agroalimentari (sanse di olive, lolla, panello proteico). La tecnologia è molto ben sviluppata (con rendimenti fino all’80/85%) e conveniente. Grazie alle diverse taglie disponibili nell’impiantistica di stufe e caldaie, questo sistema è il più flessibile perché si adatta a tutti gli usi, come ad esempio quello domestico (riscaldamento), quello collettivo (teleriscaldamento, distribuzione attraverso una rete di tubazioni isolate e interrate, di acqua calda, acqua surriscaldata o vapore) o industriale (energia elettrica).
Fonte: M. Morini, M. Pinelli Dip. di Ingegneria Università degli Studi di Ferrara
IL PROCESSO TERMOCHIMICO Il processo termochimico si basa sull’azione del calore che dà origine a quelle reazioni utili per la trasformazione della biomassa in combustibile. In questo processo sono utilizzati fonti cellulosiche e legnose il cui rapporto carbonio/azoto è superiore a 30 e l’umidità contenuta fino al 30%. La massa biologica più idonea per la trasformazione termochimica è costituita principalmente da: ● legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, etc.); ● i più comuni sottoprodotti colturali di tipo lignocellulosico (paglia di cereali, residui di potature, etc.); ● scarti della lavorazione del riso, dei cereali (lolla e pula); ● noccioli e gusci derivati dalla lavorazione di frutta secca (mandorle, nocciole, noci, pinoli). Nell’ambito di questo processo e si utilizzano diversi metodi applicativi, i principali sono: ♦ la combustione diretta, ♦ la carbonizzazione, ♦ la gassificazione, ♦ la pirolisi.
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Da un punto di vista tecnologico le caldaie sono principalmente di due tipi: • letto fisso con griglia mobile per le biomasse con pezzature diversificate e combustione a temperatura tra 850°C e 1450°C; • letto fluido per le biomasse con pezzature minori che bruciano a una temperatura massima di 850°C – (come ad esempio la Centrale di Bando Ferrara e il Termovalorizzatore di Hera Ferrara). Oltre alla combustione diretta, le biomasse trovano applicazione anche nella co-combustione, ovvero la combustione simultanea di combustibili differenti. Infatti la co-combustione di biomasse e/o residui solidi urbani insieme al carbone permette di sfruttare impianti già esistenti apportando modifiche tecniche non eccessivamente costose. Un esempio di impianti a cocombustione è la Centrale Enel del Sulcis in Sardegna. I risultati sono incoraggianti perché si riduce la necessità di approvvigionamento del carbone e il tasso di emissioni nocive. Inoltre consente di smaltire la parte solida organica dei rifiuti urbani. Riguardo alla combustione diretta, va detto che se la fonte è di origine legnosa, le emissioni inquinanti possono essere anche maggiori di quelle prodotte dal gasolio o dal gas. Pertanto gli impianti vanno dotati di sistemi di
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cultura e natura abbattimento e controllo dei fumi nocivi. CARBONIZZAZIONE
Uno dei più tradizionali metodi di carbonizzazione del legno è costituito dalla carbonaia all’aperto, cioè una specie montagnola dalla forma tipicamente conica, con un camino centrale ed altri cunicoli di sfogo laterali, usati con lo scopo di regolare il tiraggio dell'aria. Il principio si basa sull’eliminazione dell'acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale mediante l’azione del calore in ambienti con ridotta presenza di ossigeno. Oltre a questa forma tradizionale di sfruttamento, la tecnologia ha sviluppato forni speciali per la gestione del processo in grado di raccogliere anche i sottoprodotti (catrame e acido di pirolisi) e controllare i gas di scarico. GASSIFICAZIONE
Questo metodo consente la conversione del carbone in composti gassosi di diverso tipo (ad esempio: ossido di carbonio, anidride carbonica, metano, idrogeno e miscele gassose). Grazie all’ossidazione della fonte energetica ad elevate temperature (900÷1.000°C) si ottiene un gas combustibile detto di gasogeno (SYNGAS o gas povero o gas di sintesi). Poiché il potere calorifico è medio-basso, il suo uso diretto è poco conveniente. Tuttavia può essere trasformato in alcool metilico (metanolo) ed usato per alimentare motori. Inoltre se ulteriormente raffinato si può ottenere benzina sintetica.
PIROLISI E’ un processo che si basa sulla decomposizione termochimica di materiali organici che avviene a
temperatura comprese tra 400-1000°C, in assenza di ossigeno o in ridottissima percentuale. I prodotti utilizzabili per la decomposizione sono molteplici: legname in tutte le sue forme; paglie di cereali; residui di raccolta di legumi secchi; residui di piante oleaginose (ricino, cartamo, ecc.); residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, ecc.); residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali; residui dell’industria agroalimentare. A seconda del metodo di combustione (convenzionale, lento e veloce) con il pirolizzatore è possibile estrarre tre diversi tipi di combustibile: liquido (bio-olio), solido (char) e gas (gas di pirolisi o Syngas - gas di sintesi). Gli impianti di pirolisi sono da preferire agli impianti di incenerimento nei termovalorizzatori, in quanto, non essendoci combustione diretta, si eliminano le emissioni in atmosfera di nanoparticelle che, recenti studi, hanno indicato come particolarmente insidiose per la salute pubblica. IL PROCESSO BIOCHIMICO Grazie all’azione di enzimi, funghi e micro-organismi è possibile ricavare combustibili gassosi. Le fonti che possono essere utilizzate sono quelle il cui rapporto carbonio/azoto è inferiore a 30 e il cui tasso di umidità è superiore al 30%. Rientrano in queste caratteristiche: colture acquatiche, sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), reflui zootecnici, scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.), FORSU (Frazione Organica dei Rifiuti Solidi Urbani), reflui urbani ed industriali. I principali processi biochimici sono: la digestione anaerobica, la digestione aerobica e la fermentazione alcolica.
DIGESTIONE ANAEROBICA Il processo avviene in assenza di ossigeno. In questo stato i micro-organismi demoliscono le sostanze organiche complesse (lipidi, glucidi e protidi) sia di origine vegetale che animale e producono biogas composto da metano (5080%) e anidride carbonica. I residui di questa trasformazione possono essere utilizzati come fertilizzanti in quanto contengono fosforo, potassio e azoto demineralizzato. DIGESTIONE AEROBICA Come indicato dalla definizione stessa, questo processo chimico si verifica in presenza di ossigeno, che consente ai batteri di convertire le sostanze complesse in più
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cultura e natura semplici (anidride carbonica e acqua). Grazie al grande lavorio di questi microorganismi, viene prodotto calore nella massa sottostante che deve ancora essere digerita. Tale calore viene quindi prelevato con degli appositi scambiatori e trasferito all’esterno. Il sistema è ideale per la depurazione dei liquami e delle acque di scarico. FERMENTAZIONE ALCOLICA
PROSPETTIVE Attualmente lo sviluppo delle biomasse avanza piccoli passi a causa delle barriere economiche e tecnologiche, nonostante gli innumerevoli vantaggi. Da un punto di vista ecologico, l’utilizzo delle biomasse per il riscaldamento e per l’energia elettrica, riduce sensibilmente l’emissioni di gas serra, per le maggioranza dei casi, con percentuali che vanno dal 55% al 98%. Uno dei maggiori rischi di questo settore produttivo è dato dal cambiamento d’uso dei terreni agricoli e, per quanto riguarda le colture energetiche, dalla riduzione della biodiversità che potrebbe causare in seguito all’intensificazione delle coltivazioni.
Consente di trasformare i glucidi in bioetanolo (alcool etilico). Le fonti utilizzate sono materiali zuccherini (canna da zucchero, sorgo, bietole, barbabietole, etc) o amidacei (grano, mais, patate granoturco, orzo, riso, cereali in genere). Il bioetanolo così estratto può essere utilizzato direttamente come combustibile per autotrazione in motori dual-fuel. Oppure, in combinazione con un altro idrocarburo petrolifero, l’isobutene, può produrre un carburante alternativo come l’ETBE (Etil-TerButilEtere). Colture Energetiche Fonte: M. Morini, M. Pinelli Dipartimento di Ingegneria Università degli Studi di Ferrara
IL PROCESSO MECCANICO-CHIMICO
Con questo metodo di conversione è possibile estrarre combustibile attraverso la semplice spremitura meccanica di piante oleaginose (soia, colza, girasole, palma) e utilizzare gli oli direttamente come combustibile per motori adattati. Una volta estratto l’olio, lo si può sottoporre ad un’ulteriore trasformazione chimica, denominata trans-esterificazione. Quest’ultimo processo sfrutta la reazione degli oli in presenza di alcool metilico grazie alla quale possono essere prodotti la glicerina (per le case farmaceutiche) e il biodiesel. Quest’ultimo tipo di carburante, se puro, (contrassegnato con le sigle BD100 o B100 - Biodiesel al 100%) può essere utilizzato in qualsiasi motore Diesel a petrolio, anche se viene più comunemente utilizzato in concentrazioni inferiori. Rispetto al gasolio, il biodiesel riduce nettamente le emissioni di ossido di carbonio del 50% circa e di anidride carbonica del 78,45%; infatti il carbonio delle sue emissioni è pari a quello che era stato fissato dalla pianta durante la sua crescita nell'atmosfera terrestre.
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In Europa i consumi termici ed elettrici basati sulle biomasse sono arrivati a 800 TWh. Il livello raggiunto si dimostra ancora basso rispetto al target fissato nel 2020, che punta al raddoppio con una quota di 1.650 TWh. Tra i paesi europei più all’avanguardia in questo settore delle rinnovabili, spicca la Danimarca, per l’intenso sfruttamento delle fonti provenienti dai residui agricoli. Secondo l’ultimo rapporto europeo sulle Biomasse, (Biomass for heat and power – Opportunity and economics) l’uso di tali fonti dovrebbe essere indirizzato con urgenza verso il bio-carburante. I vantaggi di sostituire il carburante tradizionale con quello proveniente da biomasse sarebbero di tale portata che si dovrebbe perseguire come priorità sul resto della produzione energetica. Anche nel resto d’Europa il settore particolarmente sviluppato è rappresentato dalle fonti ligneo-cellolusiche, provenienti soprattutto dall’industria forestale. Quindi, come per l’Italia, l’uso diretto delle fonti primarie si afferma sul mercato sia per i piccoli impianti sia per quelli più grandi. Rispetto allo sviluppo futuro, è fondamentale che l’implementazione della produzione di biomasse vada di pari passo con la tutela dell’ambiente e non sia in competizione con la produzione alimentare destinata al sostentamento delle popolazioni. A questo proposito, alcuni studi hanno dimostrato che sul
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cultura e natura nostro continente, ci sarebbe abbastanza massa biologica per il raggiungimento dell’obiettivo del 2020 di 1.650 TWh, senza intaccare la produzione per il fabbisogno alimentare e minacciare l’esistenza delle foreste vergini. In un ottica a lungo termine, sarebbe necessario innalzare la quantità disponibile delle biomasse in modo da poter abbassare i costi e ammortizzare le flessione della produzione di energia. In questo modo il settore delle biomasse diverrebbe più competitivo nei confronti delle fonti tradizionali e sarebbe particolarmente utile per l’alimentazione delle centrali termiche a carbone. ITALIA A TRE VELOCITA’ Per quanto riguarda la situazione italiana, Energy & Strategy Group del Politecnico di Milano nel suo rapporto annuale sulle bioenergie (Biomass Energy Report 2012) ha fatto un’istantanea con luci e ombre piuttosto nette. Lo studio del Politecnico, analizzando il mercato delle bioenergie del 2011, ha rilevato che il nostro paese: “ha mostrato di muoversi a "tre velocità":
CONCLUSIONI Nonostante i risultati interessanti e gli sviluppi promettenti, purtroppo, la legislazione non sembra essersene accorta e l’ultimo schema di Decreto Interministeriale del 13 aprile 2012, rischia di affossare qualsiasi slancio migliorativo. Infatti se non interverranno modifiche alla legge, il settore subirà una contrazione del 40% rispetto del potenziale disponibile perché fissa un tetto massimo di nuova potenza incentivabile, per il prossimo triennio 2013-2015, pari 880 MW contro i 1500 MW installati nel 2009-2011. Inoltre si appesantiscono gli iter autorizzativi e si impone l’abbattimento delle tariffe del biogas pari al 30% che sicuramente deprimerà il settore che si stava espandendo. In sostanza anche qui si replica una delle dicotomie tipiche
Fonte Biomass Energy Executive Report 2012.
(i) con una crescita "sostenuta", soprattutto nel caso del biogas agricolo con nuove installazioni per oltre 200 MW (il doppio rispetto all'installato dell'anno precedente), ma anche per le caldaie a pellet che ormai da qualche anno fanno registrare un numero costante di nuove installazioni, nell'ordine di 150.000 unità l'anno; (ii) con una crescita "appena accennata", come nel caso del teleriscaldamento e delle biomasse agroforestali (scarti legnosi e agricoli impiegati per la produzione di energia elettrica) che hanno visto percentuali di crescita dell'installato complessivo nell'ultimo anno nell'ordine di 4-5 punti; (iii) sostanzialmente con crescita "zero", come nel caso degli impianti per la valorizzazione energetica dei rifiuti o, qui addirittura con un calo del 75% rispetto alle nuove
installazioni del 2010, della produzione di energia da oli vegetali.” Secondo il gruppo di Energy & Strategy, l’origine di questo andamento asincrono può essere dato da diversi motivi. In primo luogo il rapporto costi/rendimenti non è per tutti uguale e varia in base alla tecnologia; ecco perché vanno bene i segmenti di mercato (da quello residenziale a quello industriale) per i quali esiste una offerta tecnologica. In secondo luogo gli scarsi incentivi e gli iter burocratici-autorizzativi troppo complessi o confusi, scoraggiano gli investimenti delle imprese. Tra le luci il report evidenzia come, malgrado la mancanza di incentivi, le biomasse siano prossime alla grid-parity, ovvero alla parità di costi con le altre fonti energetiche tradizionali. In particolare la produzione di energia termica è già ora conveniente senza incentivi. Un’altra piacevole sorpresa che riserva il settore è la tecnologia tutta italiana che si afferma con una quota pari al l’85% su tutte le imprese operanti nel settore. Infine, made in Italy sono anche la maggior parte dei progettisti, degli installatori e delle ditte di manutenzione.
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cultura e natura del nostro bel paese, la società e le forze produttive evolvono verso una direzione mentre le strategie politiche si dirigono verso un’altra. Un errore che nell’attuale congiuntura dovremmo assolutamente evitare e di cui speriamo il legislatore prenda coscienza per attuare i correttivi necessari.
FONTI BIBLIOGRAFCHE E INCONOGRAFICHE www.enel.it; Dipartimento di Ingegneria Università degli Studi di Ferrara ; www.nextville.it; Biomass Energy Executive Report 2012; Dipartimento di Chimica dell'Università di Siena.(N. Graniglia); http://www.infobuildenergia.it; Biomass for heat and power – Opportunity and economics
Biomass for heat and power – Opportunity and economics
wikipedia;
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