Appunti sulle biomasse

BIOMASSE AGRICOLE

Esistono sostanzialmente due differen categorie di residui agricoli:

1) Erbacei: Il prodo o più comune è la paglia derivante dai cereali (buon combus bile grazie sopra u o alla

bassissima umidità, al LHV paragonabile con quello del legno e alla possibilità di comprimerla in rotoballe o presse

di forma regolare, facilmente alimentabili in caldaia).

2) Arborei: porzioni legnose che con le periodiche operazioni di potatura vengono asportate dagli impian

arboricoli. Se non u lizza , ques scar vengono spesso brucia in campo, con conseguente spreco energe co e

impa o ambientale.

I possibili u lizzi energe ci della biomassa a raverso processi di conversione termochimica, con un potere

calorifico inferiore compreso tra 15000 e 20000 kJ/kg. Le modalità di u lizzo si suddividono in qua ro categorie

principali.

1) Termico dire o → Combus one

Processo: combus one dire a della biomassa per generare calore. Applicazioni: riscaldamento di ambien

circoscri (stufe, camine ). L’energia prodo a è il calore

2) Termico indire o → Combus one e ve oriamento del calore

Processo: combus one della biomassa per riscaldare un fluido (aria calda, acqua calda, olio diatermico).

Applicazioni: riscaldamento di ambien più estesi (abitazioni, impian industriali). L’energia prodo a è il calore

3) Termoele rico dire o → Combus one con generazione di vapore

Processo: combus one della biomassa per produrre vapore, che alimenta motori a combus one esterna (turbine

a vapore, ORC). Applicazioni: produzione di energia ele rica e termica. Vengono prodo e energia ele rica ed

energia termica.

4) Termochimico indire o → Produzione di combus bili gassosi e/o liquidi

Processo: trasformazione della biomassa in combus bili mediante gassificazione, pirolisi, biocombus bili e biogas.

Applicazioni: u lizzo in motori a combus one interna (turbogas, Diesel, O o). Vengono prodo e energia ele rica

ed energia termica.

La Filiera della biomassa: INDIVIDUAZIONE, REPERIMENTO E COSTI DELLA RISORSA

La proge azione della filiera della biomassa richiede un’analisi approfondita delle risorse disponibili e della loro

fa bilità di approvvigionamento. L’uso dei sistemi GIS (Geographic informa on Systems) consente di individuare

le risorse, valutare i cos e o mizzare la localizzazione degli impian , collegando lo studio di fa bilità con la

valutazione della sostenibilità. Esistono due approcci principali per definire la filiera: par re dall’impianto,

determinando il fabbisogno di biomassa e proge ando di conseguenza l’approvvigionamento, oppure par re dalle

risorse disponibili per individuare la localizzazione o male dell’impianto.

In Toscana, la grande biodiversità offre biomassa da foreste, rifiu e scar urbani. L’analisi delle risorse si basa su

da regionali, tra cui il Censimento Regionale Toscano, ISTAT, ARPAT ed ECOMUD. La superficie forestale totale

ammonta a 1.086.016 e ari, di cui 847.000 e ari cos tuiscono veri e propri boschi, con specie prevalen come

cerro, castagno, roverella, faggio, leccio e pini mediterranei. Le foreste si suddividono in tre categorie di

des nazione d’uso: conservazione (139.168 ha, des na alla tutela ambientale), protezione (95.584 ha, con

funzione idrogeologica) e produzione (851.264 ha, des na a ges one e sfru amento). Solo quest’ul ma è

rilevante per la filiera della biomassa, ma dopo l’applicazione di vincoli ambientali e norma vi, la superficie

effe vamente u lizzabile si riduce a circa 600.000 e ari.

La norma va di riferimento è la Legge Forestale della Toscana (LR 39/2000), che disciplina la ges one delle foreste

e il loro sfru amento sostenibile. Per s mare la quan tà di biomassa disponibile, il territorio è suddiviso in celle di

16 e ari, raccogliendo informazioni su comune, quota, pendenza, esposizione, pologia di bosco e volume di

legname prelevabile. Il prelievo di biomassa avviene secondo tre strategie di taglio sostenibile: un ciclo a 16 anni,

che prevede il taglio di 1 e aro per cella all’anno; un ciclo a 24 anni, con 0,67 e ari per cella all’anno; e un ciclo a

32 anni, con 0,5 e ari per cella all’anno. Questo sistema perme e di garan re una fornitura costante di biomassa

senza comprome ere la rigenerazione del bosco.

A par re dai da sulla biomassa disponibile, si s ma la potenza termica primaria o enibile, u lizzando il potere

calorifico inferiore del legname. I risulta sono suddivisi per territorio comunale e per ciascuna strategia di taglio

ado ata. Uno degli aspe più cri ci della filiera è il costo del trasporto e dell’esbosco, che incide in modo

significa vo sul prezzo finale della biomassa. Il processo di trasporto avviene in tre fasi: all’interno del bosco, con

tra ori e rimorchi; su scala intercomunale, con autocarri; e su scala extracomunale, affidandosi a di e

specializzate. Per o mizzare la logis ca, sono previste due pologie di aree di stoccaggio: una situata all’interno

dei boschi, in zone facilmente accessibili, e l’altra nei pressi dei capoluoghi comunali, u le anche per raccogliere

biomassa da altre fon .

COMBUSTIONE

La biomassa viene bruciata con l'aggiunta di aria (di solito più di quella necessaria per la combus one completa,

in termini tecnici si dice in eccesso rispe o al valore stechiometrico) per trasformare il suo contenuto energe co

in calore. Aggiungiamo aria in più rispe o a quanto sarebbe necessario per bruciarla completamente. Questo serve

a garan re che tu a la biomassa venga consumata senza lasciare residui.

Temperatura dei gas combus : i gas che si formano nella combus one possono raggiungere temperature molto

alte, tra i 1000°C e i 1500°C, a seconda di quanto è efficiente il processo.

Come u lizziamo il calore:

Per produrre energia ele rica e/o cogenerazione: Il calore generato dalla combus one può essere usato per

 fare vapore, che a sua volta aziona una turbina per produrre ele ricità.

Per riscaldamento: per riscaldamento e/o processo industriale: può essere dire o (stufe, camini) o mediante

 fluido termove ore (impian di riscaldamento/processo)

Importanza dell'umidità della biomassa: se la biomassa ha molta umidità, all'inizio della combus one l'umidità

si deve evaporare, so raendo energia al processo. Quindi, più umido è il materiale, più difficile sarà bruciarlo

in modo efficiente. Nei bruciatori a legno, l'umidità non dovrebbe superare il 60% per garan re una

combus one completa e o mizzare la produzione di calore. Se l'umidità è troppo alta, non si o ene

abbastanza calore, e il processo diventa meno efficace.

l processo di combus one della biomassa avviene in diverse fasi, quelle principali sono:

1. Essiccaggio: l'umidità presente nella

biomassa evapora. Questo processo

avviene a temperature inferiori ai 100°C.

L’effe o dell'umidità è quello di assorbire

calore, quindi, all'inizio della

combus one, parte dell'energia prodo a

viene "spesa" per evaporare l'acqua. Se la

biomassa ha troppa umidità, questo può

ridurre l'efficienza del processo. (ad

esempio: nei bruciatori a legno, l'umidità non dovrebbe superare il 60% del peso della biomassa (su base umida,

wt% wb) per garan re che la combus one sia sostenibile.

2. Pirolisi: è la degradazione termica della biomassa in assenza di ossigeno o con quan tà minima di ossigeno. In

pra ca, quando la biomassa è riscaldata, ma non brucia, si decompone in vari prodo . I prodo principali della

pirolisi: Catrami (come benzene, toluene, na alene), che sono compos organici aroma ci, Carbone (charcoal),

che è una forma di carbonio solido, Gas come CO, CO2, H2O (vapore).

La pirolisi dipende da fa ori come il po di biomassa, la pressione, la velocità di riscaldamento e il tempo di

reazione. Ques influenzano la quan tà e le proprietà dei prodo o enu .

3. Gassificazione: è un processo che avviene a temperature elevate (tra 800°C e 1100°C) in presenza di un agente

ossidante (aria, ossigeno, vapore o CO2). L'obie vo principale della gassificazione è produrre gas combus bili,

che possono essere u lizza per generare energia o per altre applicazioni.I gas principali prodo sono:

CO (monossido di carbonio)

o CO2 (anidride carbonica)

o H2 (idrogeno)

o CH4 (metano)

o Altri idrocarburi

o

La gassificazione è u le per o enere un gas ricco di energia, che può essere u lizzato in motori a gas, turbine o

impian per la produzione di energia ele rica.

4. Combus one

La combus one vera e propria avviene quando il gas o il solido combus bile (come il carbonio) reagisce con

l'ossigeno (dell'aria) per produrre calore. La temperatura e l'efficienza della combus one dipendono da tu i

passaggi preceden , come l'umidità, la pirolisi e la gassificazione.

5. Liquefazione

La liquefazione è un altro processo che può essere applicato alla biomassa per o enere combus bili liquidi, ma è

meno comune rispe o alle altre fasi. In questa fase, la biomassa viene tra ata in condizioni di alta temperatura e

pressione per produrre bio-oli o altri combus bili liquidi.

Variabili opera ve e proge uali della combus one delle biomasse

Contenuto di umidità: influisce sulla combus one: più è alta, minore è l'efficienza della combus one.

o ER = rapporto di equivalenza nella combus one, dove il numeratore è il rapporto

aria/combus bile realmente fornito al sistema di combus one, il denominatore è

il rapporto aria/combus bile necessario per una combus one completa teorica (cioè quando tu o il

combus bile viene bruciato senza residui di ossigeno o combus bile incombusto).

ER = 1: Combus one stechiometrica: esa a quan tà di aria necessaria per bruciare completamente il

combus bile.

ER < 1: Combus one povera di aria (ricca di combus bile), ossia combus one parzialmente ossidante, può

generare prodo incombus come CO, fuliggine e idrocarburi incombus .

ER > 1: Combus one con eccesso di aria, u le per ridurre emissioni di inquinan ma può abbassare la

temperatura di combus one e ridurre l’efficienza.

Potere calorifico: si dis ngue tra GCV (Gross Calorific Value) e NCV (Net Calorific Value), con formule per il

o calcolo del potere calorifico in funzione della composizione della biomassa.

Temperatura, tempo di residenza e miscelazione: le emissioni dipendono da: una ca va miscelazione tra

o aria e combus bile porta a combus oni incomplete, la carenza di ossigeno impedisce una combus one

completa, generando emissioni indesiderate, temperatura troppo bassa non garan sce una combus one

efficiente, tempi di residenza troppo brevi non perme ono la combus one completa del combus bile.

Velocità di reazione della combus one: segue la formula cine ca della reazione chim