Come Funziona l’Energia da Biomasse?

Con il termine biomassa s’intende un insieme di organismi animali o vegetali presenti in una certa quantità in un dato ambiente, che sia terra o mare. Può essere modificata attraverso vari procedimenti per ricavare combustibili o, anche, direttamente energia elettrica e termica.

Dal punto di vista ingegneristico e tecnologico le biomasse rappresentano una nuova fonte di energia rinnovabile: la bioenergia.

Da che cosa derivano questi organismi?

• Legna da ardere
• Residui di attività agricole e forestali
• Scarti delle industrie forestali
• Liquidi reflui derivanti dagli allevamenti
• Alghe marine
• Piante coltivate specificatamente per la produzione di energia elettrica
• Reflui organici urbani

Come si forma la biomassa?

Secondo un reportage pubblicato nel 2014 dell’International Energy Agency Key World Energy Statistic, le biomasse hanno coperto nel 2012 circa il 10% del fabbisogno di energia mondiale.

La vegetazione che ricopre il suolo è un magazzino di energia solare ed è l’energia del sole che attiva il processo di fotosintesi, suddiviso in due cicli fondamentali, che è alla base della produzione naturale di biomassa.

Durante il processo sopra citato, l’anidride carbonica e l’acqua si combinano tra loro grazie alle radiazioni solari e producono glucosio, ovvero zucchero, oltre che amido, cellulosa, lignina, sostanze proteiche, grassi, ecc.

La stessa energia solare che ha attivato il processo di fotosintesi è immagazzinata nei legami chimici delle molecole considerate.

In questo modo sono complessivamente fissate circa 2*1011 tonnellate di carbonio all’anno, con un contenuto energetico circa dell’ordine di 70*103 mega tonnellate equivalenti di petrolio.

Quindi si ottiene un contenuto energetico molto elevato: circa 10 volte il fabbisogno energetico mondiale annuo grazie al semplice ciclo naturale che da sempre accompagna la vita e la respirazione.

Il Processo chimico e termochimico

Per analizzare com’è prodotta la biomassa è necessario considerare che l’ossigeno presente in atmosfera si lega al carbonio, dando il via al processo esotermico di combustione, che produce anidride carbonica e acqua liberando calore (C + O2  CO2 + +H2O + CALORE).

L’ossigeno è il combustibile più comune e tra i più abbondanti insieme all’azoto, poiché sempre presente nell’atmosfera ed ha il compito di ossidare il comburente (ovvero il carbonio) con la finalità di produrre calore e luce.

Il processo di combustione predilige materiali secchi e ricchi di cellulosa, una molecola complessa e resistente che è costituita da lunghe catene di glucosio, ovvero dello zucchero formatosi durante la fotosintesi.

I vegetali, tra cui anche la semplice legna da ardere, sono ricchi di cellulosa. I processi biochimici che sono alla base di quanto descritto sono permessi dalla presenza di funghi e batteri che soggiornano all’interno di biomasse ricche di proteine e acqua. Questi agiscono digerendo la materia organica e liberando delle molecole che per noi sono molto preziose, da cui si possono ricavare biogas, bioetanolo, fertilizzanti e calore.

Come si ricava l’energia?

Il biopower rappresenta il potere energetico della biomassa. Le tecnologie per ricavare biopower sono molteplici e ciascuna di esse rappresenta un modo per ottenere prodotti diversi. Uno dei principali vantaggi della biomassa, dal punto di vista energetico, è che essa è in grado di trattenere l’energia immagazzinata fino al suo utilizzo.

Nel biopower sono attualmente impiegate tecnologie di:

• Pirolisi
• Combustione
• Gassificazione
• Cofiring
• Digestione aerobica
• Digestione anaerobica

La Pirolisi consiste nella decomposizione termochimica di materiali organici mediante l’utilizzo di calore, a temperature comprese tra i 400 e gli 800 gradi centigradi, per ottenere prodotti liquidi, solidi o gassosi ma di bassa qualità.

La Combustione permette di bruciare, tramite ossigeno, prodotti ricchi di cellulosa e lignina (come legna, piante da fibre o da frutta, resti di legumi secchi…) per ottenere calore.

La Gassificazione è, attualmente, la tecnologia più avanzata per quanto riguarda lo sfruttamento e l’impiego di biomassa. Questa, ancora umida, viene inizialmente fatta essiccare per far evaporare l’acqua in eccesso. Poi passa nel gassificatore che la trasforma in un composto gassoso di azoto, acqua, monossido di carbonio, idrogeno molecolare e anidride carbonica. Il gas è poi raffreddato e filtrato per pulirlo e poi utilizzato per alimentare le turbine a gas.

Il Cofiring è il processo mediante cui sostituisco il carbone con biomassa fino al 15% e questo avviene nell’impianto preesistente. È senza dubbio il processo più economico tra quelli citati.

La Digestione Aerobica prevede che i batteri presenti nelle microstrutture trasformino, grazie all’ossigeno, le molecole complesse in molecole più semplici liberando anidride carbonica e acqua e producendo molto calore, il quale viene trasferito all’esterno grazie a scambiatori a fluido.

Al contrario, la Digestione Anaerobica avviene senza l’ausilio dell’ossigeno e i microorganismi demoliscono sostanze organiche complesse producendo biogas (metano e anidride carbonica), con un potere calorifico circa pari a 23000 KJ/m3. Il biogas viene quindi raccolto, essiccato, compresso e immagazzinato.

Tutte queste tecnologie vengono, a seconda dei casi, utilizzate nel teleriscaldamento e nei biocombustibili. Più dettagliatamente:

• Il TELERISCALDAMENTO è caratterizzato da una centrale di produzione di calore e da una rete di trasporto. Il calore che viene distribuito nelle nostre reti urbane deriva o da produzione semplice (cioè di solo calore), come avviene per le caldaie a vapore ad acqua od olio; oppure a produzione complessa (calore+ energia elettrica). La rete di distribuzione è la parte più costosa dell’impianto e in Italia si predilige distribuire calore mediante tubi ad acqua caldo o lievemente surriscaldata.
• I BIOFUELS, come bioetanolo e biodiesel, sono sintetizzati a partire da carboidrati e/o zuccheri, avendo pertanto un potere energetico molto elevato. Rispetto ai derivati del petrolio, questi hanno il vantaggio di avere un effetto meno impattante sull’ambiente, ovvero rilasciano una concentrazione di anidride carbonica meno elevata e derivano da scarti naturali, essendo così anche meno costosi. È, tuttavia, una tecnologia che deve ancora essere sviluppata appieno.

Esistono aspetti negativi legati alle biomasse?

Indubbiamente ci sono alcune problematiche, non irrilevanti, legate alla produzione e all’utilizzo di questa energia.

• L’energia impiegata per produrre biocombustibile proviene da fonti fossili, quindi è molto inquinante, poiché rilascia molta anidride carbonica. Si stima che sia necessaria più energia per la combustione di quella che viene ricavata dai prodotti finali, rendendo così sconveniente il loro utilizzo.
• In certe zone del mondo, come in Sud America e Sud Est Asiatico, è in atto un grande disboscamento per la produzione di impianti e coltivazioni di biomasse, portando al danneggiamento di vari ecosistemi, come le foreste pluviali.
• Per ottenere grandi quantità di biocombustibili è necessario avere a disposizione non solo un grande terreno, ma anche moltissima acqua.
• Dal punto di vista sociale, in un mondo in cui alla maggior parte della popolazione manca cibo, è giusto coltivare per alimentare i trasporti?

L’utilizzo della bioenergia rimane dal punto di vista tecnologico un capitolo ancora da approfondire e sviluppare, con il fine di poter abbandonare i combustibili fossili grazie all’utilizzo di ciò che la natura ci offre.