LO SFRUTTAMENTO ENERGETICO DELLE BIOMASSE

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1 LO SFRUTTAMENTO ENERGETICO DELLE BIOMASSE Che cos è Per biomassa s'intende ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. Mediante questo processo le piante assorbono dall'ambiente circostante anidride carbonica (CO 2 ) e acqua, che vengono trasformate, con l'apporto dell'energia solare e di sostanze nutrienti presenti nel terreno, in materiale organico utile alla crescita della pianta. In questo modo vengono fissate complessivamente circa tonnellate di carbonio all'anno. Biomassa è un termine che riunisce una gran quantità di materiali, di natura estremamente eterogenea. In forma generale, si può dire che è biomassa tutto ciò che ha matrice organica, con esclusione delle plastiche di origine petrolchimica e dei materiali fossili (es. petrolio e carbone). Tra le biomasse è possibile distinguere vere e proprie materie prime (colture dedicate arboree ed erbacee) e prodotti di scarto derivati da molteplici attività, che interessano il comparto agricoloforestale (residui delle pratiche agricole-forestali e zootecniche), il comparto industriale (scarti dell industria del legno, scarti dell industria agroalimentare e dell industria della carta) ed infine alcune tipologie di rifiuti industriali e urbani (limitatamente alla parte biodegradabile 36 ). Mentre l utilizzo di rifiuti come fonte energetica non è nient altro che l evoluzione e l ottimizzazione del "vecchio" inceneritore, un ruolo completamente innovativo è individuato dalle coltivazioni vegetali di biomassa e cioè da coltivazioni industriali erbacee o legnose esclusivamente finalizzate alla produzione energetica 37. In particolare i combustibili solidi, liquidi o gassosi derivati direttamente dalle biomasse o in seguito a processi di trasformazione sono definiti biocombustibili, mentre qualsiasi forma di energia ottenuta con processi di conversione dai biocombustibili è definita bio-energia Il settore delle biomasse per usi energetici (bio-energia) è probabilmente la più concreta ed immediata fonte di energia rinnovabile disponibile: secondo la UE 38 rappresenta circa il 50% 36 Art.2, lett.a) del D.Lgs. 387/03 37 L allegato X (sez. 6) alla parte V del D.Lgs.152/06 considera biomassa combustibile (da distinguere dalla biomassa combustibile da rifiuto ) i seguenti materiali: a) Materiale vegetale prodotto da coltivazioni dedicate; b) Materiale vegetale prodotto da trattamento esclusivamente meccanico di coltivazioni agricole non dedicate; c) Materiale vegetale prodotto da interventi selvicolturali, da manutenzione forestale e da potatura; d) Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di legno vergine e costituito da cortecce, segatura, trucioli, chips, refili e tondelli di legno vergine, granulati e cascami di legno vergine, granulati e cascami di sughero vergine, tondelli, non contaminati da inquinanti; e) Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoli; f) Sansa di oliva disoleata proveniente da specifici trattamenti e aventi particolari caratteristiche chimico-fisiche; g) Liquor nero ottenuto nelle cartiere dalle operazioni di lisciviazione del legno sottoposto a specifici trattamenti e usi. 38 Fonte: Comunicazione della Commissione, Piano di Azione per la Biomassa, COM(2005)628 definitivo, 7/12/2005

2 dell energia rinnovabile utilizzata nell Unione ed è necessario intensificare lo sviluppo, in un contesto di salvaguardia e miglioramento del sistema forestale. Come funziona I processi di conversione energetica La conversione energetica delle biomasse avviene principalmente attraverso processi termochimici 39 e biochimici 40. I processi termochimici sono: Combustione: è il più semplice dei processi termochimici e consiste nell ossidazione completa del combustibile con produzione di acqua e anidride carbonica; Gassificazione 41 : consiste nella trasformazione di un combustibile, un solido o un liquido nel caso specifico della biomassa, in combustibile gassoso, attraverso una decomposizione termica (ossidazione parziale) ad alta temperatura. Il gas prodotto è una miscela di H 2, CO, CH 4, CO 2, H 2 O (sottoforma si vapore acqueo) e N 2, accompagnati da ceneri in sospensione e tracce di idrocarburi (C 2 H 6 ). La proporzione tra i vari componenti del gas varia notevolmente in funzione dei diversi gassificatori, dei combustibili e del loro contenuto di umidità; Pirolisi: è un processo di degradazione termica di un materiale in assenza di agenti ossidanti (aria o ossigeno) e a temperature molto elevate, che porta alla produzione di componenti solide, liquide e gassose. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.). I processi biochimici riguardano essenzialmente la Digestione Anaerobica 42, ossia la degradazione della sostanza organica in assenza di ossigeno ad opera di alcuni ceppi batterici. Questo processo interessa la biomassa con un alto grado di umidità (reflui zootecnici, la parte biodegradabile dei rifiuti solidi industriali e urbani ecc.) portando alla produzione di biogas (CH 4 e CO 2 ) e può avvenire sia nelle discariche che in reattori appositamente progettati chiamati digestori nei processi termochimici il rapporto C/N (carbonio organico/azoto) è maggiore di 30 e l umidità è minore del 30% 40 nei processi biochimici il rapporto C/N è minore di 30 e l umidità è maggiore del 30% 41 Attualmente si stanno sviluppando processi di Co-Combustione e di Co-Gassificazione volti a utilizzare nello stesso impianto biomasse e combustibili tradizionali come il carbone. 42 Tra i processi biochimici si include anche la digestione aerobica, anche se quest ultima trova scarsa applicazione nel campo della produzione energetica a causa del basso calore sprigionato dal processo. 43 L allegato X (sez. 6) alla parte V del D.Lgs.152/06 distingue il biogas combustibile dal biogas combustibile da rifiuto imponendo che debba provenire dalla fermentazione anaerobica metanogenica di sostanze organiche non costituite da rifiuti, in particolare non prodotto da discariche, fanghi, liquami e altri rifiuti a matrice organica. Deve inoltre essere costituito prevalentemente da metano e biossido di carbonio (con un contenuto massimo di composti solforati, espressi come solfuro di idrogeno, non superiore allo 0.1% in volume) ed utilizzato solo nel medesimo comprensorio industriale in cui tale biogas è prodotto. 2

3 Risultano idonei alla conversione biochimica, dunque, le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.), nonché alcune tipologie di reflui urbani ed industriali. I biocombustibili I principali biocombustibili solidi sono i pellets, i bricchetti e il cippato. Il pellet si distingue per la bassa umidità (inferiore al 12 %) e per la sua elevata densità nonché per la regolarità del materiale. Il presupposto per l'utilizzo di questo prodotto è l'impiego di legname vergine, non trattato cioè senza corrosivi, colle o vernici. La compattezza e la maneggevolezza danno a questa tipologia di combustibile caratteristiche di alto potere calorifico (p.c.i kcal/kg) e di affinità ad un combustibile fluido. E' molto indicato quindi, per la sua praticità, per piccoli e medi impianti residenziali. Con residui e polveri più grossolane vengono prodotti i bricchetti, che sono dei tronchetti pressati, in genere di 30 cm di lunghezza e 7-8 cm di diametro. L'utilizzo è assimilabile a quello del legno in ciocchi. I processi per la produzione di pellets e bricchetti non richiedono l'uso di alcun tipo di collante, poiché la compattazione avviene fisicamente e con l'alta temperatura generata nel processo. Questa tipologia di combustibile ha un alto potere calorifico (p.c.i kcal/kg) ed è indicato per impianti medi e grandi, ma si presta anche all'uso in piccoli impianti anche residenziali. Il cippato è costituito da pezzettini di legno (dall'inglese chips "pezzettini") ricavati dagli scarti di segherie, che lavorano legname privo di sostanze inquinanti quali vernici. È un buon combustibile, utilizzabile in apposite caldaie o stufe, che ha un potere calorifico pari a circa , a seconda del grado di umidità. Naturalmente tra i biocombustibili solidi bisogna annoverare i pezzi (o ciocchi) di legno vero e proprio, il cui costo è marginalmente superiore dato che i combustibili sopradescritti possono essere ricavati da scarti industriali e/o dalle lavorazioni agricole e boschive. I biocombustibili sia liquidi che gassosi possono essere utilizzati sia come combustibili per il trasporto che per la produzione di energia elettrica e per il riscaldamento. Tra questi si possono distinguere i bio-combustibili di prima generazione con tecnologie di produzione ed utilizzo ormai consolidate ed alcuni di seconda generazione che necessitano di ulteriori sviluppi tecnologici. Tra i bio-combustibili di prima generazione si possono annoverare: L olio vegetale grezzo, derivato dalla spremitura meccanica di semi oleaginosi (tra gli altri colza, girasole); il biodiesel (MetilEstere), derivato dalla esterificazione degli oli vegetali grezzi; il bio-etanolo, prodotto da biomasse zuccherine (canna da zucchero, barbabietole, mais) attraverso fermentazione e successiva estrazione; 3

4 il biogas, costituito principalmente da metano (CH 4 ) e anidride carbonica (CO 2 ) e prodotto, come detto, dalla fermentazione anaerobica della sostanza organica contenuta principalmente nei rifiuti urbani e nei reflui zootecnici. Per quanto riguarda i bio-combustibili di seconda generazione le ricerche si stanno concentrando sull utilizzo di DME (Dimetiletere), del FT-Diesel (diesel di sintesi derivato dal processo di Fischer-Tropsch) e del Bio-Etanolo derivato da biomasse ligneocellulosiche. Gli impianti a biomasse Una delle possibili soluzioni per sfruttare la tipologia di risorse suddette, oltre all'uso per riscaldamento individuale in caldaie a pellet o a legna, è attualmente la loro combustione in un impianto di cogenerazione di piccole dimensioni (circa 10 MW termici), in cui si sommano i benefici della produzione di energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili (destinata all autoconsumo o immessa nella rete di trasmissione nazionale) e l energia termica per l alimentazione di una rete di teleriscaldamento (che può fornire calore per uso civile ad es. per il riscaldamento edifici, o per uso industriale come ad es. il vapore utilizzato nei cicli produttivi). Un impianto del tipo descritto in premessa prevede varie sezioni tra loro interconnesse che nel loro insieme costituiscono il sistema di termovalorizzazione delle biomasse. In particolare si possono individuare le seguenti sezioni: 1. Conferimento, stoccaggio ed alimentazione del combustibile; 2. Camera di combustione; 3. Sistema di trattamento dei fumi; 4. Sistema di recupero energetico. 1. Conferimento, stoccaggio ed alimentazione del combustibile Il piano di approvvigionamento della centrale termica può influenzare notevolmente il livello di sostenibilità ambientale dell intero progetto, in particolare se consideriamo gli aspetti della localizzazione del bacino e della fonte di approvvigionamento. L approvvigionamento dovrebbe avvenire preferibilmente in loco per limitare il più possibile l impatto ambientale legato al trasporto del materiale. Al riguardo, intese ed accordi con fornitori che possano garantire la provenienza locale del materiale e la sinergia con eventuali piani di assestamento forestale del bacino sede dell impianto potrebbero certamente favorirne una corretta e coerente gestione. In genere quindi vengono previsti: 4

5 un area in cui vengono ricevuti gli automezzi per lo scarico del materiale, che viene depositato direttamente in vasche/fosse di stoccaggio oppure in silos; un eventuale sistema di essiccazione della biomassa in funzione del grado di umidità della stessa, al fine di limitare le perdite di calore per evaporazione all interno della caldaia; un sistema di alimentazione, in genere un nastro estrattore, per il trasporto del materiale alla camera di combustione 2. Camera di combustione La scelta della tecnologia di recupero energetico tramite combustione va fatta principalmente in funzione della tipologia del materiale da trattare ed in particolare in base al suo contenuto energetico associato al potere calorifico inferiore (PCI) ed alle sue caratteristiche chimico-fisiche (densità, pezzatura, contenuto di umidità, ecc.). La principale tecnologia impiegata, che copre la stragrande maggioranza delle applicazioni, è quella dei forni a griglia 44 : la loro caratteristica è la presenza di una griglia (fissa o mobile) su cui viene formato un letto di biomasse. In particolare i forni a griglia mobile, sono composti da una camera, alla cui base si trova una griglia, di norma inclinata, formata da una serie di gradini mobili. Il combustibile viene immesso mediante una tramoggia nella parte più alta della griglia, dalla quale uno spintore (oppure il movimento della griglia mobile) lo sospinge verso i gradini inferiori. Lungo lo sviluppo longitudinale della griglia le biomasse subiscono dapprima un processo d essiccamento, nella zona prossima all'alimentazione, che provoca essenzialmente l evaporazione di umidità. Successivamente, sulla parte centrale della griglia il materiale essiccato, tramite fenomeni di combustione e gassificazione della componente organica, viene convertito in una frazione gassosa ed un residuo solido. L aria di combustione viene iniettata sia sotto la griglia (aria primaria) sia nella parte alta della camera di combustione (aria secondaria usata anche per il controllo della temperatura); 44 Altre tecnologie disponibili sono: i forni a tamburo rotante (costituiti da una camera cilindrica leggermente inclinata che ruota lentamente attorno al proprio asse A fronte di una semplicità costruttiva e di un elevata flessibilità per quanto riguarda la tipologia e le caratteristiche dell alimentazione, i forni a tamburo presentano degli svantaggi legati essenzialmente al ridotto volume della camera di combustione. La combustione del letto di rifiuti avviene direttamente a contatto con la parete del forno, nella maggior parte dei casi rivestita di materiale refrattario; l alimentazione del materiale avviene tramite opportune testate, collocate in corrispondenza di una estremità del forno, mentre lo scarico delle scorie e dei residui avviene all estremità opposta. I combustori a letto fluido (Il combustore a letto fluido è costituito da una camera di combustione all interno della quale viene mantenuto un certo quantitativo di materiale inerte (il letto ), di solito sabbia, tenuto in sospensione ( fluido ) da una corrente ascendente di aria (che funge anche da comburente), immessa attraverso una griglia di distribuzione posta sul fondo. Il movimento del letto di sabbia garantisce un buon contatto comburente-combustibile, oltre a una notevole uniformità di temperatura e di miscelazione, che contribuiscono a garantire una combustione costante e completa 5

6 Le scorie residue del processo vengono scaricate dalla parte finale della griglia dove sono presenti opportuni sistemi di vasche di accumulo. Il completamento dell ossidazione dei prodotti di gassificazione e pirolisi presenti nella fase gassosa proveniente dal letto di materiale posto sulla griglia avviene nella zona immediatamente superiore alla griglia stessa, che costituisce la camera di combustione del forno. Essa fornisce un buon mescolamento tra i gas provenienti dal letto e l aria secondaria, assicurando quindi contemporaneamente adeguate condizioni di turbolenza e di ossigenazione. Livelli di temperatura medie di esercizio dell'ordine dei 900 C sono ritenuti sufficienti al fine di garantire la completa ossidazione dei componenti organici nei processi di combustione (a tal fine, spesso viene prevista una ulteriore camera di post-combustione). 3. Sistema trattamento fumi Al fine di ottemperare ai limiti alle emissioni in atmosfera imposte dalla normativa, gli impianti devono essere dotati di un sistema di trattamento fumi, tanto più complesso, quanto maggiore è la taglia dell impianto e nel caso la loro taglia sia superiore a 1 MW, sono soggetti ad autorizzazione per le emissioni in atmosfera (art. 269 del D.Lgs. 152/2006). Per la potenzialità ipotizzata in premessa una configurazione tipica della linea fumi può consistere nei seguenti apparati: reattore ad adsorbimento (per l abbattimento dei composti acidi mediante iniezione di bicarbonato di sodio (NaHCO 3 ) miscelato a carbone attivo); sistema di riduzione selettiva non catalitica (SNCR) con iniezione di ammoniaca/urea in camera di combustione per l abbattimento degli ossidi di azoto, abbattitore a ciclone per le polveri grossolane, filtri a tessuto per le polveri con granulometrie più piccole. 4. Sistema di recupero energetico I fumi in uscita dalla camera di combustione entrano in una turbina a vapore ad una temperatura di C. Mediante uno scambiatore di calore, il calore ceduto permette l espansione del vapore che viene così sfruttato per la produzione di energia meccanica; questa a sua volta viene poi utilizzata per il trascinamento di un turboalternatore finalizzato alla produzione di energia elettrica. Opportunità e vincoli La valorizzazione delle biomasse, consente notevoli benefici di tipo ambientale e socio economico sia a livello locale, sia a livello globale. Oltre al vantaggio di utilizzare risorse non soggette a esaurimento, lo sfruttamento energetico delle biomasse consente in generale di potere autoprodurre il combustibile, con il vantaggio di: ridurre i costi e gli impatti ambientali associati al trasporto del combustibile; evitare i rischi associati all approvvigionamento da aree geografiche lontane e spesso instabili dal punto di vista geopolitico; valorizzare tutte le componenti della filiera legno-energia, intendendo l insieme organizzato di fattori di produzione, trasformazione, trasporto e di utilizzazione della biomassa legnosa a fini energetici. La fonte di approvvigionamento locale di maggiore interesse è il materiale di scarto proveniente dalla gestione del bosco e dalla manutenzione degli alvei: in questo modo si possono garantire ulteriori benefici ambientali, in particolare l utilizzo a fini energetici del legno proveniente dal bosco potrebbe trasformarsi anche in un sostegno indiretto ai lavori di miglioramento e manutenzione dei lotti forestali circostanti con ricadute positive relativamente alla salvaguardia del territorio. Particolarmente interessante possono essere forme contrattuali 6

7 che leghino direttamente la gestione della centrale termica con un piano di assestamento forestale. Dal punto di vista delle emissioni, l uso energetico delle biomasse vegetali è uno dei più efficienti sistemi per ridurre le emissioni di gas serra (come previsto dal Protocollo di Kyoto), in quanto la CO 2 emessa durante la produzione di energia dalle biomasse è pari a quella assorbita durante la crescita delle piante stesse. Inoltre il basso contenuto di zolfo fa sì che, quando utilizzate in sostituzione di carbone e di olio combustibile, le biomasse contribuiscano ad alleviare fenomeni di acidificazione. Per contro è necessario tenere conto di altre emissioni inquinanti che derivano dalla combustione delle biomasse e, in primo luogo, delle emissioni di particolato fine, certamente superiore rispetto al metano. Questo rende necessaria un attenta valutazione delle conseguenze della diffusione di impianti a biomasse nelle aree critiche per la qualità dell aria. La realizzazione di un impianto centralizzato con teleriscaldamento, rispetto ad una molteplicità di impianti individuali, presenta economie di scala analoghe a quanto avviene comunemente in campo impiantistico. In particolare, si possono considerare i seguenti vantaggi: minore inquinamento e maggiore efficienza energetica: un grosso impianto avrà rendimento e controllo dei fumi migliori di impianti piccoli, spesso vecchi e con rendimenti e controllo delle emissioni molto inferiori a quelli ottenibili con le migliori tecnologie disponibili; minori costi: riduzione del numero di controlli annuali e della pulizia di caldaie e camini; maggiore affidabilità e sicurezza: rispetto ad un impianto domestico, le centrali di teleriscaldamento hanno più caldaie e prevedono un integrazione con fonti fossili, mettendo al riparo da eventuali carenze di un combustibile. Inoltre, essendo distribuita acqua calda, si risolvono le problematiche di sicurezza dell uso del gas presso le singole utenze; maggiore comodità: gli impianti domestici a biomassa richiedono molte attenzioni e manutenzione (rifornimenti, alimentazione giornaliera se a legna, scarico delle ceneri, ), mentre l'utente del teleriscaldamento deve solo regolare sul (crono)termostato la temperatura e pagare la bolletta. I costi La difficoltà di sviluppo del settore dello sfruttamento energetico delle biomasse è legata principalmente al superamento delle barriere non-tecniche (finanziamenti dei costi di investimento alquanto elevati, Politica Agricola Comunitaria, diffusione delle informazioni). Il costo dell'energia da biomassa è, attualmente, ancora generalmente maggiore di quello derivante dalle fonti fossili, ma vi è una tendenza verso la competitività, in tempi ragionevolmente brevi, da sostenere e valorizzare. Il costo indicativo di installazione di un impianto di riscaldamento a cippato è variabile da oltre 300 /kw per impianti di piccola taglia (inferiori a 100 kw) fino a circa 130 /kw per impianti grandi (intorno al MW) 45. I costi di esercizio sono invece piuttosto bassi: a titolo esemplificativo il costo annuo per alimentare una caldaia a pellet da 100 kw si può aggirare intorno agli , inferiore al corrispondente costo per il consumo di gasolio o di gas. E da sottolineare che si evidenziano comunque cali molto pronunciati del costo unitario con l aumentare della potenza installata. 45 Fonte: ENEA 7

8 Diffusione e prospettive di sviluppo Nel 2004, le biomasse hanno rappresentato il 10% circa degli usi energetici primari nel mondo, con circa Mtep/anno). L utilizzo di tale fonte mostra però un forte grado di disomogeneità fra i vari paesi. I paesi in via di sviluppo ricavano dalle biomasse percentuali della propria energia variabili dal 48% dell Africa (280 Mtep) al 18% dell America Latina (87 Mtep). Nei paesi industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono appena per il 3% agli usi energetici primari con 168 Mtep all anno. L impiego delle biomasse in Europa soddisfa una quota abbastanza marginale dei consumi di energia primaria, rispetto alla sua potenzialità. In particolare si ricava, complessivamente, il 4% della propria energia, equivalente a circa 69 Mtep/anno, con punte del 20% in Finlandia, 16% in Svezia, 10% in Austria; l Italia, con il 1,5% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea 46. I Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse, sono dunque all avanguardia nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica. La Francia, che ha la più vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come combustibile ha adottato una politica di completa defiscalizzazione. La Svezia e l Austria, che contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo (salice, pioppo) che hanno rese 3 4 volte superiori alla media come fornitura di materia prima. Nel quadro europeo dell utilizzo energetico delle biomasse, l Italia, dunque, si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante l elevato potenziale di cui dispone. Un particolare ringraziamento viene rivolto all Associazione Produttori Energia da Fonti Rinnovabili (APER) per il prezioso contributo fornito. 46 Fonte: International Energy Agengy, Renewables in Global energy Supply, September