Appunti Tecnologie e Processi per la conversione Energetica delle Biomasse

EXPLOSION

L’intensità del processo di steam-explosion può essere regolata. La

cellulosa è il polimero più resistente. Se la severità è elevata in modo

da rompere la cellulosa, l’hemicellulosa si rompe in composti inibitori

dei lieviti. In altre parole polimeri diversi richiedono pretrattamenti

diversi. Una csoluzione alla questione è quella di fare steamexplosion

in due passaggi: Zuccheri

Steam Explosion

a bassa intensità Steam Explosion

Cellulosa Zuccheri

ad alta intensità

Il green diesel può essere ottenuto anche tramite upgrading del

biodiesel. Il gruppo carbossilico contenuto all’interno del biodiesel

può essere rimosso saturando la molecola con idrogeno in presenza

di un catalizzatore idrogenato. Il processo di hydrotrating quindi

combina FAME con H2 per ottenere Green Diesel e acqua.

6 Microalghe

Le alghe sono un raggruppamento di organismi fotosintetici, Sono

tipicametne autotrofe (producono la materia organica necessaria al

loro sostentamento in maniera autonoma grazie alla fotosintesi) e di

varie dimensioni; dall’unicellulare al multicellulare. Le Microalcge

sono la varietà monocellulare. Vi sono varietà di microalghe che

vivono in “comunità”. Sono in altre parole organismi unicellulari che

vivono agganciati tra loro a formare una spirale oppure una

superficie sferica.

Le microalghe sono note fin dall’antichità come una naturale fonte di

proteine in quanto sono ricche di spirulina.

Sono in grado di vivere in acqua dolce e salata e in habitat

particolarmente inospitali.

Crescono rapidamente e hanno un rendimento di conversione

energetica particolarmente eleato. Non necessitano di acqua dolce e

possono utilizzare CO2 di scarto, mitigando potenzialente l’impatto di

grandi impianti. 48

Le microalghe possono essere sia autotrofe che eterotrofe. Nel caso

di eterotrofia le microalghe non sono in grado di sintetizzare

autonomamente i composti organici necessari al proprio

sostentamento. Necessitano comunque di luce solare, la loro coltura

è pertanto simile a quella delle microalghe autotrofe ma necessitano

dell’aggiunta di zuccheri. Possono essere utili in processi di

purificazione di acque di scarto industriali.

Le microalghe sono composte principalmente da olio vegetale,

proteine e carboidrati. Le percentuali di queste tre componenti

variano moltissimo a seconda della specifica specie come di può

vedere in figura. Tuttavia a livello indicativo la microalgha può

contenere fino al 55% di protine, fino al 65-70% di lipidi e fino al 50%

di carboidrati.

Il processo che permette alle microalghe di vivere è la fotosintesi:

6CO2 + 6H2O + light energy → C6H12O6 (sugars) + 6O2

La crescita di una coltura di microalghe può esser descritta da 4 fasi:

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1. Lag Phase: In questa fase le cellule iniziano a prepararsi alla

scissione. La durata di questa fase è influenzata dalla qualità

del primo embrione della coltura.

2. Crescita esponenziale: le microalghe si moltiplicano a ritmi

sempre più veloci

3. Declinig Growth: La crescita rallenta. Questo è dovuto

principalmente al fatto che le microalghe iniziano ad

ombreggiarsi a vicenda

4. Stationary phase: La concentrazione di microalghe si

mantiene stazionaria. Non aumenta in quanto i nutrienti

all’interno della vasca iniziano a scarseggiare. Vi sono

comunque dei cambiamenti; ad esempio alcuni tipi di alghe

iniziano a produrre betacarotene o lipidi.

5. Death phase: Il metabolimo vegetativo non può essere

mantenuto a causa della mancanza di nutrienti e la coltura

inizia a morire molto rapidamente.

Alcune varietà di microalghe sono oleaginose, ovvero producono olio

vegetale. La produzione di olio avviene in una fase successiva

all’accrescimenoto della coltura ad esempio durante le fasi 3 e 4. Il

rendimento di conversione dell’energia solare è piuttosto elevato e

può arrivare fino al 3-4%. Sono in grado di produrre fino a 50000

litri/ettaro all’anno di olio contro i 5000 dell’olio di palma (resa

dell’olio di palma è fi per se già molto elevta, si pensi ai circa 1000

litri/ettaro del girasole).

L’esposizione alla luce solare può inibire la crescita delle microalghe

se diviene troppo intensa. Inoltre la crescita delle microalghe può

essere inibita anche per mancanza di CO2 e altri nutrienti (Fosforo,

Azoto, Zolfo). Tutti questi fattori possono essere superati garantendo

un corretto rimescolamento della coltura. Questo limita infatti

l’esposizione al sole delle microalghe in quanto queste tenderanno a

farsi ombra a vicenda. Inoltre permette un adeguato apporto di CO2

e nutrienti a tutta la coltura. Si parla in generale di due funomeni;

Fotolimitazione se la coltura non cresce a causa della scarsa

esposizione alla luce solare, fotolimitazione se la coltura non cresce a

causa della troppa esposizione alla luce solare.

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Poiché le concentrazioni di microalghe in colture artificiali sono

tipicamente maggiori di quanto è possibile rilevare in natura, l’acqua

deve essere arricchita di nutrienti. I principali sono a base di nitrati e

fosfati.

6.1 Applicazioni

Le alghe hanno svariati settori di applicazione. Questi vanno dal

settore alimentare a quello dei mangimi, fino ai settori della

cosmetica, della chimica e dell’industria energetica.

Un’applicazione delle microalghe nel settore alimentare è negli

integratori alimentari. In alcuni paesi inoltre queste sono usate come

cibo.

6.2 Teconologie e Processi

Le microalghe possono essere allevate all’aperto o in sistemi chiusi.

Nel primo caso si parla Race Way Ponds, nel secondo di Photo Bio

Reactors.

6.2.1 RaceWayPonds

Sono sistemi da utilizare all’aperto. Prendono il nome da la loro

cratteristica forma come è possibile vedere in figura.

Open pond sono semplici da gestire, hanno richieste energetiche

contenute e costi di investimento bassi. Presentano anche degli

svantaggi, come la difficoltà nel controllare la coltura e produttività

generalemente inferiori rispetto ai PBR.

La coltura necessita di CO2 per svilupparsi. La CO2 contenuta nell’aria

non è sufficiente a sostenere le elevate concentrazioni di microalghe

che si vuole produrre. SI deve ricorrere allora a sistemi di aggiunta di

CO2 all’interno della coltura stessa. Grandi impianti utilizzano fumi di

scarico di centrali termoelettriche, piccoli impinati utilizzano

tipicamente i gas di scarico di un MCI oppure CO2 stockata in

serbatoi. La CO2 è aggiunta tramire dei diffusori posti sul fondo della

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RWP. Il processo di aggiunta di CO2 è rilevante anche dal punto di

vista del miscelamento, che viene fortemente incrementato.

L’efficienza di carbonazione indica la quantitò di CO2 che le alghe

riescono ad assorbire rispetto a quella immessa nell’ RWP. Valori

tipici si aggirano attorno al 20%.

Si dovrà ovviamente provvedere al reintegro dell’acqua persa quando

si asporta la biomassa e quella persa per evaporazione. Il consumo di

acqua può essere anche molto elevato ed arrivare a 100m3/ha al

giorno. Pertanto è importante che l’impianto sia collocato vicino ad

una fonte di acqua salata.

In un allevamento all’aperto anche il clima gioca un ruolo importante.

È infatti necessario un clima temperato e una irradiazione annua

abbastanza elevata.

Ricapitolando, affinche si possa pensare di utilizzare le microalghe su

larga scala nelle filiere energetiche, nel sito di produzione di devono

verificare le condizioni giuste di clima, avere adeguata disponibilità di

nutrienti, di CO2 e di acqua salata e devono essere disponibili vasti

appezzamenti di terreno pianeggiante e possibilemte argilloso.

Inoltre, la contaminazione delle colture con altre specie eterotrofe a

volte predatori delle microalghe stesse è un problema. Questo ha

portato a favorire le colture che sopravvivono in condizioni estreme

come quelle desertiche che non soffrono quindi di problemi di

competizione con altre specie. Risulta quindi evidente che benchè la

tecnologia sia promettente, l’ottenimento di buoni risultati a prezzi

competitivi non è semplice.

Benchè RWP siano una tecnologia piuttosto semplice le variabili di

cui tener conto sono tante. Le opere murarie ad esempio possono

esser fatte in fari modi; comunqemente le pareti del bacino sono in

mattoni. In alcuni casi tuttavia questi possono anche essere in

cemento. La soluzione meno costosa è quella di scavare il bacino in

un terreno argilloso che garantisce senza necessità di opere in

muratura o liner impermeabilizzanti una impermeabilizzazione.

Il fondo del bacino può essere di vari materiali; asfalto (molto

costoso), fibra di vetro (costi proibitivi) o molto comunemente in

PVC. Il problema delle coperture in PVC è legato alla dilatazione

termica. LA copertura attraversa durante il ciclo giorno-notte una

fase di dilatazione e una successiva fase di restrizione. L’attrito con il

terreno a lungo andare consuma e rompe la copertura. Questo è

causa di fermate dell’impianto per manutenzione e quasi

sicuramente della perdita della coltura. Un modo per mitigare questo

problema è interporre tra il terreno e il PVC un geotextile liner che

attenua i fenomeni di usura. 52

Il sistema di movimentazione e mescolamento della biomassa è

tradizionlemnte costituito da un paddle wheel. IL sistema di

movimentazione delle microalghe deve garantire un adeguato

mescolamento ed evitare la sedimentazione. La paddle wheel è un

sistema piuttosto inefficiente.

La spinta sul fluido risulta buona soltanto quando la pala è

ortogonale al fondo del bacino. Per mantenere tale ortogonalità sono

necessari grandi raggi che inplicano grossi pesi e queindi molto

materiale e costo elevato. Inoltre all’aumentare del gap tra il fondo e

la pala e tra la pala e il bordo laterale del bacino aumentano le

perdite e le inefficienze del sistema. Tali giochi devono essere

mantenuti in una certa misura per non compromettere l’affidabilità

del sistema in condizioni, ad esempio, di elevata dilatazione termica.

Per ridurre i costi del sistema spesso viene prevista una strizione del

canale in corrispondenza della paddle wheel, che può quindi essere

più stretta e meno costosa. Spesso vengono realizzate paddle wheel

costituiteda più seioni sfalsate tra loro. Questo causa dei moti di

taglio del fluido e un migliore rimescolamento, a scapito di una

perdita ulteriore in efficienza di spinta. Le velocità devono essere di

almeno 20cm/s, in genere sufficienti per evitare sedimentazione.

Metodi