Appunti di Tecnologie delle Energie Rinnovabili [TER]

H O N

α = β = γ =

C MM C MM C MM

% % %

C C C

in cui MM è il peso molecolare della specie chimica considerata.

A causa del fatto che quasi sempre la composizione della biomassa è data da molecole a

struttura molto varia e complessa, sono stati sviluppati metodi di calcolo del potere

calorifico di un combustibile basandosi esclusivamente dai dati ottenibili dall’analisi

elementare. II potere calorifico rappresenta la quantità di calore ottenibile dai prodotti

della combustione completa di un chilo di combustibile, fino al suo raffreddamento alla

temperatura di partenza. Utilizzando le percentuali di tutte le specie chimiche presenti

è possibile calcolare il della biomassa (si poteva anche procedere per

potere calorifico

via sperimentale utilizzando la ) come:

bomba di Mahler H %

H = H 9 r

− · 0

s i 100

dove r è il calore latente di vaporizzazione dell’acqua a 15 C (2 465 kJ kg ), mentre

◦ −1

0

H e H sono i poteri calorifici superiore ed inferiore della biomassa ovvero con

secca,

s i

o senza la quota parte di calore posseduto dal vapor d’acqua che si forma dopo la

combustione della biomassa. Altre relazioni sperimentali sono quelle di Dulong:

N + O 1

−

% %

H = 81 3 C + H + + 22 2 S [kcal kg]

· ·

% % %

s 8

e quella dell’Institute of Gas Tecnology:

H = 81 43 C + 316 H + 16 36 3 65 ε 28 62(N O ) [kcal kg]

· · − · − −

% % % %

s 11

218

dove ε è il contenuto percentuale di ceneri ed inerti. Sperimentalmente però si è consta-

tato che il potere calorifico calcolato a partire da biomasse umide risulta decisamente

inferiore a quello calcolato per bimassa secca e pertanto è necessario in questo caso

utilizzare un’altra formula apposita: U U

% %

um

H = H 1 r

− − 0

i

i 100 100

Nella maggior parte dei processi tecnologici di trasformazione dell’energia (caldaie,

motori, ecc) i prodotti della combustione non sono riportati alla temperatura iniziale

del combustibile/comburente, perdendo cosı̀ il calore associato alla condensazione del

vapor d’acqua prodotto. È questa la ragione per cui molto più frequentemente si fa

riferimento al potere calorifico inferiore H , che per le biomasse oscilla generalmente tra

i

10 20 MJ kg .

−1

÷

1.3 Classificazione delle biomasse

Come detto la biomassa consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati

come combustibili, ovvero trasformati in combustibili solidi, liquidi o gassosi. In funzione

1

della filiera si può eseguire una prima classificazione in e (figura

residuali colture energetiche

1.5). Mentre la seconda tipologia è soggetta all’intera catena della biomassa (produzione,

Figura 1.5: Classificazione delle biomasse

conversione e utilizzazione), i residuali non solo non sono soggetti alla produzione, ma

soprattutto non competono con gli usi alimentari umani. Come visibile dalla figura 1.5 le

biomasse da residuali si suddividono in base alla loro origine che può essere:

Comprendo residui di lavorazioni del legno, della carta o di riciclati: per esempio

Forestale

segatura, trucioli, pallet e imballaggi vari.

In questa categoria rientrano i residui in genere di varie coltivazioni come le

Agricola

vinacce e i gusci di frutta, ma anche quelli derivanti dalle attività agro industriali

1 Esistono anche altre classificazioni basate sull’origine (vegetale e animale) e sulla composizione qualitativa

(lignocellulosiche, saccarifere, amidacee,oleaginose e umide).

12

219

di trasformazione come per esempio le sanse esauste, noccioli di frutta. Per questi

residuali è possibile definire di una stessa biomassa, una disponibilità potenziale che

rappresenta tutto il residuo, ed una disponibilità effettiva che invece rappresenta solo

la parte destinata ad impieghi energetici.

La biomassa derivante dai RSU è la frazione biodegradabile dei

Da rifiuti solidi urbani

rifiuti solidi urbani, suddivisibile in parte umida e parte secca. La frazione umida

dei rifiuti presenti nelle discariche in aree urbane e industriali e i depositi di liquami

(zootecnici, civili e industriali) forniscono attraverso processi biochimici un gas, chiamato

3

avente un potere calorifico medio dell’ordine di 23 000 kJ Nm , costituito per il

biogas

50 70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO .

÷ 2

Per quanto riguarda invece le colture energetiche possiamo dire che dovendo queste essere

dedicate esclusivamente alla produzione di biomassa ad uso energetico, vengono accuratamente

scelte in modo tale che diano elevate rese, un elevato numero di raccolti (e ricrescita autonoma

dopo il taglio) e minimi costi di stoccaggio e trasporto. Si ottiene cosı̀ una biomassa avente

caratteristiche energetiche ottimali e qualità specifiche di raccolta e immagazzinamento ideali.

Le colture energetiche si possono suddividere in:

Le biomasse da colture erbacee possono a loro volta suddividersi in colture annuali

Erbacee

che restano nello stesso campo di coltivazione per una sola stagione come il girasole, o

poliennali che invece possono durare fino a 15 anni con una raccolta ogni due tre anni

come ad esempio la canna da zucchero. Le colture poliennali rispetto a quelle annuali,

sono meno esigenti in termini di lavorazioni del terreno e di interventi di coltivazione.

Le coltivazioni energetiche legnose sono costituite da specie legnose selezionate per

Legnose

l’elevata resa in biomassa e per la capacità di ricrescita dopo il taglio, ne è un esempio

il pioppo. Esistono poi colture legnose a corta rotazione (dette anche Short Rotation

Forestry) che necessitano di una preventiva selezione delle specie più adatte per essere

utilizzate a turni brevi (circa cinque anni) per produrre solo energia.

Nella figura seguente sono riassunti i contributi energetici di tutti i tipi di biomassa in Italia:

Tale potenziale energetico può essere calcolato per una specifica biomassa moltiplicando la

Figura 1.6: Contributo energetico in Italia

disponibilità annua della biomassa presa in considerazione per il valore energetico dell’unità

13

220

di massa: U r U

0

% %

V = H 1 [ktep t]

− −

i 100 η 100

dove V è il valore energetico e η è il rendimento del processo di essiccazione.

14

221

Capitolo 2

Processi di conversione

Essendo la biomassa sostanzialmente una risorsa di energia chimica si possono individuare

due fasi principali di conversione in energia utilizzabile dall’utilizzatore: il primo riguarda

la trasformazione o la conversione dell’energia chimica della biomassa in energia termica

all’interno di un luogo in cui possono avvenire processi di pirolisi, gassificazione,

reattore,

digestione anaerobica ed aerobica o combustione, mentre il secondo riguarda i processi di

conversione finale in cui si adoperano scambiatori di calore, turbine o motori a combustione

interna accoppiati a generatori elettrici o celle a combustibile. I processi di cui ci occuperemo

in questo capitolo riguardano i processi primari di trasformazione che possono essere suddivisi

in tre distinte categorie:

Riguardano principalmente i processi di conversione dell’energia chimica

Termochimici

della biomassa sfruttando un’azione termica (figura 2.1). Si possono avere trasformazioni

o in altra forma di energia chimica più pregiata (un combustibile) o in energia termica.

Tra tali processi rientrano quelli di essiccazione, pirolisi, gassificazione e combustione.

Figura 2.1: Processi di conversione primaria termochimica

Riguardano prevalentemente i processi di conversione dell’energia chimica della

Biochimici

biomassa per mezzo di attività microbica/enzimatica (figura 2.2). Anche in questo

caso si possono avere trasformazioni o in altra forma di energia chimica più pregiata

(un combustibile) o in energia termica. Tra tali processi rientrano quelli di digestione

Figura 2.2: Processi di conversione primaria biochimica

anaerobica/aerobica e di fermentazione.

15

222

Riguardano i processi di conversione dell’energia chimica della biomassa mediante

Meccanici

azione meccanica per produrre energia chimica più pregiata (un combustibile). Rientrano

in tale categoria i processi di estrazione oli.

La scelta del processo primario e della tecnologia connessa è determinata prevalentemen-

te in base alle proprietà della biomassa quali soprattutto il rapporto di concentrazione

carbonio-azoto C N ed il tenore di umidità U . In ogni caso però tutti i processi, sia

%

termochimici che biochimici, che trasformano l’energia chimica della biomassa in energia

chimica di un combustibile a più alto potere calorifico (solidi, liquidi o gassosi) devono essere

ovvero devono subire appositi processi tecnologici volti a modificare/distillare la

condizionati,

loro composizione (filtri a maniche o elettrostatici, reforming, esterificazione, precipitatori).

In particolare quando la biomassa presenta un rapporto C N > 30 e ed un contenuto di

umidità U < 30 allora ciò vuol dire che la biomassa è ricca in composti carboniosi come

%

cellulosa e lignina e sono quindi preferibili processi termochimici. Al contrario un basso

rapporto C N presuppone tessuti vegetali vitali, verdi e ricchi d’acqua e sostanze minerali che

costituiscono un ottimo substrato per l’attacco biochimico. In altre parole possiamo dire che

una biomassa con C N < 30 essendo ricca di composti azotati, emicellulosa ed umidità è più

facilmente convertibile tramite processi biochimici, mentre quella con C N > 30 presentando

alti contenuti di lignite è invece più adatta a processi termochimici.

2.1 Processi termochimici

I processi di conversione termochimica dei combustibili sono basati su una successione di

reazioni chimico-fisiche di ossidoriduzione ad alta temperatura (100 1400 C). Lo scopo è,

◦

÷

come già accennato, quello di trasformare il combustibile di partenza in altri combustibili

più pregiati e più facilmente impiegabili anche con tecnologie di conversione finali, oppure di

convertire l’energia chimica del combustibile direttamente in calore: nel primo caso bisognerà

globalmente fornire calore (processi di pirolisi e gassificazione), mentre nel secondo caso si

avrà globalmente una produzione di calore (processi di combustione). I processi termochimici

possono applicarsi a molteplici biomasse (C N > 30 e U < 30), le più comuni legna e suoi

%

derivati, residui agroindustriali, e rifiuti solidi urbani ed industriali a carattere organico.

In ogni caso qualsiasi processo termochimico parte con l’essiccazione della biomassa in un

apposito reattore, dove poi la stessa biomassa secca subisce un aumento di temperatura