PENSIERO SINTETICO SULLE BIOMASSE

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1 Gruppo di Lavoro ENERGIA & AMBIENTE PENSIERO SINTETICO SULLE BIOMASSE Anno 2009

2 ARPAV Direttore Area Tecnico Scientifica Ing. Sandro Boato Coordinatore del Gruppo di lavoro Dr. Giampaolo Fusato Autori Dr.ssa Maria Rosa, Ing. Anna Matuozzo, Dr.ssa Silvia Marcuz (Servizio Sistemi Ambientali DAP TV). Si ringraziano Laura Susanetti, Alberto Zandomeneghi e gli Osservatori Regionali Aria, Suolo e Rifiuti.

3 Gruppo di Lavoro ENERGIA & AMBIENTE PENSIERO SINTETICO SULLE BIOMASSE Revisione del

4 PREMESSA CARATTERISTICHE PECULIARI DELLE BIOMASSE PER LA PRODUZIONE ENERGETICA La rinnovabilità La disponibilità nel tempo e nello spazio Nuove prospettive di sviluppo per il settore agricolo Un deterrente per il degrado del territorio Riduzione delle emissioni di CO2 e cambiamento climatico La scelta delle colture a scopo energetico (CSE) L approvvigionamento delle biomasse Caratteristiche delle biomasse da valutare per la successiva valorizzazione energetica Quantificazione della disponibilità delle biomasse Le barriere allo sviluppo delle biomasse Analisi LCA della produzione di energia da biomasse I PROCESSI CHE UTILIZZANO BIOMASSE PER PRODURRE ENERGIA E I LORO IMPATTI AMBIENTALI Processi termochimici (combustione, gassificazione, pirolisi) Tecnologie Teleriscaldamento Impatti della combustione della biomassa Studio LCA - Confronto tra i sistemi di combustione domestica e impianti centralizzati Processi Biochimici - Digestione anaerobica Tecnologie e processi Controllo del processo Il Biogas Digestato Possibili modelli di filiera a biogas La digestione anaerobica dei rifiuti Processi chimico- fisici produzione ed utilizzo di biocarburanti Bioetanolo e fermentazione alcolica Gli oli vegetali Biodiesel Impatti dei biocarburanti Orientamenti attuali e futuri RENDIMENTO DEGLI IMPIANTI PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA BIORAFFINERIE CRITERI DI SOSTENIBILITÀ AMBIENTALE E CERTIFICAZIONE Criteri di sostenibilita ambientale per i biocarburanti Sistemi di certificazione per le biomasse CONSIDERAZIONI CONCLUSIVE BIBLIOGRAFIA... 29

5 PREMESSA Questo documento rappresenta una raccolta molto sintetica delle informazioni contenute nel documento Energia da Biomasse e nelle sue Appendici; si rimanda a tali documenti per una trattazione analitica più estesa nonché all Ipertesto sugli aspetti autorizzativi degli impianti di produzione di energia da fonti rinnovabili (cfr. link) elaborato dal GDL Energia&Ambiente. Per far fronte ai problemi della progressiva diminuzione delle fonti fossili di energia, e alla dipendenza dalle importazioni, è necessario intervenire in modo integrato su più fronti. Prioritariamente è essenziale aumentare il risparmio energetico, riducendo i consumi ed incrementando l efficienza degli usi finali dell energia: vanno migliorati i rendimenti delle apparecchiature che consumano energia e quelli dei suoi processi di trasformazione (evitando le perdite nelle reti di trasmissione e di distribuzione). Naturalmente è fondamentale anche il ricorso alle fonti di energia rinnovabile. Tra le fonti di energia rinnovabile, recentemente l attenzione si è concentrata sulle biomasse e sul biogas; le diverse tipologie di questa fonte rinnovabile si possono suddividere schematicamente nei seguenti gruppi. Colture a scopo energetico (CSE): specie vegetali arboree ed erbacee coltivate appositamente per la produzione di energia; sono vere e proprie materie prime. Si suddividono in oleaginose, zuccherine amidacee e ligno-cellulosiche. Biomasse di origine forestale: legna e residui delle potature. Residui del comparto agricolo: potature degli alberi, paglie, steli, foglie, residui in genere di varie coltivazioni. Residui del comparto zootecnico: reflui e residui solidi degli allevamenti (lettiere, pollina, liquami, letami). Residui del comparto agro-industriale (industria del legno, della carta, olearia, delle bevande alcoliche, agro-alimentare). La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell energia solare. Quest ultima, infatti, consente alle piante, durante la loro crescita, di convertire la CO 2 atmosferica in materia organica, tramite il processo di fotosintesi e di fissare carbonio, con buon contenuto energetico. La biomassa può essere utilizzata per produrre bioenergia, può subire processi di trasformazione per la produzione di biocombustibili e biocarburanti solidi, liquidi o gassosi, oppure può essere utilizzata nella produzione di prodotti, detti bioprodotti. Per ottenere biocarburanti e bioenergia dalle biomasse si utilizzano diversi processi che possono essere suddivisi in tre macro-gruppi: processi termochimici quali la combustione, la gassificazione, la pirolisi processi biochimici come la digestione anaerobica e la fermentazione alcolica processi fisico-chimico che prevedono l'estrazione di olii seguita dalla transesterificazione e produzione di biodiesel. Con la combustione, si ottiene bioenergia in modo diretto; la gassificazione e la pirolisi portano invece alla formazione di prodotti intermedi che sono a loro volta fonte di bioenergia. 2

6 La digestione anaerobica, la fermentazione alcolica e il processo di estrazione di olii e di transesterificazione portano alla produzione di biocarburanti, rispettivamente il biogas, il bioetanolo e il biodiesel, che possono essere utilizzati in impianti di produzione di energia o per l'autotrazione. 1. CARATTERISTICHE PECULIARI DELLE BIOMASSE PER LA PRODUZIONE ENERGETICA 1.1. La rinnovabilità Nel caso in cui si utilizzi materiale vergine le biomasse sono una fonte di energia potenzialmente rinnovabile in quanto la rinnovabilità è assicurata solo se al prelievo della risorsa corrisponde un rimboschimento della stessa entità. Nel caso invece si utilizzino scarti e sottoprodotti non solo si ha a che fare con una fonte rinnovabile (o potenzialmente tale), ma si evitano anche i costi di smaltimento/collocazione finale di tali materiali La disponibilità nel tempo e nello spazio A differenza delle altre fonti di energia rinnovabili quali il solare, il fotovoltaico e l eolico le biomasse sono disponibili in modo costante nel tempo e nello spazio. Le biomasse rappresentano una risorsa locale, legata al territorio: sono sempre reperibili anche se in qualità e quantità diverse. Vanno preferite le biomasse costituite da scarti e residui piuttosto che da materie vergini, anche per evitare la competizione tra la produzione alimentare e quella a scopo energetico. Vanno privilegiati inoltre impianti versatili che possano essere alimentati con diverse tipologie di CSE, adattabili alle esigenze di diversificazione delle colture per evitare il degrado dei suoli e per adattarsi ad esigenze del mercato. Relativamente alle biomasse vegetali si possono stipulare accordi con le amministrazioni locali per l utilizzo delle potature del verde urbano Nuove prospettive di sviluppo per il settore agricolo L impiego della biomassa può rappresentare una risorsa per le aziende agricole, poiché offre nuove opportunità di sviluppo del settore, con risvolti favorevoli sul piano economico ed occupazionale Un deterrente per il degrado del territorio Un utilizzo razionale ed ecosostenibile delle biomasse ad uso energetico può contrastare la tendenza al degrado del territorio e contribuire alla sua preservazione. Ad esempio: può essere vantaggioso utilizzare le superfici produttive non destinate all alimentazione umana e messe a riposo per colture a scopo energetico; i residui forestali possono costituire un utile fonte di biomassa; una corretta gestione del bosco garantisce il mantenimento delle principali qualità di questo ecosistema, come la funzione di protezione, ricreativa e di produzione. Le operazioni di esbosco, quali il diradamento delle fustaie o il taglio delle formazioni boschive a ceduo, possono inoltre contribuire alla riduzione del rischio di eventi dannosi per l ecosistema forestale 3

7 come gli incendi boschivi, le infestazioni di insetti, ecc 1.5. Riduzione delle emissioni di CO2 e cambiamento climatico Alcuni tra gli studi più autorevoli (IPCC) attestano come il cambiamento climatico sia in atto. Una politica di sviluppo dell energia da biomasse va di pari passo con una politica di riduzione delle emissioni di CO 2 ; rispetto ai combustibili fossili, che emettono CO 2 assorbita milioni di anni fa, le biomasse presentano un bilancio di CO 2 neutro, in quanto quella emessa è bilanciata da quella assorbita durante la crescita della biomassa (sempre che, nel caso di colture dedicate, si ricostituisca la risorsa utilizzata). Per completezza va osservato come il bilancio della CO 2 non sia rigorosamente nullo se si considera l intero ciclo di vita dei combustibili da biomassa (produzione, lavorazione, trasporto) a cui si associano i consumi di energia e di materia necessari a sostenere i processi. In particolare sono da considerare le emissioni generate nelle fasi di produzione della materia prima. Esse sono maggiori nelle filiere con colture dedicate, ma diminuiscono in quelle che utilizzano i residui forestali e, ancor di più, in quelle che sfruttano i residui agricoli e industriali. Si consideri inoltre che il terreno, o meglio la sostanza organica in esso contenuta, rappresenta un autentico serbatoio, un sink, di carbonio, che altrimenti verrebbe disperso in atmosfera come CO 2. Si parla infatti del suolo come mezzo di sequestro/immagazzinamento della CO 2 (carbon sink). La destinazione del terreno alle pratiche agro-energetiche, congiuntamente alle pratiche di fertilizzazione organica, consente di mantenere, od aumentare, il tenore in sostanza organica nel suolo; l abbandono dei terreni o la cementificazione, invece, a causa della progressiva mineralizzazione della sostanza organica, determina un trasferimento netto di carbonio, sotto forma di CO 2 dal suolo all atmosfera. Il ruolo del suolo come carbon sink, unitamente agli interventi di riduzione delle emissioni di CO 2 nei settori dell industria, delle attività produttive e dei trasporti, rappresenta un ausilio per il raggiungimento degli obiettivi di Kyoto La scelta delle colture a scopo energetico (CSE) Le tipologie di colture a scopo energetico sono differenti a seconda del processo che si intende utilizzare: o per la produzione diretta di energia mediante combustione, trovano impiego il miscanto e il pioppo; o per la produzione di biodiesel, la colza, il ravizzone, il girasole, la soia; o o per la produzione di biogas, la canna comune, il triticale; per la produzione di bioetanolo, il sorgo zuccherino, il mais, la barbabietola da zucchero. Il ricorso alle colture a scopo energetico come serbatoio di biomasse per la produzione di energia è una questione cruciale largamente dibattuta. Se da un lato consente l approvvigionamento di biomassa, l utilizzo redditizio degli eccessi di produzione delle colture alimentari e il rilancio di zone agricole marginali, favorendo nuove opportunità imprenditoriali per gli agricoltori, dall altro solleva serie questioni riguardo alla sostenibilità in termini quantitativi e qualitativi. Le maggiori perplessità riguardano la reale disponibilità di superfici agricole utilizzabili (SAU) per le CSE e la competizione tra l attività agricola a scopo alimentare e quella a scopo energetico, con i problemi etici che ne derivano. Non vanno dimenticate le possibili pressioni ambientali derivanti dalle CSE, in relazione alla conservazione del suolo (erosione, perdita di fertilità, compattazione), al consumo di risorse idriche, all utilizzo di pesticidi, alla perdita di biodiversità. E necessario quindi fissare dei criteri per la tutela delle risorse ad uso alimentare e per la tutela della superficie agricola; alcuni sono elencati nel seguito: 4

8 realizzazione delle coltivazioni energetiche solo dove era già praticata l agricoltura di tipo intensivo, non su suoli utilizzati per pascoli o prati; scelta di piante adatte al clima e al suolo del luogo, preferendo piante indigene che riducono il rischio di introduzione di malattie rispetto a quelle non indigene; preferenza per piantagioni con specie diverse (no alle monocolture) che offrono maggiore resistenza a malattie e parassiti; preferenza per i cicli lunghi di ceduazione: periodi brevi e grosse quantità di fertilizzanti riducono la produzione di biomassa; in caso di terreni pendenti programmare un piano di taglio graduale e lungo file; minimizzare l utilizzo di nutrienti e pesticidi L approvvigionamento delle biomasse Va sostenuto lo sviluppo di filiere locali in grado di produrre, trasformare e consumare la biomassa in ambiti territoriali quanto più possibile circoscritti. Il trasporto della biomassa comporta infatti un impatto rilevante sull ambiente: la quantità di biomassa trasportata, la modalità di trasporto, le capacità dei singoli mezzi e la distanza tra il luogo di produzione e il sito di trasformazione e/o combustione incidono sulla percorrenza media dei mezzi e sul numero di viaggi e quindi, indirettamente, sulla quantità di emissioni rilasciate in atmosfera. La DGRV 3375/06 stabilisce, come condizione prioritaria, la reperibilità del combustibile a livello regionale, privilegiando gli impianti per i quali sia previsto l'intervento diretto dell'intera filiera e in subordine gli impianti per la cui attivazione siano stati stipulati, o almeno avviati, contratti con i produttori locali del combustibile. Riguardo ai certificati verdi, la legge finanziaria 222/07, modificando la precedente, introduce il criterio dei 70 km per definire cosa si intenda per filiera corta (Zrt. 26, comma 4): [ ].la produzione di energia elettrica mediante impianti alimentati da biomasse e biogas derivanti da prodotti agricoli, di allevamento e forestali, ivi inclusi i sottoprodotti, ottenuti nell'ambito di intese di filiera o contratti quadro ( ) oppure di filiere corte, cioè ottenuti entro un raggio di 70 chilometri dall'impianto che li utilizza per produrre energia elettrica, autorizzata in data successiva al 31 dicembre 2007, è incentivata con i seguenti meccanismi: per impianti di potenza elettrica superiore ad 1 MW, mediante il rilascio di certificati verdi, per un periodo di quindici anni; per impianti di potenza elettrica non superiore ad 1 MW, immessa nel sistema elettrico, in alternativa ai certificati verdi e su richiesta del produttore, mediante una tariffa fissa omnicomprensiva pari a 0,30 euro per ogni kwh, per un periodo di quindici anni. Il Piano di Sviluppo Rurale (PSR) della Regione Veneto auspica quanto segue: l impiego delle biomasse ad uso energetico per valorizzare le risorse locali e l attivazione e gestione delle superfici agricole e boschive locali; la preferenza per la creazione di reti di impianti di piccola scala rispetto ai grandi impianti e di microfiliere bioenergetiche che utilizzino le biomasse prodotte localmente; la stipula di intese di filiera o di contratti quadro con i produttori e/o i trasformatori che assicurino la fornitura di biomassa di provenienza locale; la garanzia di coesione tra i vari segmenti della filiera bioenergetica; la realizzazione di opere e infrastrutture per la produzione e cessione alla popolazione di energia da biomasse pubbliche. La fonte di approvvigionamento del materiale in ingresso all impianto deve essere garantita con continuità, per evitare che nel corso degli anni si debba ricorrere a materiale proveniente da lontano o addirittura a combustibili fossili. E importante quindi fare considerazioni sull approvvigionamento in funzione della realtà produttiva locale, valutando anche la 5

9 qualità del materiale utilizzato (nel caso ad es. di scarti dell industria del legno, per escludere la contaminazione con inquinanti) Caratteristiche delle biomasse da valutare per la successiva valorizzazione energetica Le caratteristiche principali da valutare in relazione alla produzione di energia sono: - l umidità; - il tenore di sostanza secca; - il rapporto carbonio/azoto (C/N); - il potere calorifico. Le biomasse sono avviate a processi differenti in funzione delle loro caratteristiche: sono preferibili i processi termochimici per le biomasse con contenuto di umidità < 50%, rapporto carbonio/azoto > 30 e maggior contenuto di sostanza secca; sono preferibili i processi biologici per le biomasse con contenuto di umidità > 50%, rapporto carbonio/azoto < 30 e carbonio facilmente biodegradabile; per le biomasse con contenuto di umidità intorno a 35% e rapporto carbonio/azoto > 35 sono preferibili i processi meccanici. Rispetto ai combustibili fossili le biomasse vegetali sono caratterizzate da: minor contenuto di carbonio; maggior contenuto di idrogeno e soprattutto di ossigeno; contenuto di azoto e fosforo inferiore; minor contenuto di ceneri. Particolare attenzione va attribuita alla composizione della biomassa, per conoscere quali elementi potenzialmente pericolosi contenga, che possano essere ritrovati a valle nei residui o possano interferire in modo negativo con i processi di conversione energetica Quantificazione della disponibilità delle biomasse ENEA sostiene che in Italia vi sia un grande potenziale di scarti e residui agricoli, agroindustriali e forestali che costituiscono biomassa e che dovrebbero essere smaltiti; potrebbero essere utilizzati molti terreni agricoli abbandonati e vi è la necessità di intervenire sulla manutenzione del patrimonio forestale (Fonte:ENEA). Lo studio Probio-biogas di Veneto Agricoltura attesta che in Veneto c è una buona disponibilità di biomasse, che possono essere valorizzate tramite le filiere del biogas, ovviamente tenendo in considerazione i vincoli connessi alla concentrazione delle aziende zootecniche e le opportunità legate alla distribuzione territoriale dei distretti agroindustriali Le barriere allo sviluppo delle biomasse L utilizzo delle biomasse presenta alcune criticità da tenere presenti e da valutare nei singoli casi ed a seconda delle realtà territoriali: la conversione di aree rilevanti a piantagioni energetiche pone il problema della competizione tra uso del terreno a fini alimentari o energetici; le aree adibite a boschi sono ecosistemi di elevato valore ambientale, biologico, e paesaggistico che andrebbe preservato; l agricoltura intensiva a scopo energetico comporta l aumento del rischio di erosione del suolo a causa dell asporto di materiale organico, una minore capacità di trattenimento 6

10 dell acqua e di ritenzione dell azoto, la diminuzione della biodiversità e della resistenza alle malattie per piantagioni monoculturali, l utilizzo di fertilizzanti e pesticidi; le tecnologie, i sistemi per la raccolta, la movimentazione, il trasporto e la produzione di energia sono più costosi di quelli adottabili per i combustibili fossili; i rendimenti di produzione di energia elettrica, calore e biocombustibili sono inferiori rispetto a quelli ottenibili con combustibili fossili e di altre fonti rinnovabili; i costi iniziali di investimento non sono trascurabili; vi possono essere incertezze sulla disponibilità e affidabilità della fornitura; il costo del combustibile è spesso variabile; gli iter autorizzativi sono incerti; non sempre vi è accettabilità sociale; vi è scarsa resa energetica se si rapportano le vaste aree occupate per piccole potenzialità; sono da considerare anche i costi per la realizzazione e gestione degli impianti di trattamento delle emissioni Analisi LCA della produzione di energia da biomasse L analisi del ciclo di vita (Life Cycle Assessment LCA) è una metodologia finalizzata a valutare nel modo più completo possibile la pressione ambientale di un prodotto, di un processo produttivo, di un servizio, in generale di una qualunque attività. Può inoltre essere utilizzata per confrontare tra loro differenti prodotti, tecnologie e strategie di gestione di un servizio. Nel caso dell analisi dei cicli di vita di processi di produzione di energia da biomassa è fondamentale valutare se (ENEA- P. Neri): 1. l energia non rinnovabile consumata per la produzione della fonte energetica ottenuta dalla biomassa sia minore dell energia disponibile dalla fonte energetica ottenuta dalla biomassa (che è pari all energia teorica disponibile a cui venga sottratta l energia non rinnovabile utilizzata); 2. LCA (fonte energetica ottenuta dalla biomassa) sia minore di LCA (fonte energetica da combustibili fossili). Se queste condizioni non sono verificate il processo in questione non è sostenibile. Diversi studi con questa metodologia hanno rivelato che nel caso delle biomasse gli step potenzialmente più impattanti del processo di produzione della bioenergia sono: - l occupazione di suolo; - la distanza tra la fonte della biomassa e il sito di produzione di energia. 7

11 2. I PROCESSI CHE UTILIZZANO BIOMASSE PER PRODURRE ENERGIA E I LORO IMPATTI AMBIENTALI 2.1. Processi termochimici (combustione, gassificazione, pirolisi) C/N>30 U<=50% La combustione è un processo termochimico che consiste nell ossidazione completa del combustibile mediante aria (comburente) in quantità maggiore di quella stechiometrica, con produzione di H 2 O e CO 2, ceneri e calore. La combustione permette la trasformazione dell energia chimica, intrinseca alla biomassa, in energia termica. Tra i processi termochimici il più maturo è la combustione, tipologia più diffusa in Italia. La gassificazione è un processo di ossidazione parziale ad elevata temperatura (tipicamente intorno agli 800 C), con formazione di un gas combustibile, detto gas derivato, mediante aria, ossigeno o vapore acqueo in quantità sottostechiometrica (cioè con ossigeno in difetto rispetto al quantitativo necessario per una combustione completa). Con l uso di ossigeno si ottiene una miscela a base di CO e H 2, indicata con il termine syngas, con un buon potere calorifico (10-18 MJ/Nm 3 ). La pirolisi è un processo di degradazione termica in completa assenza di agenti ossidanti e comporta la scissione (cracking), tramite il calore, dei legami chimici, portando alla formazione di: una frazione solida ( char, inerti e ceneri); una frazione liquida, sottoforma di vapori condensabili, ( tar ); una frazione gassosa, costituita da CO, H 2, CO 2, H 2 O, CH 4. Il principale prodotto della pirolisi è la frazione liquida che deve però subire ulteriori processi per aumentarne la qualità e la stabilità. Il prodotto risultante è chiamato bio-olio o piro-olio che può essere utilizzato in luogo di oli combustibili e diesel in molte applicazioni e ha un potere calorifico variabile Tecnologie I sistemi di combustione devono essere progettati in modo che vi si possa realizzare una combustione il più possibile completa. La pezzatura, l omogeneità del combustibile, la temperatura di reazione, il tempo di contatto e la turbolenza influenzano la completezza della combustione. Una combustione incompleta è tra i peggiori inconvenienti e comporterebbe, alla fine del processo, la presenza di pezzi incombusti e cenere grossolana. Per evitare ciò, occorre che la temperatura di reazione sia sufficientemente alta, che il processo sia condotto in modo controllato e che la pezzatura sia tale da garantire una migliore penetrazione dell aria all interno delle parti di combustibile e la stessa durata del processo per tutte le particelle. La tecnologia dei forni a letto fisso è adatta per una biomassa avente dimensioni variabili ma comunque con particelle non troppo piccole. Non costituisce un ostacolo l elevato contenuto di 8

12 umidità della biomassa. E necessaria una distribuzione omogenea del combustibile, per avere, di conseguenza, un omogenea distribuzione di aria primaria nelle varie zone della griglia. I forni a letto fluido hanno il vantaggio di garantire un'elevata efficienza di combustione, una buona flessibilità per miscele di diversi combustibili, a causa dell ottima miscelazione che si verifica all interno del letto, una bassa richiesta di eccesso d aria che aumenta l efficienza di combustione e riduce il volume di gas finali. Gli svantaggi sono costituiti dalla rigidità rispetto alle dimensioni della biomassa (sono richiesti pretrattamenti per ridurre la dimensione della biomassa), dal tempo di avvio molto lungo, dall alto contenuto di polveri nei fumi e dal fatto che il materiale del letto si perde con le ceneri e i fumi e deve essere reintegrato periodicamente. I gassificatori a letto fisso di tipo downdraft permettono di ottenere un gas di sintesi più pulito. I gassificatori a letto fluido più efficaci sono quelli a letto fluido circolante. Rispetto ai gassificatori a letto fisso, quelli a letto fluido, benché necessitino di essere alimentati con combustibile a pezzatura omogenea, permettono un migliore contatto tra combustibile e gas ossidante, favorendo lo scambio termico e una distribuzione delle temperature tale da evitare punti freddi e punti caldi. Benchè la tecnologia della combustione sia più matura, essa ha un basso rendimento in termini di energia elettrica (valore medio del 20-25%) e richiede quindi quantità considerevoli di biomassa in ingresso (1-1,2 kg per KWhe. Fonte: ENEA). La gassificazione permette invece di avere rendimenti elettrici maggiori; ad oggi il più alto rendimento raggiunto è del 36% (Fonte: ENEA). Attualmente risulta più matura la tecnologia di gassificazione utilizzata per la sola produzione di calore. Numerose però sono le sperimentazioni relative alla gassificazione per la produzione di energia elettrica per valutare rendimenti, consumi, composizione e potere calorifico del gas finale; vi sono inoltre anche sperimentazioni finalizzate alla messa a punto del miglior sistema di purificazione del gas di sintesi, soprattutto per l eliminazione dei tar mediante tecnologie a secco, a umido e ad umido con olio (tecnologia OLGA. Fonte ENEA). Le tecnologie della pirolisi sono simili a quelle usate per la gassificazione Teleriscaldamento Il teleriscaldamento permette di utilizzare, in ambito locale, una quota parte dell energia termica prodotta per il riscaldamento di più edifici, riducendo i costi energetici dei cittadini. La presenza di un unico camino controllato riduce l inquinamento e migliora l efficienza energetica. Si eliminano i costi per i controlli annuali e per la pulizia delle caldaie e dei camini dei singoli edifici, aumentando la sicurezza negli edifici in cui non sono più presenti combustibili. Un aspetto sicuramente di primaria importanza per la realizzazione e la gestione di un sistema di teleriscaldamento è la presenza di un sistema di regolazione affinché sia garantito l equilibrio tra l energia termica circolante in rete e quella richiesta dall utenza e l attenta valutazione dei costi per la realizzazione di reti termiche che limitino estremamente le dispersioni di calore Impatti della combustione della biomassa Anche la combustione delle biomasse, analogamente agli altri sistemi di produzione di energia, produce una serie di emissioni gassose, liquide e solide. Quantità e qualità delle emissioni dipendono dal tipo di biomassa, dal tipo di processo e dal tipo di impianto. 9

13 L impatto ambientale maggiore riguarda le emissioni in atmosfera. Le sostanze emesse dall utilizzo di biomasse sono quelle tipiche di ogni processo di combustione: CO, composti organici volatili (COV), particelle carboniose e sostanze organiche pesanti, per l incompletezza del processo di combustione; ossidi di zolfo e di azoto, polveri inorganiche e gas acidi, a causa delle componenti della biomassa; ossidi di azoto derivanti da reazioni secondarie indesiderate che coinvolgono l azoto atmosferico; questa emissione appare modesta nel caso della combustione di biomasse; una serie di composti semivolatili organici ed inorganici, emessi in fase gassosa, che tendono a condensare in forma particolata al diminuire della temperatura dei gas di combustione. (Fonte: Giugliano, 2004) E opportuno distinguere gli impianti in base alla taglia per valutarne le emissioni inquinanti. Per gli impianti di piccola taglia ci si può riferire ai fattori di emissione (in termini di massa di inquinante per massa unitaria di biomassa) riportati nei seguenti inventari: inventario nazionale delle emissioni atmosferiche della Gran Bretagna - NAEI, National Atmospheric Emission Inventory (Hobson e Thistle, 2003); libro guida dei fattori di emissione dell Unione Europea (EEA, 2004) relativamente al capitolo degli apparecchi di combustione di piccole dimensioni; inventario delle emissioni atmosferiche dell Agenzia statunitense di protezione dell ambiente (EPA 1993 e 1996). Va sottolineato in particolare che: la composizione del particolato è in larga parte legata all efficienza della combustione e alle dimensioni del combustibile. Per i sistemi meno efficienti (come i caminetti), il particolato è costituito da carbonio elementare, da una piccola percentuale di sali inorganici, mentre il complemento è formato da composti organici (Houck, 2002). Per i sistemi più efficienti, invece, il contenuto di composti organici nel particolato risulta minore del 3%; i fattori di emissione riportati in letteratura per i composti organi volatili (COV) mostrano elevata variabilità da una fonte all altra. In generale comunque si registrano emissioni minori per i sistemi di combustione più innovativi, a conferma della riduzione delle emissioni di COV all aumentare dell efficienza di combustione; gli IPA sono emessi, in caso di combustione incompleta, sia sotto forma gassosa (frazione a minore peso molecolare) sia adsorbita al particolato, con una ripartizione variabile a seconda del sistema e del combustibile impiegato (Hedberg, 2002); la produzione di PCDD/F può essere ridotta assicurando una combustione il più completa possibile, condotta con un basso eccesso di ossigeno, a temperature superiori ad 800 C, e in presenza di biomassa con una bassa concentrazione di Cl. Un ulteriore riduzione delle emissioni di PCDD/F può essere ottenibile attraverso un attenta pulizia delle superfici che eviti ristagni eccessivi delle ceneri volanti. I fattori di emissione riguardanti i sistemi per la combustione di biomasse di grande taglia, ricavati dalla conoscenza delle emissioni di impianti reali (studio del Politecnico di Milano Le emissioni atmosferiche dalle attivita di combustione di biomasse di M. Giugliano, S. Caserini, S.Livio), permettono di concludere che le emissioni da combustione di biomasse in impianti di media e grossa taglia risultano sensibilmente inferiori rispetto a quelle derivanti dagli apparecchi di tipo domestico, per motivi connessi all economia di scala: la complessità impiantistica garantisce la massima efficienza del processo di combustione e la linea di 10

14 abbattimento delle emissioni, più o meno complessa, permette di raggiungere concentrazioni di inquinanti molto contenute Studio LCA - Confronto tra i sistemi di combustione domestica e impianti centralizzati Lo studio Valutazione comparativa con tecniche Life Cycle Assessment di diverse filiere di utilizzo energetico di biomasse legnose (a cura di M.Grosso, S.Caserini, S.Livio, L. Rigamonti del Politecnico di Milano 1 ) ha messo a confronto i sistemi di combustione domestica e gli impianti centralizzati (cfr. tabella seguente per le caratteristiche tecniche), rapportando i valori di emissione di ogni singolo sistema a sistemi equivalenti alimentati con combustibili tradizionali. Per gli impianti residenziali si è presa come riferimento una tradizionale caldaia domestica a metano che produce lo stesso quantitativo di energia utile rispetto a quello prodotto dalla combustione di biomassa. Per gli impianti cogenerativi, di piccola-media taglia e di grande taglia, sono stati considerati gli impatti associati a una quantità di caldaie domestiche a metano in grado di produrre la stessa energia utile e gli impatti associati alla produzione di energia elettrica dal mix termoelettrico tipico del caso italiano al 2004, caratterizzato dalle fonti: 20% olio combustibile, 20% carbone, 20% gas naturale, 40% gas naturale utilizzato in centrali a ciclo combinato. E risultato che: - rispetto all utilizzo di combustibili fossili, la CO2 emessa per ogni filiera a biomasse è sempre minore; - le emissioni specifiche di particolato primario derivanti dall utilizzo della biomassa risultano sempre maggiori rispetto ai sistemi di riferimento, e superiori per gli apparecchi a biomasse domestici meno recenti; - risparmi di emissioni di ossidi di azoto (NOx), composti organici volatili non metanici (NMVOC), anidride solforosa (SO2) rispetto all impiego di fonti fossili si hanno solo per l utilizzo di biomasse in impianti cogenerativi. Tale risultato è dovuto alla presenza di sistemi di abbattimento degli inquinanti a valle della combustione della biomassa, che permettono di ridurre notevolmente i livelli emissivi rispetto alla combustione su scala residenziale; - dall analisi di una filiera di produzione e combustione in impianti centralizzati di biomasse con Short Rotation Forestry emerge come le fasi produttive diminuiscano il risparmio di CO2,VOC ed SO2 rispetto all utilizzo di scarti legnosi negli stessi impianti. Inoltre, il risparmio di N2O e NOx, che caratterizza l impianto centralizzato alimentato a scarti, si traduce, in caso di utilizzo di colture energetiche, in emissioni aggiuntive rispetto all impiego di combustibili fossili. 1 M. Grosso, S. Caserini, S. Livio, Valutazione comparativa con tecniche LCA di diverse filiere di utilizzo energetico di biomasse legnose, in Atti del Corso di Aggiornamento Tecnologie e prospettive della produzione di energia da biomasse novembre 2006 Politecnico di Milano Sede di Piacenza CTI Progetto Biofit. 11

15 Tab. 1 Filiere analizzate nello studio Valutazione comparativa con tecniche Life Cycle Assessment di diverse filiere di utilizzo energetico di biomasse legnose (a cura di M.Grosso, S.Caserini, S.Livio, L. Rigamonti del Politecnico di Milano) - Significato sigle: SRF-Short Rotation Forestry; BAT - Best Available Technologies; ORC - Organic Rankine Cycle. Relativamente alle categorie di impatto ambientale effetto serra, tossicità umana, produzione smog fotochimico, acidità, lo studio evidenzia che per tutte le filiere considerate si rilevano minori emissioni di gas serra rispetto all impiego di fonti fossili e che: 1. per gli scenari di combustione in impianti domestici si hanno invece sempre valori positivi alle categorie tossicità umana, produzione smog fotochimico e acidità, ossia i sistemi di combustione di biomassa hanno prestazioni peggiori rispetto alle tradizionali caldaie a metano; la tossicità umana risulta essere la categoria di impatto in cui si rilevano le prestazioni peggiori. Gli elevati valori ad essa associati sono imputabili principalmente a emissioni di particolato e di idrocarburi policiclici aromatici (IPA). I livelli emissivi di PM10 dei camini aperti risultano infatti essere di tre ordini di grandezza superiori rispetto a quelli di una caldaia domestica a metano. Gli impatti sulla tossicità umana, indotti dagli apparecchi domestici si riducono però drasticamente, pur rimanendo positivi, passando da una combustione in camino aperto ad una combustione in stufa a pellet; 2. per scenari di combustione in impianti centralizzati gli impatti risultano sempre minori rispetto all utilizzo di fonti fossili; le superiori prestazioni degli impianti centralizzati sono dovute ai vantaggi connessi all economia di scala e alla presenza di una linea di trattamento degli effluenti gassosi. Gli impianti di teleriscaldamento di media taglia risultano più vantaggiosi di quelli di grossa taglia dal punto di vista della riduzione dell effetto serra e della produzione di smog fotochimico. Nei riguardi della tossicità umana e dell acidificazione, la maggior complessità della linea fumi dell impianto di grande taglia risulta vantaggiosa. 12

16 Relativamente al confronto tra le singole fasi che caratterizzano la filiera di combustione 1. per gli impianti domestici risulta che: per i sistemi a camino aperto e per le stufe e caldaie innovative che bruciano tronchetti, la fase critica dal punto di vista della tossicità umana e proprio la combustione della biomassa, che presenta l impatto più rilevante rispetto alle altre; mentre per una filiera di combustione con sistema BAT a pellet la fase critica per le emissioni di composti tossici risulta essere la combustione necessaria per l essiccazione del combustibile; le fasi di trasporto della biomassa non influiscono in modo sensibile sulla tossicità umana, acidificazione e produzione di smog fotochimico, nonostante le notevoli (maggiori di 400 km) distanze di approvvigionamento della biomassa considerate negli scenari residenziali. Nei riguardi dell effetto serra, le distanze in gioco influiscono maggiormente, non compromettendo comunque il bilancio complessivo di CO 2eq (ossia le emissioni di tutti i gas serra equiparate, negli effetti di riscaldamento della Terra, alla CO 2 secondo tabelle di conversione definite), che risulta ancora favorevole all utilizzo di biomassa. La distanza di approvvigionamento alla quale si annulla il risparmio di gas serra per la combustione di tronchetti in camino aperto (quella a minor rendimento) è pari a circa 600 km; 2. per filiera di combustione in impianti centralizzati cogenerativi risulta che l utilizzo di colture energetiche ottenute da SRF (Short Rotation Forestry) si ripercuote in minori vantaggi ambientali rispetto all uso di residui a causa dei consumi energetici per la preparazione del terreno (la fase più dispendiosa a tal proposito è la dissodatura), per la coltivazione intensiva e per l irrigazione (cui è peraltro associato un notevole consumo di acqua). I risultati ottenuti portano a concludere che sia preferibile incentivare l utilizzo delle biomasse in impianti centralizzati, che assicurano, oltre ad un risparmio di gas serra, anche dei modesti benefici in termini di tossicità umana, acidificazione e produzione di smog fotochimico rispetto all impiego di fonti fossili. Al contrario, l utilizzo di biomasse in impianti di tipo domestico, se da un lato comporta degli effettivi risparmi di CO2 equivalente anche per notevoli distanze di approvvigionamento, dall altro comporta degli svantaggi, rispetto all impiego di caldaie a metano, in termini di acidificazione, produzione di smog fotochimico e soprattutto tossicità umana. Tale aspetto negativo potrebbe essere minimizzato in larga parte, anche se non completamente annullato, sostituendo questi sistemi con tecnologie BAT. In ogni caso, per raggiungere le prestazioni elevate dell impiego di metano in termini di emissioni di particolato e composti tossici, risulta necessario introdurre sistemi di abbattimento delle emissioni. L impiego in impianti cogenerativi di colture energetiche ottenute attraverso tecniche di forestazione a turno breve risulta vantaggioso per le categorie di impatto considerate, anche se i notevoli consumi energetici per le fasi di preparazione del terreno e coltivazione intensiva rendono questo impiego meno favorevole rispetto all utilizzo di biomasse residuali. Nella tabella 2 sono riassunte le conclusioni dello studio LCA presentato. Questa schematizzazione, pur non essendo applicabile tal quale a singoli casi specifici, ha lo scopo di orientare nell anali degli impatti di una filiera di produzione di bioenergia da combustione. 13

17 Emissioni Impianti domestici Impianti domestici BAT Impianto cogenerazione centralizzato - residui Impianto cogenerazione centralizzato SRF CO particolato NMVOC, SO /= N2O e NOx Indicatori aggregati Gas serra Tossicità umana Smog fotochimico Fasi critiche per resa energetica e impatti Acidità combustione Essiccazione combustibile Pretrattamenti combustibile coltivazione intensiva (irrigazione, preparazione terreno) Tab. 2 Conclusioni studio LCA sulle diverse filiere a biomasse in rapporto alla combustibile tradizionale. + : la filiera ha meno impatto rispetto a quella a combustibile tradizionale; - : la filiera ha maggiore impatto rispetto a quella a combustibile tradizionale; - - : la filiera ha impatto molto più negativo rispetto a quella a combustibile tradizionale. Purtroppo risulta complicato fornire un quadro esaustivo e coerente delle emissioni dovute alla combustione della biomassa. Nella letteratura scientifica e grigia i valori sono spesso rappresentati diversamente e i risultati non facilmente comparabili. Ove necessario è conveniente studiare il caso specifico per determinare le emissioni dell impianto di trasformazione e di combustibile. In generale con un buon controllo delle forniture, una gestione ottimale del processo e l uso di sistemi di abbattimento delle emissioni atmosferiche (es. sistemi a secco e ad umido) si ha il rispetto dei limiti normativi anche più restrittivi. Non va dimenticata infine la produzione di scorie e di ceneri che possono essere reimpiegate o che devono essere opportunamente smaltite. Nel caso si utilizzino sistemi di abbattimento ad umido si avranno inoltre emissioni liquide. 14

18 2.2. Processi Biochimici - Digestione anaerobica U>50% La digestione anaerobica (DA) consiste nella degradazione biologica della sostanza organica in condizioni di assenza di ossigeno (anaerobiosi). Il processo prevede la degradazione delle diverse macromolecole organiche in molecole più semplici, ad opera di diversi ceppi batterici; si sviluppa in 4 fasi (idrolisi, acidificazione, acetogenesi e metanizzazione) e porta alla formazione di diversi prodotti, tra cui due gas: il metano e l'anidride carbonica. Tale miscela gassosa costituisce il biogas. Oltre al biogas, il processo porta alla formazione di un residuo che prende il nome di digestato che deve essere opportunamente gestito. Le principali biomasse utilizzabili per la digestione anaerobica sono le seguenti: liquami zootecnici; deiezioni animali; residui colturali; colture non alimentari ad uso energetico; scarti organici ed acque reflue dell agroindustria. C/N<30 La DA viene considerata con molto interesse perché offre una soluzione al trattamento dei reflui zootecnici e perché, grazie alla produzione di biogas, risulta redditizia in quanto permette la produzione di energia con incentivi da parte dello Stato. I reflui zootecnici hanno però un potenziale energetico basso, pertanto ad essi vengono aggiunti biomasse vegetali, quali ad esempio gli insilati Tecnologie e processi Le modalità di conduzione del processo sono molteplici. I processi possono essere classificati in funzione di diversi fattori, quali il numero di fasi (monostadio-bistadio), la continuità del processo (continuo - in batch), il regime di temperatura (psicrofilo-mesofilo-termofilo), il contenuto di sostanza secca della miscela in ingresso (ad umido, a secco, a semisecco). I processi ad umido, rispetto ai processi a secco, presentano lo svantaggio di dover far uso di volumi di acqua; i tempi di ritenzione del materiale possono risultare non omogenei e ridotti. I processi a secco hanno il vantaggio di richiedere un minore pre-trattamento, di utilizzare volumi dei reattori più contenuti rispetto alle tecnologie ad umido, di necessitare di un ridotto utilizzo di acqua per la diluizione e per le acque di supero (che devono essere avviate a trattamento di depurazione). I processi condotti in termofilia presentano maggiori vantaggi sul fronte dell efficienza produttiva e del controllo di eventuale carica microbica patogena nel digestato, presentano però una maggiore criticità gestionale e richiedono maggiori competenze per un corretto funzionamento Controllo del processo Il controllo del processo di DA risulta fondamentale per garantire condizioni operative ottimali, poichè l attività dei microrganismi metanigeni risulta molto sensibile alle variazioni ambientali del mezzo di reazione. I parametri maggiormente utilizzati per il monitoraggio del processo sono la temperatura, il ph, l alcalinità, gli acidi grassi volatili, la quantità e la composizione del 15

19 biogas. E quindi indispensabile disporre della strumentazione di controllo che registri i parametri del processo per monitorarne l andamento nel tempo Il Biogas L'obiettivo della DA è quello di massimizzare la produzione di biogas, ricco in metano (in percentuale tra 45-65%), da utilizzare per produrre energia. Per ottenere ciò si cerca di ottimizzare il processo sia utilizzando opportune miscele di materiali in ingresso, sia con soluzioni gestionali che favoriscano i batteri metanigeni. Dopo aver subito opportuni trattamenti di deumidificazione e di desolforazione al fine di preservare tubazioni ed apparecchiature per il recupero energetico da possibili danni, il bio-gas può essere trasformato in: sola energia termica, mediante combustione diretta in caldaia; energia elettrica, attraverso la combustione in motori azionanti gruppi elettrogeni; produzione combinata di energia elettrica ed energia termica, attraverso la combustione in cogeneratori; Bio-metano attraverso la trasformazione in metano Digestato Uno dei principali problemi della DA è rappresentato dal digestato, il materiale che residua dal processo, contenente un non trascurabile carico azotato che deve essere correttamente gestito. Al termine del processo anaerobico può essere prevista un'operazione di disidratazione del digestato, effettuata tramite presse a vite, nastropresse o centrifughe, che porta alla formazione di una frazione solida e di una liquida. La frazione solida può essere avviata a compostaggio in sito oppure utilizzata in agricoltura in qualità di effluente zootecnico. Se si ricorre allo spandimento, si deve valutare la disponibilità di terreni, nel rispetto della normativa vigente (direttiva nitrati DM 07/04/06 e, in Regione Veneto, DGRV 2945/06 e DGRV 2439/07). Le norme stabiliscono che nelle zone definite non vulnerabili il carico di azoto spandibile è al massimo di 340 kg/ha anno e in zone vulnerabili di 170 kg/ha anno. La frazione liquida è solitamente caratterizzata da un certo carico organico e da un contenuto elevato di ammoniaca che comporta l'esigenza di un trattamento di nitrificazione-denitrificazione prima di un eventuale scarico in acque superficiali. E quindi importante effettuare preliminarmente il bilancio dell azoto e considerare la fattibilità della gestione successiva del digestato. Sarebbe auspicabile che gli impianti si dotassero di sistemi per l abbattimento dell azoto nel digestato, oltre ad effettuare analisi sulla sua composizione Possibili modelli di filiera a biogas Secondo lo Studio Probio-Biogas di Veneto Agricoltura, inserito nel Programma Nazionale Biocombustibili, ( in Veneto sono stati individuati i seguenti possibili moduli gestionali per la realizzazione di una di filiera a biogas. - Impianto di digestione anaerobica che impiega scarti agroindustriali e rifiuti generici Ad un impianto a biogas vengono conferiti, in seguito ad un accordo con il gestore dell impianto, gli scarti agro-zootecnici di una o più aziende agricole vicine e/o fanghi di depurazione e FORSU. Il vantaggio economico di questo modello è legato alla riduzione dei costi di smaltimento degli scarti agricoli e dei reflui zootecnici. La diffusione di accordi di questo tipo potrebbe 16

20 generare positive ricadute ambientali, soprattutto nelle aree sensibili al problema dello spargimento dei reflui zootecnici. Per favorire la diffusione di queste filiere occorre prevedere una semplificazione delle procedure amministrative, in modo da facilitare il trasporto della biomassa e la realizzazione di accordi fra i diversi soggetti della filiera. Gli impianti che raccolgono gli scarti possono avere dimensioni superiori a 1 MW di potenza ed essere alimentati con fanghi di depurazione civile, con la frazione organica dei rifiuti solidi urbani e con scarti delle lavorazioni agro-industriali e zootecniche. In Europa sono diffusi numerosi impianti di questo tipo e in molti casi gli stessi agricoltori, in forma associata, si fanno promotori della costruzione dei digestori anaerobici. - Impianto di digestione anaerobica semplificato all interno di un azienda agricola (come previsto dagli art. 31, 32 e 33 del D.Lg n22/97 e DM 05/02/98, punto 15) E la proposta più idonea per le aziende agricole che si pongono l obiettivo di valorizzare gli scarti delle produzioni agricole attraverso la realizzazione di un impianto a biogas con caratteristiche tecniche tali da non prevedere elevati investimenti e non provocare sconvolgimenti nella struttura aziendale. Il modello organizzativo si basa, per esempio, su una modifica delle coperture delle vasche di stoccaggio dei reflui zootecnici o, dove questo non sia possibile, sulla realizzazione di digestori anaerobici di modeste dimensioni. In questo modo, anche se il processo digestivo non è ottimale e i sistemi di coibentazione riducono le rese dell impianto, l agricoltore è in grado di migliorare la gestione dei reflui zootecnici e di differenziare la produzione agricola. L energia elettrica prodotta da impianti di piccola taglia (da 30 a 100 kw) consente ugualmente la produzione di certificati verdi, garantisce l autosufficienza energetica per l azienda e permette la vendita dell energia in eccesso. - Impianto di digestione anaerobica in azienda Agri-Energetica e Agro-industriale Questo modello implica una forma di specializzazione produttiva da parte dell agricoltore che deve esplicitamente orientare le produzioni agricole verso quelle energetiche. Occorre rifornire correttamente il digestore anaerobico, in modo da massimizzare la produzione di energia, i cui ricavi servono a recuperare gli elevati investimenti iniziali. Per stabilizzare ed aumentare la produzione del biogas si pratica la codigestione dei reflui zootecnici con altri substrati organici, quali le colture energetiche e/o gli scarti industriali. L interesse che spinge gli operatori verso questo modello di filiera è rappresentato principalmente dalla vendita di energia elettrica e termica che, unitamente ad eventuali introiti ricevuti dai produttori del rifiuto organico utilizzato come co-substrato, può portare ad un reddito netto che in alcuni casi supera quello dell attività agricola. La tecnologia disponibile è affidabile, ma molto costosa e richiede la presenza in azienda di personale adeguatamente formato. I rischi principali per l agricoltore sono legati al fatto che la remuneratività dell investimento è sensibile alle variazioni di alcune voci di costo (prezzo dei cereali insilati) e di alcune voci di ricavo (prezzo dell energia elettrica e prezzo dei certificati verdi). La scelta di operare in codigestione, per massimizzare e stabilizzare le rese produttive, porta in molti casi ad un aumento del carico azotato e dei relativi costi per smaltire il digestato in maniera adeguata. Come per gli impianti al primo punto questi impianti che raccolgono gli scarti possono avere dimensioni superiori a 1 MW di potenza ed essere alimentati con fanghi di depurazione civile, con la frazione organica dei rifiuti solidi urbani e con scarti delle lavorazioni agro-industriali e zootecniche. 17