iii.6.5 generazione elettrica da fonti rinnovabili-biomasse

8/13/2019 III.6.5 Generazione Elettrica Da Fonti Rinnovabili-Biomasse

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612 ENCICLOPEDIA DEGLI IDROCARBURI

GENERAZIONE ELETTRICA DA FONTI RINNOVABILI

biodieseletanolo metanoETBE oliogas biogasbiocombustibilisolidi

metanoloidrocarburi

bio-olicarbone vegetale

lignocellulosicheamidacee-zuccherine

idrolisi-estrazione

oleaginose

estrazione

fermentazionedistillazione

esterificazione

idrolisi

purificazione purificazione

energia elettrica/energia termicamercati finali prevalenti

mobilit

pirolisi

rifiuti escarti umidi

digestioneanaerobica

gassificazionecippatura

pellettatura

eterificazioneconversione

catalitica

materieprime

processi

prodotti

fig. 1. Filiere di produzione per i vettori energetici da biomasse.

idrolisiacidogenesi

conversionebiocatalitica degli zuccheri (***)

idrolisi

idrogeno idrogeno idrogeno idrogeno

purificazione

(*)(**)(***)

acetico, propionico, butirrico, latticomediante limpiego di batteri fototrofici anaerobi (Benemann, 1997)mediante limpiego di batteri anaerobi che operano al buio (Lin e Lay, 2004)

lignocellulosicherifiuti e scarti umidi

gassificazione

zuccherineamidacee

estrazione

reazione di conversionedel gas dacqua

conversione biocatalitica (**)degli acidi organici (*)

conversione biocatalitica (**)degli acidi organici (*)

materieprime

processi

prodotti

fig. 2. Filiere di produzione dellidrogeno da biomasse.


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e funzionamento a fiamma rovescia verso il basso,

con ventilatore. Tali dispositivi, avvalendosi di spe-

cifici sensori per lossigeno (sonda lambda), consen-tono di ottimizzare lapporto di aria per la combu-stione e hanno rendimenti di conversione pari a circa

l80%, specie se le caldaie sono accoppiate con unserbatoio di accumulo dellacqua calda che riduce lanecessitdi spegnimenti e accensioni. Queste caldaierichiedono generalmente non pidi 2-3 interventi algiorno per il caricamento e un intervento periodico

per togliere la cenere;

termocamini con vetro di chiusura della camera dicombustione per legna in pezzi, che possono scal-

dare laria con circolazione forzata o lacqua di uncircuito di riscaldamento; aprendo il vetro frontale,

possibile anche la cottura di cibi alla brace, con ilvetro chiuso, il rendimento dellordine del 50%;

caldaie e stufe ad alimentazione meccanica (fig. 6),che utilizzano materiale sfuso di pezzatura regolare

(residui gisminuzzati quali sansa esausta, nocciolidi frutta, gusci di nocciole e/o mandorle) o legno smi-

nuzzato (cippato) o compresso in pastiglie (pellet).

In particolare il pellet, ottenuto a partire da segatura

o sfridi di lavorazione del legno sottoposti a maci-

nazione, essiccazione ed estrusione ad alta pressio-

ne, senza laggiunta di alcun legante, un materialea basso contenuto di ceneri (per quelli di buona qua-

litminore dello 0,7%) e, soprattutto, trattabile dalpunto di vista della movimentazione come un com-

bustibile liquido. Cicomporta la possibilitdi auto-matizzare sia il sistema di alimentazione della bio-massa (utilizzando in genere una coclea che preleva

il combustibile da un serbatoio di carico e rifornisce

regolarmente la camera di combustione) sia il siste-

ma di estrazione delle ceneri; possibile altresincre-mentare i rendimenti di combustione fino a valori

confrontabili con le caldaie convenzionali a combu-

stibili fossili. Sul mercato sono disponibili modelli

tecnologicamente molto avanzati con accensione elet-

trica, regolazione dellaria con sonda lambda e ren-dimento intorno all80%.Un altro settore particolarmente promettente per lu-

tilizzazione energetica dei residui legnosi quello degliimpianti di teleriscaldamento, progettati per servire vil-

laggi o piccole citt. Tali impianti trovano interesse eco-nomico in zone caratterizzate sia da climi rigidi, con

periodi prolungati di basse temperature, sia da grandi

disponibilitdi biomasse residuali a prezzi competitivi(in genere scarti delle segherie locali, legno triturato deri-

vante da operazioni di cura dei boschi, potature e sotto-

prodotti agricoli). La potenza termica complessiva instal-

lata dellordine di 200 MW e la tecnologia utilizzata quella delle caldaie a griglia (fissa o mobile), di taglia

intorno a 10 MW. In alcuni casi, viene prodotta anche

elettricitin cogenerazione.Il rendimento elettrico nel processo di conversione

delle biomasse non supera normalmente il 25%, con con-

sumi specifici medi di 1 kg di biomassa per kWh elet-

trico; sarebbe quindi oltremodo auspicabile, da un punto

di vista economico e ambientale, massimizzare il recu-

pero dellenergia termica residua (pari al 75% delle-nergia immessa con il combustibile). Cipernon sem-pre realizzabile, anche considerando il fatto che le pos-sibili utenze termiche sono normalmente stagionali e,

per motivi ambientali, generalmente localizzate a una

certa distanza dagli impianti.

6.5.3 Combustibili da biomasse

Lutilizzazione energetica delle biomasse in impianti cen-tralizzati (di teleriscaldamento o per la generazione di

615VOLUME III / NUOVI SVILUPPI: ENERGIA, TRASPORTI, SOSTENIBILIT

BIOMASSE PER UNENERGIA RINNOVABILE

camera di combustione coibentata

uscita acqua calda

uscita fumi

meccanismo di pulizia dei tubiscambiatoriingresso aria

secondariacocleadi alimentazione

valvola di intercettazioneingresso aria primaria

ingresso acqua

coclea per estrazione ceneri

camera di combustione gas

fig. 6. Schema di caldaia

ad alimentazione

automatica per pellet

e cippato (Heizomat).


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energia elettrica), come pure la trasformazione industriale

delle biomasse in biocombustibili solidi (per esempio il

pellet) da immettere sul mercato, costituiscono il termi-

nale di filiere che si basano sulla raccolta e/o sulla colti-

vazione di biomassa idonea alla conversione energetica.

Tali filiere comprendono una serie di stadi successivi:

approvvigionamento della biomassa (taglio e raccoltanel caso delle biomasse coltivate, raccolta delle paglie

e dei residui colturali, prelievo dei residui di lavora-

zioni del legno o agroindustriali a fine processo) ed

eventuale condizionamento per facilitarne la movi-

mentazione (imballatura delle paglie e delle colture

erbacee, riduzione in scaglie delle biomasse legnose);

trasporto al luogo di stoccaggio, che pucoincidereo meno con limpianto di conversione energetica odi trasformazione in pellet;

stoccaggio, comprensivo delleventuale essiccazione; trasformazione in pellet o conversione energetica

mediante combustione in una caldaia a griglia o a letto

fluido per la produzione di vapore o acqua calda (per

il teleriscaldamento) e successiva utilizzazione del

vapore in una turbinao in qualche caso, in un moto-re alternativo, tipo motore Spillinga servizio di unelettrogeneratore per la produzione di elettricit;

smaltimento dei residui, essenzialmente le ceneri dicombustione, provenienti dagli impianti di conver-

sione energetica;

commercializzazione del pellet e gestione dellener-gia prodotta (immissione in rete dellelettricite/o

distribuzione dellenergia termica alle utenze locali,civili e industriali).

Disponibilit e reperibilit delle biomasse

Se si escludono, per la diversitdelle problemati-che connesse alla gestione della filiera rifiuti, la fra-

zione organica dei Rifiuti Solidi Urbani (RSU) e i rifiu-

ti industriali assimilabili a questi ultimi (legno tratta-

to, ecc.), le possibili fonti di biomassa per usi energetici

sono sostanzialmente tre: forestale, agricola e agroin-

dustriale.

Nei primi due casi, le biomasse prodotte possono

essere di tipo residuale (scarti e residui delle attivitdicura e manutenzione dei boschi o di estrazione e primalavorazione del legno, o residui agricoli come paglie,

potature, ecc.) o provenire da specifiche attivitdi col-tivazione (forestazione produttiva, colture agricole dedi-

cate). Si stima che, a livello mondiale, i boschi e le fore-

ste coprano una superficie complessiva pari a quasi 5109

ha, corrispondente al 33% dellintera superficie del suoloterrestre (Runesson, 2006). In accordo con dati elabora-

ti dalla Banca Mondiale alla fine del 20 secolo, le prin-cipali foreste mondiali si concentrano in relativamente

pochi paesi (tab. 1).

Il rapporto fra area boschiva e abitanti varia in modoestremamente ampio fra le diverse regioni del globo: per

le aree temperate dai 7,5 ha/abitante dellOceania ai 3,4dei paesi nordici, fino ai 2,7 dellAmerica Settentriona-le e a un valore minimo di soli 0, 35 ha/abitante per lEu-ropa (esclusa la Scandinavia). Di conseguenza, il poten-

ziale contributo delle biomasse forestali ai fabbisogni

energetici dei diversi paesi anchesso estremamentevariabile, tanto piconsiderando il fatto che, anche aparitdi superficie boschiva e di rapporto fra questasuperficie e numero di abitanti, possono esistere grandi

differenze fra le diverse regioni in termini di reale acces-sibilita tali aree. quindi importante distinguere traforeste sfruttabili e non sfruttabili, considerando sfrut-

tabili quelle che vengono utilizzate regolarmente, e in

modo sostenibile, per la produzione di legno, o che potreb-

bero essere comunque utilizzate allo scopo con relativa

facilit, e considerando non sfruttabili quelle che, permotivi geografici, ambientali o economico-sociali, non

si prestano a una simile utilizzazione nel prevedibile futu-

ro. Una simile distinzione abbastanza netta nel conte-sto europeo, ma diventa pidifficile in paesi con coper-ture forestali molto piestese, come il Canada o la Rus-

sia. A causa della densitenergetica relativamente bassa,il costo di trasporto della biomassa legnosa in ogni casocoselevato da renderne fattibile la produzione solo daforeste sfruttabili. Una stima delle superfici forestali

(sfruttabili e non) nelle aree temperate a livello mondiale

e dei quantitativi di biomassa ivi presenti riportata intab. 2 (Streheler, 1988).

Produzione di biomasse da colture dedicate

La previsione di una crescente richiesta di biomasse

da destinare, direttamente o indirettamente, alla produ-

zione di energia, ha portato molte organizzazioni e isti-

tuti di ricerca di numerosi paesi europei ed extraeuro-pei a interessarsi allo sviluppo delle cosiddette colture



tab. 1. Paesi con le principali risorse forestali

Paese

Superficietotale coperta

da foreste

(106

ha)

Percentualerispetto al totale

mondiale delle

aree forestali

Russia 764 22

Brasile 566 16

Canada 247 7

Stati Uniti 210 6

Cina 134 4

Indonesia 116 3

Zaire 113 3

Paesi scandinavi 53 2


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energetiche, pur nella consapevolezza delle notevoli dif-ficolt, primi fra tutti i costi di produzione, che devonoessere superate per rendere effettivamente remunerative

queste iniziative.

Nel contesto europeo, vengono considerate poten-

zialmente interessanti sia colture tradizionali da desti-

nare alla produzione di biocarburanti (cereali, barbabie-

tole e alcune colture oleaginose come colza e, in misu-

ra minore, girasole), sia colture cellulosiche, utilizzabili

come combustibili solidi per la produzione di energia

termica e/o elettrica.

Le colture per la produzione di biomassa sono state

oggetto di numerose attivitsperimentali di ricerca, svi-

luppo e dimostrazione svolte negli ultimi due decenni intutti i maggiori paesi industrializzati (Pignatelli, 1997).

Di conseguenza, oggi disponibile una grande mole diinformazioni tecnico-scientifiche su produzione, tra-

sformazione e utilizzazione di queste colture; in molti

casi perqueste informazioni sono presenti in modoestremamente frammentato nellambito di organizza-zioni, enti e istituti diversi, rendendo difficile qualsiasi

serio confronto tecnico-economico fra le diverse possi-

bili filiere giallinterno di una singola nazione e ancorpi, ovviamente, a livello transnazionale.

Fra le numerose specie prese in esame, si ricordano:

specie annuali, quali sorgo da fibra (Sorghum bicolor),canapa (Cannabis sativa), kenaf (Hybiscus cannabinus);

specie erbacee perenni, quali canna comune (Arundo

donax), miscanto (Miscanthus giganteus), panico (Pani-

cun virgatum), cardo (Cynara cardunculus), fragmite

(Phragmites communis); specie legnose perenni, quali

pioppo (Populus sp.), eucalipto (Eucalyptus sp.), robi-

nia (Robinia pseudoacacia), salice (Salix alba). Ai diver-

si tipi di colture per la produzione di biomassa corri-

spondono particolari caratteristiche, che le rendono ido-

nee allimpiego in diverse situazioni.Le specie annuali, per esempio, presentano il grande

vantaggio di non occupare in modo permanente il terre-no agricolo e di poter essere quindi coltivate su terreni

messi temporaneamente a riposo (set-aside), o di trova-

re comunque un buon inserimento nei cicli tradizionali

di rotazione colturale. Fra queste specie, la piinteres-sante sembra essere il sorgo da fibra, che puessere col-tivato con tecniche colturali e macchine agricole con-

venzionali, raggiungendo rese sino a 38 t/ha di biomas-

sa secca (Raccuia et al., 2003). Altre specie interessanti

sono la canapa e il kenaf, che sono stati perpresi in con-siderazione soprattutto come possibili materie prime alter-

native per lindustria tessile (canapa) e per quella dellacarta. In tal caso alla produzione di energia sarebbe desti-

nata solo una parte della biomassa, corrispondente alla

frazione fibrosa di scarso valore che viene separata nello

stadio di frazionamento dalle fibre lunghe, da utilizzarenegli impieghi industriali a pialto valore aggiunto.Le specie erbacee perenni, paragonate a quelle annua-

li, hanno un impatto maggiore sullorganizzazione del-lazienda agricola, dovuto alloccupazione del suolo perdiversi anni e agli alti costi di impianto, perchpossonoessere propagate solo tramite piantine, talee o rizomi.

Daltro canto, una volta che la coltura stata impianta-ta, si puavere una produzione di biomassa per parec-chi anni, a un costo unitario molto pibasso rispetto aquello di una coltura annuale. Anche limpatto ambien-tale puessere considerato globalmente minore, perch

le colture perenni richiedono quantitativi ridotti di ferti-lizzanti e pesticidi e una minore lavorazione del suolo.

La durata e la costanza produttiva nel tempo costitui-

scono lelemento determinante nella valutazione e nellascelta di queste colture (Venturi e Bonari, 2004). Fra le

colture erbacee perenni, quella che ha dato i risultati piinteressanti la canna comune, che cresce praticamen-te dappertutto e puarrivare a produrre in un anno, inparcelle sperimentali abbondantemente irrigate, f ino a

circa 50 t/ha di biomassa secca (Raccuia et al., 2003).

Altre specie importanti sono il miscanto, che ha mostra-

to una buona adattabilita diverse condizioni pedocli-

matiche con possibili rese superiori a 30 t/ha (Raccuiaet al., 2003), e il panico, che puessere coltivato nelle



tab. 2. Stima delle superfici forestali nelle zone temperate a livello mondiale

e dei quantitativi di biomassa ivi presenti

RegioneSuperficie forestale (106 ha)

Biomassa(106 t)

Totale Non sfruttabile Sfruttabile

Europa 149 16 133 12

Ex URSS 755 341 414 52

America Settentrionale 457 149 308 48

Altre 71 28 43 5

Totale 1.432 534 898 117


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condizioni (terreni poveri e scarsa piovosit) tipiche, peresempio, di gran parte dellarea mediterranea. Con que-sta essenza, dopo il secondo anno di coltivazione, sono

state raggiunte rese superiori a 20-25 t/ha, anche se solo

in parcelle sperimentali (ENEA, 2005). Un notevole van-

taggio di queste specie la possibilitdi una naturaleessiccazione della biomassa in campo, senza apprezza-bili perdite di materia, durante la stagione invernale, cosa

che favorisce notevolmente le operazioni di raccolta e il

successivo stoccaggio. Qualche interesse presenta anche

il cardo, per i ridotti costi di impianto, in quanto puessere propagato per seme, e per le ridotte esigenze idri-

che, ma le sue rese in biomassa (pari a circa 15 t/ha) sono

inferiori rispetto a quelle di canna, miscanto e panico

(Raccuia et al., 2003).

La coltivazione di specie legnose perenni a destina-

zione energetica (SRF, Short Rotation Forestry) tantopiredditizia quanto pii cicli di crescita sono brevi equanto maggiore la densitdi impianto (Bullard et al.,2002). Le varie fasi della SRF delle specie ritenute di

maggiore interesse necessitano comunque ancora di spe-

rimentazioni su scala significativa, tenendo anche conto

del fatto che tutte le specie considerate hanno tecniche

di propagazione ed esigenze climatiche, idriche e pedo-

logiche diverse. I migliori risultati, in termini di produt-

tivit, sono stati ottenuti con cicli colturali variabili fra 3anni (salice) e 10-15 anni, con ceduazione effettuata ogni

2-3 anni (pioppo) e sesti di impianto decisamente fitti

(superiori alle 10.000 piante/ha). La produttivitin pieno

campo varia fra 10 e 15 tonnellate di biomassa secca/haper anno in Europa e in America Settentrionale.

Informazioni (Tomassetti, 2005) sulla produttivitesulle principali caratteristiche di alcune colture per la

produzione di biomassa allepoca della raccolta sonoriportate in tab. 3. In ogni caso, leffettiva praticabilitdellimpiego di colture dedicate per la produzione dienergia direttamente legata al loro bilancio energetico,cioalla differenza fra la quantitdi energia immessasotto forma di input colturali e quella contenuta nella

biomassa prodotta (output).

I risultati delle sperimentazioni danno sempre risul-

tati positivi, anche se affetti da una notevole variabilitlegata ai diversi valori di produttivitriscontrati e al fattoche si tratta nella maggior parte dei casi di prove coltu-

rali limitate nel tempo e condotte su parcelle sperimen-

tali e non in pieno campo. Un esempio di bilanci ener-

getici calcolati per alcune colture erbacee riportato intab. 4 (Venturi e Bonari, 2004).

Per dare unidea quantitativa della possibile utiliz-zazione di biomasse coltivate ad hocper la produzione

di energia elettrica, si stima che una superf icie compre-

sa fra 17.000 e 25.000 ha di piantagione di una coltura

per la produzione di biomassa (SRF o erbacea polien-

nale) sarebbe in grado di alimentare per un anno un

impianto da 30 MW elettrici, sufficiente per fornire elet-

tricita 30.000 abitazioni.

Caratteristiche e propriet dei principali biocombu-

stibili solidi

Il contenuto energetico di un combustibile (potere

calorifico) dipende in primo luogo dalla sua composizio-ne chimica. Un elevato contenuto di carbonio e idrogeno



tab. 3. Produttivite caratteristiche di alcune colture per la produzione di biomassa allepoca della raccolta

ColturaProduttivit

(t/ha di sostanza secca)Umidit

alla raccolta (%)Periodo di raccolta

Caratteristiche delmateriale raccolto

Sorgo da fibra 20-30 70 agosto/settembre stocchi imballati

Cardo 10-20(*) 20-25 agosto/settembretrinciato o stocchi imballati

(umidit20-25%)

Miscanto 15-25 20-25da novembre

a marzotrinciato o stocchi imballati

(umidit25-20%)(**)

Panico 10-25 20-25da novembre

a marzotrinciato o stocchi imballati

(umidit25-20%)(**)

Canna comune 20-35 40da novembre

a marzotrinciato

(umidit40-30%)(**)

SRF(pioppo, eucalipto,robinia, salice)

10-15 50da novembre

a marzocippato

(umidit50-20%)(***)

(*) Pi2-2,8 t/ha di semi oleosi, eventualmente utilizzabili per la produzione di biodiesel(**) Il valore minimo corrisponde al materiale raccolto in marzo(***) Il contenuto di umiditdel cippato puscendere al 20-25% in caso di stoccaggio prolungato


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ha come diretta conseguenza un potere calorifico eleva-

to, mentre lossigeno, lazoto e gli altri elementi presen-ti nella biomassa non danno alcun contributo al riguardo.

Il contenuto medio di carbonio nel legno di conifere (abete,

pino) pari al 50,7%, mentre per le latifoglie (betulla, fag-gio) scende al 49%; il contenuto di idrogeno rispettiva-mente pari al 6,2% e al 6% (Kollmann, 1951). La mino-

re quantitdi sostanza combustibile nelle latifoglie dipen-de dal minor contenuto in lignina ed estrattivi.

Nel caso specifico delle biomasse, una parte delle-nergia liberata dalla combustione viene consumata perla vaporizzazione sia dellacqua contenuta inizialmentenel combustibile, sia di quella che si forma per reazio-

ne dellidrogeno con lossigeno atmosferico. Di conse-guenza, il contenuto energetico di un biocombustibile

viene espresso dal Potere Calorifico Inferiore (PCI) che

dipende direttamente, oltre che dalla composizione della

biomassa, dal suo tenore di umidit. Si veda in proposito

la fig. 7 (Richardson et al., 2002), dove Wc rappresenta

il potere calorifico superiore, determinato sperimental-

mente, mentre Wem indica il valore del potere calorifico

inferiore.

Un terzo elemento che influisce in modo significati-

vo sul contenuto energetico dei biocombustibili solidi la densit, ciola massa di materiale per unitdi volumeoccupato, che dipende sia dalla massa specifica interna(ciocalcolata senza tenere conto dei vuoti fra le parti-

celle di materiale), sia dalla pezzatura (nel caso del legno)o, nel caso di residui agricoli o piante erbacee, dalla tipo-

logia di imballaggio (balle prismatiche, rotoballe, ecc.).

I valori di densite potere calorifico inferiore di alcunibiocombustibili sono riportati in tab.5 (Streheler, 1988;

Jones e Walsh, 2001; Richardson et al., 2002).

Oltre al carbonio, allossigeno e allidrogeno, le pian-te necessitano di azoto, fosforo, potassio e di un certo

numero di piccole quantitdi altri minerali per costituire



tab. 4. Bilanci energetici di alcune colture erbacee per la produzione di biomassa

ColturaIntervallo di resa

(t/ha di sostanzasecca)

Contenutoenergetico

(GJ/t)

Output(GJ/ha)

Differenzaoutput/input

(GJ/ha) (*)

Rapportooutput/input

Sorgo da fibra 20-30 16,7-16,9 334-507 309-494 13-39

Kenaf 10-20 15,5-16,3 155-326 130-313 6-25

Canapa 8-15 16,0-18,0 128-270 103-257 5-20

Miscanto 15-30 17,6-17,7 260-530 238-522 12-66

Canna comune 15-35 16,5-17,4 240-600 118-592 11-74

Cardo 10-15 15,5-16,8 155-252 133-244 7-31

Panico 10-25 17,4 174-435 152-427 8-54

(*) Gli input considerati variano da 13 a 25 GJ/ha per le colture annuali e da 8 a 22 GJ/ha per le perenni

20

0

5

10

15

poterecalorifico(MJ/kg)

umidit(%)0 20 40 60 80

Wc con materiale secco

Wem con materiale secco

Wc con materiale fresco

Wem con materiale fresco

legna appenatagliata

fig. 7. PCI della biomassa

in funzione dellumidit.


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i propri tessuti e svolgere i processi vitali e per assor-

bire altri elementi, inclusi metalli pesanti presenti nel

suolo. Tutti questi elementi non liberano energia duran-te la combustione, ma vengono rilasciati in atmosfera

sotto forma di composti volatili o si ritrovano comunque

nelle ceneri di combustione, e possono costituire un pro-

blema per gli impianti (depositi, corrosione) e, piingenerale, per lambiente. In genere, la combustione dellelatifoglie produce un quantitativo di ceneri maggiore

rispetto alle conifere, e le biomasse erbacee (paglia,

miscanto, ecc.) ne producono pidi quelle legnose. Ilcontenuto in ceneri di alcune biomasse riportato intab.6 (Streheler, 1988; Jones e Walsh, 2001; Richardson

et al., 2002).

Lestrema varietdi tipologie e caratteristiche deicombustibili ricavabili dalle biomasse (biocombustibilisolidi) costituisce in prospettiva uno dei maggiori osta-

coli per lulteriore sviluppo di questa fonte energetica.Infatti, lincremento degli scambi commerciali interna-zionali e lindustria di produzione di dispositivi e com-ponenti di impianti per lutilizzazione di tali combusti-bili richiedono la definizione, per ogni particolare tipo-

logia di biocombustibile, di specifiche tecniche che

consentano di determinarne il valore economico e di pro-

gettare e dimensionare adeguatamente gli impianti, in

modo da ottimizzare le rese di conversione, incremen-

tare il livello di automazione e minimizzare le emissio-ni di sostanze inquinanti.

Una proposta di standardizzazione (European Com-

mission, 2005), elaborata da un apposito gruppo di lavo-

ro del Comitato Europeo di Normazione (CEN), defini-sce come biocombustibili solidi solo quelli ricavati da:

a) prodotti dellagricoltura e forestazione; b) residui vege-tali delle attivitagricole e di forestazione; c) residuivegetali delle industrie alimentari; d) residui legnosi, con

esclusione di quelli trattati con agenti impregnanti e/o

vernici che contengano tracce di composti organici alo-

genati e/o metalli pesanti, come il legname da costru-

zione e quello proveniente dalla demolizione di edifici;

e) residui di f ibre vegetali dalla produzione di paste cel-

lulosiche vergini o di paste chimiche per lindustria dellacarta, a condizione che vengano bruciati in situ con recu-

pero dellenergia prodotta.La proposta di standardizzazione prevede che i bio-combustibili debbano essere classificati in base a natu-

ra e origine, tipologia e proprietdel prodotto commer-ciale.

La classificazione basata sulla natura e sulloriginedei biocombustibili solidi si articola su quattro livelli

successivi, a partire dalle seguenti categorie principali:

a) biomasse legnose; b) biomasse erbacee; c) frutti;

d) miscele e commistioni, intendendo come miscela la

mescolanza intenzionale di prodotti di diversa natura e

come commistione quella non intenzionale o accidenta-

le. La proposta di classificazione, basata sulle tipologiedel prodotto commercializzato e le relative propriet,



tab. 5. Densite potere calorifico inferiore di alcuni biocombustibili solidi

Biomassa FormaUmidit

(%)PCI

(MJ/kg)Densit(kg/m3)

Abete norvegese pianta intera 40 17,55 400

Abete norvegese corteccia 40 19,69 360

Abete tronchetti2040

14,2810,10

350390

Abete cippato2040

14,2810,10

180215

Pino scozzese pianta intera 40 17,97 395

Pino scozzese corteccia 40 19,50 280

Betulla pianta intera 40 17,41 475

Betulla corteccia 40 22,71 550

Faggio tronchetti2040

14,2810,10

450510

Paglia di grano balle 10 15,50 120

Stocchi di mais balle 10 14,40 100

Miscanto balle 12 15,37 120


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prende in esame le forme picomuni di tali materiali, inaccordo con lelenco riportato in tab.7 (Tomassetti, 2005).

La standardizzazione di tutti questi prodotti richie-

de, per ciascuno di essi, la determinazione di una serie

di proprietche, se ricadono entro i valori limite prefis-sati, consentiranno di assegnare al prodotto in esame una

particolare categoria o classe di qualit. A titolo di esem-pio, le proprietprese in considerazione per la defini-zione di standard e/o specifiche tecniche per il cippato

di legno sono le dimensioni delle scaglie, il contenuto di

umidit(% in peso sul prodotto alla ricezione), il con-tenuto in ceneri (% sul secco) e il contenuto di azoto (%

sul secco). A queste vanno aggiunte ulteriori specifica-

zioni a carattere informativo, che contribuiscono a una

puntuale identificazione del prodotto, relative a potere

calorifico inferiore (MJ/kg o kWh/m3), densit(kg/m3)alla ricezione, contenuto in cloro (% sul secco).

6.5.4 Tecnologie per lutilizzazioneenergetica delle biomasse

I processi di conversione termochimica delle biomasse

si basano sullazione termica per attivare una serie di



tab. 6. Contenuto in ceneri di diverse biomasse

BiomassaContenuto in ceneri

(% sullasostanza secca)

Abete norvegese: fustocortecciapianta intera incluso fogliamepianta intera defoliata

0,63,21,61,3

Pino scozzese: fustocortecciapianta intera incluso fogliamepianta intera defoliata

0,42,60,90,8

Betulla: fusto

cortecciapianta intera incluso fogliamepianta intera defoliata

0,4

2,21,00,8

Paglia di cereali 4,3

Miscanto 2,6

tab. 7. Principali tipologie commerciali di biocombustibili solidi

Tipologia di biocombustibileDimensioni tipiche

(diametro o volume)Metodo di preparazione

Briquettes 25 mm compressione meccanica

Pellets 25 mm compressione meccanica

Polvere combustibile 1 mm macinazione fine

Segatura 1-5 mm taglio

Legno sminuzzato (chips) 5-100 mm taglio

Legno spezzettato varie frantumazione

Legno in tronchetti 100-1.000 mm taglio

Legno intero 500 mm taglio

Paglia in balle prismatichePaglia in balle prismatiche grandiPaglia in rotoballe

0,1 m3

3,7 m3

2,1 m3

compressione e imballaturacompressione e imballaturacompressione e imballatura

Fascine varie raccolta e legatura dei fusti

Corteccia varie scortecciamento della legna

Paglia trinciata 10-200 mm trinciatura durante la raccolta

Granaglie o semi varie nessuna preparazione

Gusci e noccioli di frutti 5-15 mm nessuna preparazione

Panelli di fibra varie disidratazione di residui fibrosi


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reazioni chimiche che hanno come risultato finale la libe-

razione dellenergia conseguente alla rottura dei legamichimici che uniscono gli atomi di carbonio a quelli di idro-

geno, portando alla formazione di biossido di carbonio,

acqua e, a seconda delle condizioni di reazione, di nume-

rose altre specie chimiche gassose, liquide o solide.

Generalmente, i combustibili da biomassa devonoessere caratterizzati da un contenuto di umiditinferio-re al 30% e da un rapporto carbonio/azoto maggiore di

30. Le biomasse cellulosiche tipicamente impiegate per

la produzione di biocombustibili solidi (v. ancora fig. 1)

sono: a) legna e derivati; b) paglie di cereali; c) fusti e

foglie di colture dedicate (canna comune, sorgo, miscan-

to, ecc.); d) scarti e residui di lavorazioni agroindustriali

(lolla, pula, gusci, noccioli, sanse, ecc.).

Combustione

Tra i vari processi per la conversione termochimica

della biomassa, la combustione diretta quello piuti-lizzato e tecnologicamente maturo, sebbene siano in corso

ricerche volte allo sviluppo di sistemi sempre pieffi-cienti e con minore impatto ambientale.

Il processo di combustione permette la trasforma-

zione dellenergia chimica intrinseca alla biomassa inenergia termica, mediante una serie di reazioni chimi-

co-fisiche. Quando la biomassa viene immessa in una

camera di combustione subisce inizialmente una essic-

cazione; successivamente, man mano che la temperatu-

ra aumenta, si hanno processi di pirolisi, di gassifica-

zione e, infine, di combustione. Con appropriati rapporticombustibile/aria, la biomassa si decompone e volati-

lizza, lasciando un residuo carbonioso (ceneri) costitui-

to principalmente dai composti minerali inerti.

Il composto volatile, che costituisce circa l85% dellabiomassa iniziale, consiste in una frazione gassosa, una

frazione condensabile, una frazione carboniosa e, infi-

ne, fumo. La frazione gassosa contiene, oltre a biossido

di carbonio (CO2), il monossido di carbonio (CO), alcu-

ni idrocarburi (CxHy) e idrogeno (H2), che vengono ulte-

riormente ossidati mediante le seguenti principali rea-

zioni esotermiche:

2COO2

2CO2

CxHy (x0,25y)O2

xCO2(0,5y)H2O

2H2O2

2H2O

La frazione condensabile contiene acqua e composti

organici con basso peso molecolare, come le aldeidi, gli

acidi, i chetoni e gli alcoli che, con laumentare dellatemperatura, tendono a frammentarsi in composti pileggeri; per esempio, nel caso dellacido acetico e del-laldeide acetica si hanno le reazioni:

CH3COOH

CH4

CO2CH3CHO

CH4CO2

I prodotti di queste reazioni subiscono un ulteriore

processo di ossidazione con le stesse modalitindicatenel punto precedente.

La frazione carboniosa pureagire con lossigenoper dare CO e CO2. Infine, il fumo composto da par-ticelle di carbone di dimensioni molto piccole, da catra-

me e da ceneri (fly ashes).Il risultato complessivo di tali reazioni la produ-

zione di energia termica, che viene recuperata median-

te scambiatori di calore in cui si trasferisce lenergia ter-mica ad altri fluidi vettori, quali aria o acqua. I princi-

pali problemi di impatto ambientale connessi con la

combustione della biomassa sono legati alla natura del

combustibile solido, per esempio, la sua composizione

chimica, il contenuto delle sostanze volatili, il tasso di

umidit, la disomogeneitfisica, il contenuto e il com-portamento delle ceneri. Le principali tecnologie di com-

bustione sono descritte di seguito.

Combustione a griglia (fissa o mobile). Le griglie

fisse sono generalmente usate per i combustori di pic-

cola taglia. Per gli impianti industriali si adoperano le

griglie mobili che facilitano la movimentazione, il rime-

scolamento del combustibile e la rimozione delle cene-

ri; tali griglie possono essere di vario tipo, vibranti oriz-

zontalmente e/o verticalmente, a nastro, rotanti, a gra-

dini, a rulli, ecc., e in alcuni casi vengono raffreddate

con aria o con acqua per consentirne un carico termico

specifico maggiore.

Combustione in sospensione. indicata per le bio-

masse polverulente e leggere tipo la lolla di riso, la sega-tura, la polvere di legno e la paglia triturata, in cui la bio-

massa viene alimentata nella parte superiore del com-

bustore e brucia mentre cade sulla griglia sottostante, che

ha principalmente la funzione di scarico delle ceneri.

Combustione a tamburo rotante. utilizzata per appli-cazioni in cui il combustibile ha caratteristiche termofi-

siche particolarmente povere e contiene elevati carichi

di inquinante. La biomassa in combustione continua-mente rimescolata dalla lenta rotazione del tamburo e il

percorso dei prodotti di combustione puessere in equi-corrente o in controcorrente con la direzione di avanza-

mento della biomassa.Combustione a doppio stadio. In questo tipo di com-

bustione si verificano preliminarmente la gassificazio-

ne e la pirolisi del materiale in una prima camera e poi

una completa combustione dei prodotti gassificati in una

seconda, che costituisce il corpo principale del trasferi-

mento dellenergia al fluido vettore.Combustione in letto fluido. Putrattare diversi tipi

di biomassa, inclusi i materiali carboniosi difficiliqualiligniti, torbe, rifiuti solidi urbani selezionati, fanghi di

varia natura, anche a elevata percentuale di umidit(supe-riore al 40%). La camera di combustione parzialmen-

te riempita con materiale inerte, quale sabbia o allu-mina, che viene fluidificato dallaria di combustione




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primaria, in modo da costituire il letto bollente o, nel caso

di maggiore velocitdellaria e di trascinamento delmateriale, il cosiddetto letto ricircolato, il quale viene

recuperato e reimmesso nella camera di combustione.

Oltre al materiale inerte puessere immesso anche delmateriale che permette di variare le condizioni dellam-biente nel quale si verifica la combustione: infatti, nelcaso di combustibili inquinati con composti acidi o con-

tenenti ceneri bassofondenti, si puusare del calcare odella dolomite per abbattere gli inquinanti acidi ed evi-

tare la fusione delle ceneri nelle condizioni operative del

combustore.

Indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, i prin-

cipali problemi connessi con la combustione delle bio-

masse sono costituiti dal grado di umiditdel materiale(25-55% per i residui agroforestali e della lavorazione

del legno, inferiore al 10% per il pellet), che se varia in

modo significativo rappresenta un ostacolo rilevante per

la gestione ottimale del processo e per la massimizza-

zione delle rese energetiche, e dalla quantite naturadegli inerti presenti nella biomassa, che sono causa di

incrostazioni per la fusione delle ceneri (800-1.200 C).Le apparecchiature adoperate per la combustione

puntano a recuperare la massima parte dellenergia svi-luppata durante il processo. Tale recupero puavveni-re in modo diretto tramite le pareti del dispositivo (stufe),

oppure in modo indiretto per mezzo di fluido vettore

(caldaie). La presenza della sezione di recupero del calo-

re non solo conveniente dal punto di vista energetico

ed economico, ma si rende necessaria per ridurre la tem-peratura dei fumi in uscita dalla camera di combustio-

ne (puraggiungere 1.200 C) fino a valori tali (infe-riori o uguali a 300 C) da rendere possibile il loro trat-tamento.

I dispositivi di combustione delle biomasse presen-

tano caratteristiche costruttive differenti, a seconda che

il loro impiego sia destinato al settore civile, agricolo o

industriale. I principali dispositivi per il settore civile

(riscaldamento degli ambienti) che vedono numerosi

modelli in commercio possono essere cosraggruppati: termocucine a legna, di uso prettamente monofami-

liare, adibite sia al riscaldamento di ambienti sia allacottura dei cibi, aventi un rendimento globale di circa

il 70-75%;

termocamini a legna, anchessi per uso monofami-liare, con scambiatori ad acqua o ad aria, aventi una

efficienza media pari a circa il 50%;

caldaie a legna di piccola/media potenza (20-300 kWt),aventi una efficienza media variabile tra il 60 e l80%,in grado di garantire il riscaldamento di singole unitabitative o di piccoli complessi residenziali. Tali dispo-

sitivi nel caso delle taglie pipiccole sono dotati digriglia fissa e di caricamento manuale del combusti-

bile, mentre per le potenzialitmaggiori sono pre-senti tramogge di carico, sistemi di alimentazione,

griglie fisse o mobili, sistemi di evacuazione delle

ceneri e abbattitori di polveri prima dello scarico dei

fumi al camino. Le caldaie per il riscaldamento del-

lacqua sono del tipo a tubi di fumo, in cui i gas caldidi combustione attraversano i fasci tubieri immersi

nellacqua a cui trasferiscono il calore.Per il settore agricolo sono particolarmente interes-

santi i combustori a camera larga e a griglia mobile, dota-

ti di opportuni sistemi per lalimentazione di paglia inballe, dei residui di potatura degli alberi, dei residui della

lavorazione agroindustriale, ecc. I combustori devono

essere progettati opportunamente per garantire il buon

funzionamento con biomasse caratterizzate da un eleva-

to contenuto in ceneri, anche bassofondenti, e con un

grado di umiditvariabile in un ampio intervallo. Leapplicazioni pifrequenti, e in molti casi piconvenientieconomicamente, che vengono registrate in questo set-

tore, sono lessiccazione dei prodotti agricoli e il riscal-damento di serre e di stabulari per lallevamento dei suinie del pollame, oltre agli usi domestici normali. La poten-

za dei dispositivi termici generalmente compresa tra200 e 2.000 kWt. Anche in questo caso lo scambiatore

di calore del tipo a tubi di fumo.Nel settore industriale sono presenti numerosi impian-

ti di combustione diretta delle biomasse di tipo agrofo-

restale o agroindustriale, dei RSU o dei rifiuti industriali.

Tali applicazioni consentono la produzione di energia

termica utilizzata per il ciclo produttivo, la produzione

di energia elettrica o la cogenerazione (produzione simul-

tanea di energia elettrica e termica).Limpianto costituito dalle sezioni seguenti: stoccaggio delle biomasse, che puavere dimensio-

ni tali da garantire la fornitura del combustibile per

alcuni giorni o per periodi molto pilunghi (anchealcuni mesi) nel caso si trattino biomasse a caratte-

re stagionale;

eventuale pretrattamento consistente nella riduzionedella pezzatura e dellumiditdella biomassa allespecifiche richieste dal sistema di combustione;

linea di alimentazione dotata degli opportuni con-trolli di flusso;

combustore con le caratteristiche descritte in prece-denza; recupero energetico, mediante scambiatori a tubi di

fumo se il fluido vettore acqua calda a bassa pres-sione o aria, a tubi di acqua nel caso sia necessario

avere acqua in pressione surriscaldata o vapore, a olio

diatermico ed eventuale scambiatore a vapore, soprat-

tutto per impianti di potenza non elevata;

nel caso ci sia produzione di energia elettrica, neces-sario introdurre ulteriori componenti quali, per esem-

pio, la turbina a vapore e lelettrogeneratore a essacollegato, il condensatore del vapore, il degassatore

e vari recuperatori termici per lottimizzazione delciclo energetico.




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Lazionamento delle turbine a vapore richiede la gene-razione di vapore surriscaldato a media/alta pressione.

Le potenze degli impianti che producono solo ener-

gia termica possono variare da alcune centinaia di kWtad

alcune decine di MWt: il limite della taglia superiore degli

impianti industriali a biomasse legato alle caratteristi-che tecniche e organizzative-gestionali della f iliera dellegno o di altri tipi di biomasse. Il numero delle ore di

funzionamento annue rappresenta spesso un limite al ritor-

no economico degli investimenti, se confrontato con

impianti alimentati a combustibile convenzionale, in quan-

to questi ultimi presentano generalmente bassi costi di

investimento a fronte di elevati costi energetici.

Lutilizzazione delle biomasse per la produzione dienergia elettrica si realizza generalmente mediante tre

tipi di dispositivi: sistemi a pistoni, alimentati dal vapo-

re, per impianti di piccola taglia (da 50 kWe a 1 MWe;

efficienza del 6-10% per sistemi a singolo stadio e del

12-20% per quelli multistadio); turbine a vapore, per

impianti da 0,5 MWe fino a 500 MWe e oltre, con il mag-

gior numero di casi intorno a 50 MWe (efficienza del

25% circa per taglie di 5-10 MWe e superiore al 30% per

impianti da 50 MWe in cogenerazione); sistemi a ciclo

Rankine con fluido organico (ORC, Organic Rankine

Cycle) per impianti da 0,5 a 2 MWe.

La realizzazione di impianti per la produzione di ener-

gia elettrica o di cogenerazione dalla combustione della

biomassa tanto pieconomicamente vantaggiosa, quan-to maggiore la sua disponibilitin grosse quantitloca-

lizzate geograficamente e distribuite nel tempo, poichla biomassa ha una bassa densitenergetica, circa diecivolte inferiore a quella del petrolio. Ciavviene in segui-to alla riduzione considerevole dellincidenza del costodi trasporto e di stoccaggio delle notevoli quantitneces-sarie al funzionamento di una centrale, la cui potenzia-

littipica generalmente nel range di 3-10 MWe. Perdare unidea del fabbisogno della biomassa per realiz-zazioni di questo tipo, si deve considerare che occorre

circa 1 kg di biomassa per produrre 1 kWh di energia

elettrica.

Il principale parametro energetico impiegato per valu-

tare gli impianti il rendimento netto globale, che datodal rapporto percentuale tra lenergia disponibile per leutenze esterne e quella introdotta dal combustibile nel-

limpianto di produzione dellenergia, al netto dei con-sumi necessari al funzionamento dellimpianto stesso.

Pirolisi e gassificazione

La pirolisi un processo di decomposizione termi-ca della biomassa a temperatura elevata (300-700 C) inassenza di ossigeno. Dalla pirolisi della biomassa (v.

ancora fig. 1) si ottengono tradizionalmente prodotti soli-

di (carbone vegetale), liquidi (oli di pirolisi o bio-oli) e/o

una miscela di gas combustibili, in genere riutilizzatidirettamente allinterno del processo per mantenere

elevata la temperatura (Bridgwater et al., 2002). La piro-

lisi della biomassa stata utilizzata con tecnologie tradi-zionali per la produzione di carbone di legna, ma uno

degli interessi attuali verso processi avanzati che com-portino unelevata resa di conversione in prodotti liqui-di ad alto contenuto energetico, pifacilmente traspor-tabili rispetto alla biomassa solida e usati direttamentecome combustibili, o sottoposti a frazionamento per otte-

nere una vasta gamma di prodotti chimici di interesse

industriale. Rese in bio-olio superiori all80% in pesorispetto alla biomassa originaria possono essere ottenu-

te con processi di pirolisi rapida, oflash pyrolisis, a tem-

perature di reazione moderate (Bridgwater, 2005). Una

delle chiavi di lettura pimoderne dei processi di piro-lisi delle biomasse quella che porta alla produzione digas di sintesi (v. oltre).

La gassificazione consiste nella trasformazione di un

combustibile solido, nel caso specifico la biomassa, in

combustibile gassoso, tramite la reazione con lossige-no. La gassificazione un processo da cui si ottiene tra-dizionalmente un gas a basso potere calorifico (variabi-

le tra 900 e 1.200 kcal/Nm3) per reazione della biomas-

sa stessa con una quantitdi aria tale da non consentireuna completa ossidazione. Il potere calorifico del gas

puaumentare sensibilmente se, in luogo dellaria, vieneutilizzato ossigeno.

I tipici componenti combustibili presenti nel gas pro-

dotto sono il monossido di carbonio (CO) e lidrogeno(H2), accompagnati anche da piccole quantitdi idro-

carburi. I componenti non combustibili del gas prodot-to sono lazoto (N2), se viene utilizzata aria come com-burente, gli ossidi di azoto (NOx), derivanti dalla ossi-

dazione dellazoto legato alla biomassa, il biossido dicarbonio (CO2) e il vapor dacqua. La proporzione tra ivari componenti del gas varia notevolmente in funzione

del diverso tipo di gassificatore, di combustibile e del

contenuto di umidit. Oltre alle sostanze organiche, lebiomasse contengono anche sali minerali che non ven-

gono gassificati, ma trasformati in ceneri e polveri.

In pratica, per mezzo della gassificazione la biomassa

viene trasformata in un gas combustibile che utilizza-

bile in motori a combustione interna o in caldaie per laproduzione di energia meccanica o elettrica, pipregia-te della semplice energia termica, o che putrovare impie-go in forni per la produzione, per esempio, di cemento

o di laterizi.

I dispositivi di gassificazione, tranne che per alcuni

particolari costruttivi e di processo, hanno le stesse carat-

teristiche di quelli impiegati per la combustione della

biomassa, ma lossidazione del combustibile avviene indifetto di ossigeno. Nella tab. 8 sono riportati i princi-

pali tipi di gassificatori e le loro caratteristiche peculia-

ri (Pignatelli e Scoditti, 2004).

Tralasciando i gassificatori a letto f isso, che si presta-no bene per basse/medie potenze, attualmente linteresse




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industriale rivolto soprattutto ai letti fluidi. Esaminan-do pidettagliatamente la gassificazione di biomasse inun letto fluido, si possono distinguere i tre stadi fonda-

mentali di essiccamento, pirolisi e processi ossidoridut-

tivi, con la differenza sostanziale che tali operazioni si

svolgono rapidamente in un reattore quasi isotermico e

con tempi di permanenza estremamente brevi. Le condi-zioni di isotermicitsono garantite da un letto fluidizzato

di sabbia, dove lagente gassificante usato normal-mente aria, ma possibile utilizzare anche ossigeno ovapore. Le biomasse in genere hanno un tenore elevato

di umidit(sino al 30-40%), per cui lH2O viene libera-ta rapidamente assieme ad altre sostanze volatili allin-gresso nel letto fluido, a temperature tra 500 e 800 C.

Il combustibile viene inizialmente trasformato inbiossido di carbonio, sostanze catramose, idrocarburi,



tab. 8. Principali tipologie di gassificatori

Sistema di contattoe principali caratteristiche

Vantaggi Limitazioni

Letto fisso downdraft (equicorrente)Solido e gas verso il bassoLivelli molto bassi di catrameModerato livello di particolati

Semplice, costruzione robustaAlta conversione del carbonioBasso trascinamento di ceneriAlto tempo di residenza solidi

Limitata possibilitdi scale-upBassa capacitspecificaAlta umiditdella biomassaDeposito di ceneri sinterizzate

Letto fisso updraft (controcorrente)

Solido verso il basso, gas verso laltoLivelli molto alti di catrameModerato livello di particolati

Semplice, costruzione robustaBuone possibilitdi scale-upAlta efficienza termicaAlto tempo di residenza solidi

Bassa capacitspecificaAlta umiditdella biomassaDeposito di ceneri sinterizzate

Letto fluido bollente

Il gas passa attraverso un letto bollente

Solido inerte nel reattoreBasso livello di catrameAlto livello di particolati

Buon controllo della temperatura

Buone possibilitdi scale-upAlta capacitspecificaPossibile uso di catalizzatore nel letto

Scarsa versatilitnella scelta dellabiomassaPerdita di carbonio nelle ceneri

Letto fluido circolante

Particolati separati e riciclati

Basso livello di catrameAlto livello di particolati

Buon controllo della temperatura

Buone possibilitdi scale-upAumentato range di particolatoAlte portate di reazioneAlta conversione del carbonio

Costruzione semplice

Non possibile luso di catalizzatorenel letto

Letto fluido trascinato

Alimentazione fine trasportata da gas adalta velocitAssenza di inerti solidiBasso livello di catrameLivello di particolati molto alto

Molto buona la possibilitdi scale-up

Alta conversione del carbonio

Pretrattamento costoso

Pratico solo oltre 10 t/hScorie nelle ceneriMateriali di costruzione costosiScarsa versatilitnella scelta dellabiomassa

Doppio letto fluido

Pirolisi nel primo reattore

Combustione del catrame nel 2 reattoreche riscalda il letto del 1Alto livello di catrameAlto livello di particolati

Medio potere calorifico del gas usando

solo ariaPossibile uso di catalizzatore nel letto

Progetto complesso e costoso

Pratico solo oltre 5 t/h

Scale-up possibile, ma complesso


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residui carboniosi e vapor dacqua. Parte delle sostanzevolatili sviluppate subiscono un successivo processo di

trasformazione, con formazione di un gas grezzo finale

(COH2: 20-35%; CH4: 2-4%; CO2N2: percentuale

restante) che veicola una quantitnon trascurabile dimateriale particellare carbonioso e di inerti (ceneri).

Il letto fluido si presta bene per la gassificazione dicombustibili a basso potere calorifico, in quanto carat-terizzato da una rapida e uniforme distribuzione del calo-

re, con un controllo della temperatura relativamente faci-

le. Nel letto di inerte i residui carboniosi si accumulano

fino a raggiungere una certa frazione che varia da bio-

massa a biomassa in funzione della granulometria della

stessa e della sua reattivit. A questo punto tanta bio-massa entra nel gassificatore quanta ne esce come pro-

dotto gassificato, catrame trasportato dal gas (tar) e resi-

duo carbonioso presente nelle ceneri (char).

Alcune delle reazioni che hanno luogo nel letto sono:

C1/2O2

CO

COH2O

CO2H2

CH4H2O

CO3H2

H21/2O2

H2O

Il metano e gli idrocarburi superiori provengono dalle

reazioni di pirolisi della biomassa. Le reazioni sopra

riportate possono influenzare il potere calorifico del gas

che dipende essenzialmente dalla concentrazione finale

in CO, H2, CxHy.

Nel bilancio generale del processo assumono impor-

tanza rilevante la portata oraria della biomassa, la por-

tata oraria dellaria, la temperatura del letto, il contenu-to di umiditdella biomassa e il tempo di residenza dellabiomassa e dei gas nel letto inerte. A loro volta queste

variabili sono influenzate dai seguenti parametri: a) gra-

nulometria ottimale del materiale inerte costituente il

letto fluido; b) velocitminima del vettore utilizzato perla fluidificazione (tanto pialta quanto pibasse sonola densite la viscositdel fluidificante); c) altezza otti-male del letto (tale da dar luogo a perdite di carico non

eccessive, per ridurre il consumo di energia della sof-

fiante); d) dimensioni del reattore e delle apparecchia-

ture accessorie (cicloni, ugelli, tubazioni, ecc.).

Poichnel gasogeno a letto fluido si devono con-temperare aspetti fluidodinamici con altri di natura cine-

tica, la scelta dei parametri di progetto influenza la qua-

litdel gas e il grado di gassificazione della biomassa.Un parametro che diversifica i gassificatori la pres-

sione di esercizio. I gassificatori possono operare sotto

pressione o a pressione atmosferica. La composizione del

gas e il potere calorifico non sono significativamente diver-

si per questi due sistemi. Nei gassificatori pressurizzati il



fig. 8. Impianto pilota

di gassificazione

delle biomasse a letto fluidoricircolante del centro

ENEA della Trisaia

(Rotondella, Matera).


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sistema di alimentazione picomplesso e costoso; aparitdi dimensioni gli investimenti sono pialti; il gasprodotto non deve essere compresso e cifacilita la depu-razione del gas anche in presenza di elevati contenuti di

catrame; lefficienza pialta. Nei gassificatori atmo-sferici per le applicazioni alle turbine a gas sono richiesti

bassi livelli di catrame nel gas prodotto e una temperatu-ra relativamente bassa prima della compressione del gas;

la qualitdel gas richiesta per limpiego nei motori a com-bustione interna non necessita di impegni onerosi e, inol-

tre, il gas non deve essere in pressione. Per questo tipo di

gassificatori i costi di investimento sono potenzialmente

inferiori a pibasse potenze (meno di 30 MWe).Un altro parametro fondamentale che diversifica i

gassificatori a letto fluido lagente gassificante. I pisemplici utilizzano aria, ma a causa delleffetto di dilui-zione dellazoto il potere calorifico del gas prodotto normalmente basso (circa 5.400-7.100 kJ/Nm3).

Come accennato in precedenza, per incrementare il

potere calorifico del gas, invece dellaria possibile uti-lizzare come agente gassificante ossigeno o vapor dac-qua. In questultimo caso aumenta anche il tenore di idro-geno nel gas, e cirende particolarmente interessante,in prospettiva, questa tecnologia per laccoppiamentocon fuel cells o per la produzione di idrogeno da bio-

masse. La fig.8 mostra un gassificatore pilota a letto flui-

do circolante (Pignatelli e Scoditti, 2004), dove le zone

di combustione e di gassificazione sono separate tra loro;

il trasporto di energia termica dalluna allaltra zona

avviene per effetto della circolazione di materia (sabbia).Questo accorgimento permette di compartimentare la

zona di gassificazione, con immissione di energia ter-

mica dal combustore al gassificatore, senza immissione

di aria e utilizzando come agente gassificante vapore.

Cirende possibile ottenere un gas ad alto tenore di idro-geno, utilizzabile per lalimentazione di fuel cell a car-bonati fusi per la produzione distribuita di energia elet-

trica e calore. Il gas prodotto dallimpianto in questioneha un tenore di idrogeno di circa il 45-50% e un potere

calorifico di circa 11.500 kJ/Nm3.

Per tracciare un quadro complessivo relativo allo sta-

tus delle tecnologie di gassificazione puessere evi-denziato come linteresse commerciale nel settore spe-cifico sia nato nel corso degli anni Settanta del 20 seco-lo, con la prima crisi petrolifera. In quel periodo si registrata la diffusione di impianti di piccola scala, spe-

cie negli Stati Uniti e in Europa, impiegati particolar-mente nellambito di industrie collegate alla lavorazio-ne del legno. Nel corso degli anni Novanta un grosso

sforzo nel settore ricerca e sviluppo, supportato preva-

lentemente dagli enti governativi statunitensi, si con-centrato sullo sviluppo di impianti dimostrativi basati su

tecniche di IGCC (Integrated Gasification Combined

Cycle) e di cofiringin impianti di gassificazione di car-

bone. I risultati di questo impegno hanno portato alla

realizzazione di alcuni impianti commerciali di media

scala alimentati con scarti lignocellulosici.

Attualmente linnovazione tecnologica del settore orientata a rendere disponibili impianti di grande scala

per la produzione di gas di sintesi (COH2) a costi com-

petitivi rispetto alle fonti fossili. Le soluzioni impianti-

stiche proposte sono frequentemente basate sullosteam

reformingdi gas da pirolisi. Un esempio tipico di que-

sti processi riportato in fig. 9 (DOE, 2005).La vera barriera al successo nella produzione eco-

nomicamente competitiva di gas di sintesi da biomasse

sembra essere costituita dalla larga disponibilit, a bassocosto e uniforme nel tempo, di materie prime con carat-

teristiche fisiche (dimensioni, densit, ecc.) e chimiche

(composizione, potere calorifico, ecc.) costanti.Alla possibilitdi ottenere gas di sintesi a costi com-petitivi legato il successo di una delle ipotesi attual-mente piinteressanti di sfruttamento integrale dellebiomasse per produrre energia, nota come Biomass to

Liquid (BtL). Le tecnologie BtL (Griesemann, 2004)

si basano infatti su due stadi produttivi in successione:

gassificazione della biomassa per lottenimento di gasdi sintesi e conversione catalitica di questultimo (sin-tesi Fisher-Tropsch) in idrocarburi liquidi (v. ancora

fig. 1).



pirolisi a550 C

purificazionedel gas

gasdi sintesi

ceneri egas combusti

gaspiroliticibiomassa

vapore

vapore

aria

calore

calore

gassteamreforming

850 C

produzionedi vapore

combustione

catramee ceneri

fig. 9. Schema

di un processo avanzato

per la produzione

di gas di sintesi

da biomasse.


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lignocellulosici residuali (sottoprodotti e scarti di altre

filiere produttive).

La reale sostenibilitambientale di tale produzionepertuttora non dimostrata. Ai dubbi relativi al man-tenimento nel tempo delle risorse idriche, della fertilitdei suoli e della biodiversit, ecc., gida tempo formu-lati (IEA, 2005b), se ne sono recentemente aggiunti altrirelativi al bilancio delle emissioni di gas serra dalla pro-

duzione agricola. Infatti, in accordo con i dati pubblica-

ti dal Max-Plank Institut (Keppler et al., 2006), alla cre-

scita delle piante va attribuita unemissione di metanonellatmosfera (generato da processi fitocellulari aero-bici tuttora sconosciuti) pari a circa un terzo del totale

delle emissioni di questo importante gas serra.

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Vito Pignatelli

Ente per le Nuove tecnologie, lEnergia e lAmbienteCentro Ricerche Casaccia

Santa Maria in Galeria, Roma, Italia

Andrea Robertiello

EniTecnologieMonterotondo, Roma, Italia


iii.6.5 generazione elettrica da fonti rinnovabili-biomasse

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