Energia dalle biomasse

Cosa si intende per biomassa? Si definisce biomassa qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale oanimale, che non ha subito alcun processo difossilizzazione, utilizzata per:

• la produzione di energia

• la produzione di ammendante agricoloSono biomasse:• Tutti i prodotti delle coltivazioni

agricole e della forestazione• I residui delle lavorazioni agricole e gli

scarti dell'industria agro-alimentare• Le alghe • I reflui zootecnici• La frazione organica dei rifiuti solidi

urbani

Energia nelle biomasse

Nelle biomasse vegetali, checostituiscono circa il 90%delle biomasse totali,l’energia solare si accumulasotto forma di energiachimica mediante lafotosintesi clorofilliana.

6 CO2+ 6 H2O + 686 kcal/mol → C6H12O6 + 6 O2

Quali sono le fonti energetiche rinnovabili ?

Sono da considerarsi energie rinnovabili quelle forme di energia generate da fonti che per loro caratteristica non sono "esauribili" nella scala dei tempi "umani" e, per estensione, il cui utilizzo non pregiudica le risorse naturali per le generazioni future

• Biomasse, biocombustibili e rifiuti: biomassa solida, prodotti animali, gas/liquidi da biomassa, rifiuti solidi urbani (frazione organica);

• Energia idraulica

• Fonti alternative o nuove: energia geotermica, energia solare(termico e fotovoltaico), energia eolica, energia delle maree, delle onde e degli oceani.

Secondo l’IEA (International Energy Agency), le fonti energetiche rinnovabili possono essere

raggruppate nelle seguenti categorie:

Energia del sole attraverso la biomassa

Energia dalle biomasseLa biomassa può essere usata per produrre energia (bio-

energia):

• per combustione diretta

• per conversione in altri tipi di combustibili, solidi, liquidi o gassosi, attraverso processi termo-chimici e biochimici.

Processi biochimici

I processi di conversione biochimica delle biomasse si distinguono in digestione aerobica e anaerobica in cui enzimi,funghi e altri microrganismi formatisi nel materiale contribuiscono a questo processo. I materiali compatibili alla conversione biochimica hanno un rapporto C/N inferiore a 30 e umidità superiore al 30%; essi sono:

•Colture acquatiche. •Sotto prodotti agricoli e industriali. •Reflui zootecnici. •Frazione organica dei rifiuti urbani.

Cosa si intende per digestione anaerobica?

La digestione anaerobica (DA) è un processo di decomposizione biologicadei liquami organici di origine animale.

Dalla digestione anaerobica dei liquami animali, spesso in codigestionecon colture energetiche e/o scarti organici agro-industriali, ma ancheFORSU (frazione organica dei rifiuti solidi urbani), si ottiene biogas,grazie all’azione di batteri già presenti nella massa organica.Il biogas è composto per il 50-80% da metano e per il resto da anidride

carbonica, ha un potere calorifico compreso tra 4500-6500 kcal/m3 epuò essere utilizzato per:

• combustione diretta in caldaia, con produzione di sola energiatermica;

• combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni per laproduzione di energia elettrica;

• combustione in cogeneratori per la produzione combinata dienergia elettrica e di energia termica;

• autotrazione come metano al 95% dopo purificazione.

1. batteri idrolitici: spezzano le macromolecole biodegradabili in sostanze più semplici

2. batteri acidogeni: utilizzano i prodotti di degradazione dei batteri idrolitici e producono acidi organici a catena corta

3. batteri acetogeni: utilizzano i prodotti dei batteri acidogeni dando luogo ad acetato, idrogeno ed anidride carbonica

4. batteri omoacetogeni: utilizzano anidride carbonica ed idrogeno per sintetizzare acetato

• batteri metanigeni acetoclastici: utilizzano acido acetico per produrre metano ed anidride carbonica

• batteri idrogenotrofi: utilizzano anidride carbonica e idrogeno per produrre metano

Fasi della digestione anaerobica

Applicazioni della digestione anaerobica

Gli impianti utilizzati per la digestione del materiale organico, “digestori”, sidividono in 2 tipologie.

Digestori continui: si avvalgono di un sistema di dispositivi meccanici e idraulici chebilanciano i flussi in entrata e in uscita, mantenendo costante il volume all’ internodel reattore.

Digestori discontinui, “batch”: reattori impiantisticamente più semplici, ma chehanno lo svantaggio di emettere odori e di possedere cicli di svuotamentoproblematici.

La scelta dell’ uno o dell’ altro dei processi possibili e delle diverse configurazioniimpiantistiche dipende essenzialmente delle caratteristiche del substrato datrattare.

Digestore batch

Digestore continuo

Cosa si intende per digestione aerobica?

La digestione aerobica consiste nella degradazione della frazioneorganica che ha come prodotto composti chiamati humus: una famiglia dicomposti che comprendono acidi umici e fulvici.Tuttavia questo processo non porta alla formazione di biogas ma soloalla genesi del compost utile come ammendamnte agricolo.

Processi termochimici:

• I processi di conversione termochimica sono basatisull'azione del calore che permette le reazionichimiche necessarie a trasformare la materia inenergia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residuicellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valorisuperiori a 30 ed il contenuto di umidità non superi il30%.

• Le biomasse più adatte a subire processi diconversione termochimica sono la legna e tutti i suoiderivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comunisottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (pagliadi cereali, residui di potatura della vite e deifruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla,pula, gusci, noccioli, ecc.).

Classificazione dei processi termochimici

Processi Termochimici

Eccesso di aria Difetto di ariaSenza aria

CombustioneGasificazione

Pirolisi e processiidrotermici

CALOREGAS COMBUSTIBILE LIQUIDI

GASIFICAZIONE

La gasificazione della biomassa significa combustione incompleta della biomassa con produzione di gas combustibile costituito essenzialmente da:

• Ossido di carbonio (CO) • Idrogeno (H2) • Tracce di metano (CH4)

Questo gas può essere usato per:

•macchine a combustione interna•in sostituzione di olio combustibile •Produrre metanolo

Tipi di Gasificatori

Ci sono tre tipi di gasificatori:

•Downdraft (a flusso discendente)

•Updraft (a flusso ascendente)

•Crossdraft (a flusso incrociato)

Tipi di Gasificatori

flusso discendenteflusso ascendente

flusso incrociato

Pirolisi

La pirolisi è un processo di decomposizione termochimicadi materiali organici, ottenuto mediante l’applicazionedi calore in completa assenza di un agente ossidante(normalmente ossigeno). In pratica mentreriscaldando il materiale in presenza di ossigenoavviene una combustione che genera calore e producecomposti gassosi ossidati, effettuando invece lostesso riscaldamento in condizioni però di assenzatotale di ossigeno il materiale subisce la scissione deilegami chimici originari con formazione di molecole piùsemplici.

Cosa sono i biocarburanti ?I biocarburanti sono carburanti ottenuti dalla

trasformazione di alcune materie prime agricole, dallebiomasse e dal legno.

I biocarburanti possono essere utilizzati inaggiunta o sostituzione dei combustibili dapetrolio per alimentare motori, automobili emacchinari.

Le materie prime da cui si ricavano ibiocarburanti sono prodotti agricoliottenuti per consumo di CO2 atmosferico:le piante utilizzano l’energia solare pertrasformare biossido di carbonio ed acquain zuccheri ed ossigeno mediante lasintesi clorofilliana.

Che cos’è il Biodiesel?Il Biodiesel , un prodotto naturale scoperto da Rudolf Diesel nel 1898,viene utilizzato come carburante e come combustibile neiriscaldamenti.

E’ una fonte di energia rinnovabile e biodegradabile che garantisceun rendimento energetico pari a quello dei combustibili e deicarburanti minerali. E’ composto da una miscela di metilesteri diacidi grassi ottenuta da una reazione di transesterificazione di un olio:

KOH

Aspetti positivi del biodiesel

Oltre ad essere una fonte di energia a basso impattoambientale, senza idrocarburi aromatici e con minoriemissioni di particolato e priva di zolfo, il biodieselnon comporta nuova emissione di anidride carbonicanell’atmosfera quando viene bruciato, perché quella prodottadalla sua combustione corrisponde esattamente a quellaassorbita dalle piante oleaginose, da cui si ricava, durante lacrescita. Confrontando, poi, le analisi del ciclo di vita (LCA)del biodiesel e del gasolio di origine fossile, si ricava, per ilbiodiesel una resa energetica (EROEI) circa tre voltesuperiore rispetto a quella del gasolio, e una riduzione di CO2

emessa del 40-70%.

Vantaggi del biodiesel rispetto al gasolio

1. diminuisce la fumosità dei gas di scarico emessi dai motori diesel e dagliimpianti di riscaldamento;

2. non contenendo zolfo,non produce una sostanza altamente inquinante comeil biossido di zolfo;

3. riduce le emissioni di monossido di carbonio (- 35 %) e di idrocarburiincombusti (- 90 %) emessi nell’atmosfera;

4. non contribuisce all’«effetto serra» poiché restituisce all’aria solo laquantità di anidride carbonica assorbita durante la crescita della piantaoleaginosa

5. riduce a meno di un terzo i costi che ricadono non sul produttore ma sututta la collettività;

6. non contiene sostanze pericolose per la salute quali gli idrocarburi aromatici(benzene,toluene ed omologhi);

7. riduce i pericoli nelle fasi di trasporto,grazie alla minore infiammabilità edalla maggiore biodegradabilità;

8. ha un superiore potere detergente che previene le incrostazioni dei motori.

Altre fonti di biodieselOli esausti: provenienti dalle fritture di oli di semi vegetali, le cuistrutture molecolari vengono modificate quando sono sottoposti ad altetemperature. L’olio è un rifiuto speciale non pericoloso chedeve essere consegnato ad aziende raccoglitrici autorizzate.

L’olio vegetale esausto viene usato come base di partenza per fare ilbiodiesel o gasolio ecologico, quindi il prodotto viene notevolmentenobilitato passando da rifiuto a combustibile ecologico.

Microalghe: grazie alla quantità di trigliceridi presenti in alcune alghe, èstato scoperto che possono essere impiegate nella produzione di biodiesel.

Utilizzare le microalghe per la produzione di biodiesel ha il vantaggio di nonsottrarre importanti prodotti all’industria alimentare e per questo motivodovrebbe rappresentare il principale oggetto di studio per la ricerca sulbiodiesel.

Il biodiesel prodotto dalle microalghe è l’unico combustibile rinnovabile chepuò potenzialmente sostituire i combustibili fossili derivati dal petrolio.

Le Biomasse e le BioraffinerieLa National Renewable Energy Laboratory (NREL) definisce le bioraffinerie comeindustrie in cui avvengono processi integrati che, partendo da biomasse,producano biocarburanti, energia e prodotti chimici come le bioplastiche.

Il concetto di Bioraffinerie è analogo a quello di raffineriepetrolifere, che producono combustibili e prodotti chimici

dal petrolio.

Per essere efficiente e funzionale, la bioraffineria deve possedere due requisiti fondamentali:

• Impianti di grosse dimensioni affinché i processi svolti siano tra loro integrati.

• Flessibilità per la distribuzione dei prodotti, tale da soddisfare le richieste del mercato

Il concetto di bioraffineria è basato su due differenti piattaforme produttive:

”piattaforma degli zuccheri” basata su processi di trasformazioni biochimici costituiti dalla fermentazione di zuccheri estratti dalle biomasse

“piattaforma del syngas” basata su processi di trasformazione termochimici costituiti dalla gassificazione di biomasse. La

novità sta nell’integrazione e nella diversificazione.

Bioraffineria

“Non abbiamo ereditato il mondodai nostri padri, l’abbiamo preso inprestito dai nostri figli”Antico detto Cherokee

L’impiego delle biomasse può favorire uno sviluppo più sostenibile!

Ricordiamo che:

Hanno partecipato alla realizzazione di questa presentazione gli alunni:

Anna Monetta

Nunzia De Cristofaro

Giovanna Rispoli

Emanuele Cuoco

Ilario Botta