Riassunto innovazione e tecnologie sostenibili

1° lezione online (biomasse)

Con il termine biomasse si intende “la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, compresa la pesca e la parte biodegradabile dei rifiuti urbani ed industriali”. Esse possono essere utilizzate per la produzione di energia elettrica, energia termica oppure per la produzione combinata di entrambe negli impianti di cogenerazione. Esse non sono illimitate quantitativamente ma grazie ad alcuni vincoli naturali, climatici e territoriali la loro rinnovabilità è salvaguardata.

Tipologie di biomasse

• Biomasse primarie, ovvero quelle frazioni organiche biodegradabili come ad esempio colture arboree e altre sostanze legate alla fotosintesi clorofilliana;
• Biomasse secondarie, ovvero tutti quei sottoprodotti che derivano dalla filiera agroalimentare (es. legno);

Sistemi di conversione delle biomasse

L’utilizzazione delle biomasse ai fini della produzione energetica avviene tramite due sistemi di conversione:

Termochimica

Si avvale della combustione diretta, gassificazione e pirolisi per la produzione di calore che viene poi trasformato in energia elettrica. Se con la combustione diretta si avrà subito il calore, con gli altri due processi si avrà prima un combustibile liquido definito syngas. Si tratta essenzialmente di legno e derivati, residui di lavorazioni della vite, ecc.

Biochimica

Da cui ricaviamo un combustibile liquido che nella fermentazione alcolica prende il nome di bioetanolo, nell’esterificazione di oli vegetali chiamiamo biodiesel e nella digestione prenderà il nome di biogas.

Fattori da considerare nei processi di conversione

• Il contenuto di acqua, dove con un basso contenuto si adattano processo termochimici mentre con un alto contenuto si adattano processi biochimici.
• Il rapporto carbonio/azoto, dove il materiale a cui risulterà un rapporto maggiore del 30% sarà adatto alla combustione, se invece inferiore, quel materiale sarà più adatto ad un trattamento biologico.

Conversione termochimica

Combustione diretta

Tale processo si effettua generalmente in caldaie con un alto rendimento (circa 85%) se vengono utilizzati combustibili tradizionali come ad esempio legna derivante da bosco ceduo oppure da piante a crescita rapida e rotazione corta come ad esempio l’eucalipto o il salice. Tra le tecnologie di combustione abbiamo le caldaie:

• A griglia fissa, ovvero caldaie di piccola e media dimensione utilizzate a fini domestici, semplici e con tecnologia non complicata ma allo stesso tempo con emissioni inquinanti, incrostazione della griglia e una combustione non sempre regolare;
• A griglia mobile, con un grado di tecnologia più avanzato rispetto alle precedenti, una potenza maggiore, minori emissioni inquinanti ed utilizzate a livello residenziale o industriale; ma allo stesso sono più costose, hanno dimensioni maggiori e una manutenzione più complicata;
• A letto fluido, una tecnologia più innovativa che permette di raggiungere rendimenti di combustione più elevati (maggiori del 90%) e minori emissioni inquinanti prevalentemente usata in impianti di cogenerazione.

Cosa è il teleriscaldamento?

Esso è un impianto cogenerativo che consente di usufruire di riscaldamento, di energia elettrica con un’unica grande caldaia centralizzata alimentata da biomasse vergini e collegata agli utenti finali tramite una rete urbana di tubature. Se le utenze domestiche sono servite dalla sola distribuzione di calore e acqua calda sanitaria, si parla di impianti semplici “termici”. Se invece alle utenze civili arriva anche l’energia oltre il calore, si parla di impianti di cogenerazione con motori a combustione interna. Attualmente sono in fase di introduzione nuove tecnologie che comprendono anche l’utilizzo di celle a combustibile e microturbine.

In Italia la diffusione del teleriscaldamento iniziò negli anni 70 soprattutto nel nord d’Italia e in Toscana, anche se attualmente è diffusa in limitate zone. Un esempio è applicato nel comune di Tirano nella Valtellina dove più di 1500 famiglie risparmiano ogni anno circa 4,4 milioni di litri di gasolio. In Europa tali sistemi nel 2009 coprivano circa il 10% del mercato del riscaldamento termico e sono molto diffusi nei Paesi Settentrionali e Orientali (Slovenia, Repubblica Ceca, Polonia, ecc). Fuori l’Europa tali sistemi sono molto diffusi in Giappone, in Cina e in America del Nord. Comunque sia la sua espansione riguarderà soprattutto le grandi città perché tale sistema contribuisce allo smaltimento dei rifiuti solidi urbani contribuendo alla protezione dell’ambiente.

Gassificazione

Essa è una ossidazione parziale in assenza di ossigeno a temperature molte elevate (quasi 1000 gradi) in cui si ottiene due differenti tipi di gas:

• Gas gasogeno, usato per bruciare in caldaia;
• Gas di sintesi, utilizzato principalmente per la sintesi di idrogeno, benzina, metano e ammoniaca.

Pirolisi

Essa è una parziale gassificazione in cui si utilizzano temperature comprese tra i 400 e gli 800 gradi in assenza di ossigeno oppure in quantità molto ridotte.

Tecniche di pretrattamento delle biomasse

Il loro scopo è quello di definire oltre che un maggiore rendimento energetico, anche una maggiore qualità delle biomasse. Infatti tra i vantaggi che portano tali tecniche abbiamo un miglioramento delle caratteristiche fisiche delle biomasse (omogeneità e densità), una riduzione dei volumi di stoccaggio e dei costi di trasporto ma di contro tramite esse ci sarà bisogno di un pretrattamento dei materiali (essicazione, triturazione) e un aumento dei costi di recupero. Esse sono:

• Bricchettatura, ovvero un procedimento di agglomerazione per pressione e trasformazione del materiale in bricchette utilizzate poi nelle caldaie;
• Cippatura, procedimento di sminuzzazione del legno cippato dalle macchine ceppartici, utilizzato poi per alimentare caldaie a caricamento automatico;
• Pellettatura, procedimento di pressatura degli scarti dell’industria del legno che verranno poi utilizzate in caldaie piccole ad uso domestico. Il pellet ha una forma cilindrica o sferica ed è considerato il combustibile con il più alto potere calorifico. Esso dovrà essere legname vergine, ovvero non trattato con colle o vernici.

Conversione biochimica

In tale processo la biomassa viene modificata chimicamente grazie all’azione di enzimi e funghi solamente se il rapporto carbonio/azoto sia inferiore a 30 e l’umidità sia superiore al 30%. Quindi tale conversione viene applicata nelle colture acquatiche, nei reflui zootecnici e in alcuni scarti di lavorazione.

Fermentazione alcolica

Tramite tale processo vengono trasformati i carboidrati contenuti nelle produzioni vegetali in alcool etilico che prende il nome di bioetanolo. Essa si applica sia per materiali zuccherini (ricchi di zucchero) come ad esempio canna da zucchero e alcuni frutti e sia per materiali amidacei (ricchi di amido) come ad esempio il grano, il mais e la patata. Può essere anche attuata anche da materiali legno-cellulosi (ricchi di cellulosa, come ad esempio la paglia) ma in questo caso la biomassa deve essere idrolizzata, ovvero scissa tramite acqua.

Il bioetanolo è un carburante utilizzato per le benzine o componenti simili oppure per le caldaie ad etanolo per il riscaldamento domestico. Anche se più costoso della benzina, si può ricavare da esso maggior profitto per il suo uso rinnovabile e per gli incentivi da parte del governo. Inoltre, il bioetanolo può anche essere aggiunto nelle benzine fino al 30% senza dover modificare in nessun modo il motore. Attualmente è la Svezia il paese europeo che sta sviluppando maggiormente tale prodotto mentre in paesi come gli Stati Uniti è maggiormente diffuso l’E85, ovvero un combustibile formato dall’85% da etanolo e dal 15% da benzina.

Esterificazione degli oli vegetali

Processo caratterizzato dalla reazione di un olio vegetale ricavato dalla spremitura dei semi di alcune piante (ad esempio girasole, palma) con una quantità di alcool metilico, il metanolo, in presenza di un catalizzatore alcalino. Tramite tali passaggi si arriverà ad avere il biodiesel e il glicerolo, un composto organico utilizzato nella cosmetica e farmaceutica. I catalizzatori (specie chimica che interviene durante lo svolgimento di una reazione chimica che modifica il complesso attivato della reazione) utilizzati sono due: l’idrossido di sodio e l’idrossido di potassio. Durante la miscelazione, le molecole dell’olio collassano e il biodiesel affiora sulla tanica, mentre il catalizzatore e la glicerina precipitano.

Il biodiesel è una fonte di energia naturale e sostenibile per l’ambiente utilizzato come carburante nei motori diesel e come combustibile nel riscaldamento. Viene utilizzato in modo puro al 100% nei mezzi di trasporto con motore diesel con lievi modifiche al motore in officina oppure in miscela con il gasolio fino al 30-40% senza nessuna modifica in tutti i mezzi di trasporto. Le sue caratteristiche più importanti sono la biodegradabilità (ovvero si dissolve in pochi giorni se disperso) e un buon rendimento energetico. Inoltre, è molto positivo per l’ambiente rispetto al gasolio perché non contribuisce all’effetto serra, non contiene zolfo, riduce le emissioni di monossido di carbonio di circa il 35% e diminuisce la fumosità dei gas di scarico.

Idrogeno

Esso è l’elemento più abbondante e leggero dell’Universo anche se difficile da trovare allo stato elementare, a causa della sua estrema volatilità. Per questo motivo esso si estrae dall’acqua, dai combustibili fossili, dai minerali e dagli organismi vegetali. Esso è molto importante perché non emette inquinamento, tramite l’emissione di alcuni gas puliti come il vapore acqueo nei sistemi elettrochimici (ad esempio celle a combustibile). Per questo motivo le macchine ad idrogeno possono essere definite a zero emissioni inquinanti. La sua estrazione diretta avviene tramite un unico processo industriale consolidato, l’Elettrolisi.

L’elettrolisi è un processo con cui si trasforma energia elettrica in energia chimica ed il più famoso è quello dell’acqua, in cui sul polo positivo si formerà l’ossigeno mentre sul polo negativo si formeranno bollicine di idrogeno. Il problema di tale processo è però l’elevato costo (dato l’elevata necessità di energia richiesta) e per questo motivo la speranza dell’utilizzo dell’idrogeno nel futuro sarà basata sugli sviluppi delle tecnologie rinnovabili. Altri aspetti da considerare è la difficoltà di trasporto e di stoccaggio soprattutto perché l’idrogeno è esplosivo, infiammabile ed estremamente volatile.

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Digestione

È un processo di conversione biochimica per l’utilizzo delle Biomasse. Esso può avvenire in modo aerobico o anaerobico. Tramite il modo aerobico si avrà un processo di metabolizzazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi in presenza di aria dando origine ad un “compost” utilizzato in agricoltura come fertilizzante. Il processo anaerobico invece è la conversione più importante che parte sempre dalla parte biologica di aria, ma in assenza di aria sviluppando così alcuni batteri patogeni che trasformano la sostanza organica in biogas. Il biogas è un combustibile biologico formato da 50-80% da metano e restante parte da anidride carbonica (che ha comunque un buon potere calorifico) usato come combustibile per caldaie gas o per motori a combustione interna.

Vantaggi del processo anaerobico

• Produzione di energia rinnovabile;
• Sviluppo dell’economia delle aziende agricole;
• Minor emissione di gas serra;
• Smaltimento di rifiuti agricoli;

Matrici importanti per la formazione del biogas

1. Digestione dei rifiuti zootecnici (rifiuto di allevamento) in appositi reattori chiamati digestori. Tale impianto è costituito da due serbatoi di biomassa: nel primo è presente il letame, nel secondo residui agricoli. Entrambi, tramite un sistema di pompaggio, trasformano la materia organica in biogas. In tali digestori le condizioni ideali, oltre l’assenza di ossigeno, per l’azione dei batteri sono:
   • Elevato tasso d’umidità (circa il 50%);
   • Temperatura di 30/40 gradi;
   • Rapporto carbonio/azoto (C/N) inferiore al 30%.
2. Digestione dei rifiuti urbani nelle discariche, le quali sono grandi produttori dato che il 30-40% del rifiuto è materiale organico.

Cosa è il biogas?

Il biogas è un gas biologico costituito principalmente da metano che varia dal 50% al 80% e da anidride carbonica. Gli impianti a biogas da discarica sono formati da un insieme di pozzi che aspirano il gas situato in profondità verso la superficie, filtrano il gas e lo inviano a dei motori collegati ad un alternatore che trasforma l’energia meccanica in energia elettrica. In genere sono impianti piccoli, con costi di investimento bassi e tempi di realizzazione di qualche mese. Tra i vantaggi di tali impianti sono sicuramente la loro sostenibilità e il fatto di risolvere il problema dello smaltimento dei rifiuti soprattutto nei paesi industrializzati. Esso può essere utilizzato in diversi modi:

• Combustione diretta in caldaia per la produzione di energia termica con il calore trasformato in energia elettrica;
• Combustione in un cogeneratore per la produzione combinata di energia termica ed elettrica;
• Produzione di biometano per l’utilizzo nei sistemi del gas.

Cosa è il biometano?

Gas combustibile derivato dal biogas tramite un processo chiamato “upgrading” (cioè la riduzione dell’anidride carbonica) associato ad un trattamento di purificazione. Il gas così ottenuto è un gas puro con circa il 95% di metano utilizzato nelle utenze domestiche, nella cogenerazione o nelle stazioni di rifornimento adibite al rifornimento di metano. L’Italia possiede il più grande parco macchine a metano di Europa. Tra i dati più importanti nell’evoluzione delle biomasse in Italia è il periodo tra il 2009 e il 2011 dove c’è stato un incremento di potenza degli impianti. L’Emilia-Romagna è la regione con più diffusione delle biomasse (circa il 20%) seguita dalla Lombardia, anche se attualmente il contributo delle biomasse al fabbisogno energetico nazionale rappresenta solo il 2%.

Geotermia

Il termine geotermia sta ad indicare il calore della terra ed è una fonte di energia naturale. Inoltre, è una fonte molto antica dato che accompagna la storia dell’uomo fin dalle sue origini e per questo motivo l’origine di questa forma, definita endogena, dipende da due principali fonti:

• Il calore primordiale del pianeta, ovvero una fonte naturale che si troverà con una temperatura media più alta in quelle zone colpite da fenomeni vulcanici e tettonici;
• Il calore radiogenetico generato dal decadimento di alcuni isotopi radioattivi presenti nella crosta terrestre, come ad esempio l’uranio 238.

Un sistema geotermico si può dividere in base alla modalità di trasmissione del calore. Avremo quindi:

Sistemi convettivi

In essi la trasmissione di calore verso gli strati superficiali avviene tramite la presenza di tre elementi: una fonte di calore (il magma terrestre), un serbatoio costituito da formazioni geologiche permeabili e infine l’acqua che funge da vettore che attraverso un sistema convettivo trasporterà il calore verso gli strati superficiali della crosta terrestre. Tale sistema geotermico può assumere diverse tipologie:

• Sistema a vapore dominante, in cui il fluido presenta una temperatura elevata intorno ai 200-400 gradi ed è costituito per il 98% da vapore surriscaldato;
• Sistema a vapore umido, in cui l’acqua rappresenta il componente principale del fluido con percentuali intorno al 70-80% e temperature intorno ai 100%;
• Sistema ad acqua calda, in cui il fluido allo stato liquido arriva a temperature elevate tra i 30 e i 100 gradi ma non raggiunge l’ebollizione per la mancanza di pressione esercitata dalle rocce impermeabili; Tale tipologia di sistema geotermico viene utilizzata per uso diretto prevalentemente per il riscaldamento residenziale, nelle serre e nel settore industriale.

Sistemi conduttivi

In cui è assente l’acquifero e per questo motivo è richiesta la creazione di un serbatoio artificiale e l’immissione di acqua tramite appositi pozzi. Per realizzare il pozzo artificiale si fratturano le rocce e viene iniettata l’acqua ad una pressione di elevati bar per permettere la sua circolazione forzata, anche se tale processo potrebbe causare eventi sismici e per questo motivo, tale processo è sconsigliato in zone sismiche.

L’energia geotermica viene definita come l’energia immagazzinata sotto forma di calore sotto la crosta terrestre, rinnovabile, inesauribile e sfruttabile per la produzione di energia elettrica. Esempi delle manifestazioni di tale energia sono i fenomeni vulcanici, le sorgenti termali, le fumarole ed altri eventi simili. Essa viene sfruttata in due modi:

• Per uso diretto di calore, tramite una tecnologia semplice che sfrutta il naturale calore della terra tramite la creazione di pozzi fino a 4500 metri sotto la superficie terrestre e sfrutta prevalentemente il calore a bassa e media entalpia. Attualmente però, la tecnologia si è evoluta con l’adozione di sistemi integrativi (caldaie e pompe di calore) che non necessitano delle temperature richieste. Tale calore generato potrà essere sfruttato in agricoltura, nelle serre (la serra di Pantani presso Civitavecchia è una tra le più grandi al mondo che permette di coltivare prodotti fuori stagione o in climi diversi da quelli originari), nell’acquacoltura (ossia gli impianti per l’allevamento controllato di animali).