GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE

ENERGIE RINNOVABILI, PULITE E CONVENIENTI:

GASSIFICAZIONE DI BIOMASSE

Gassificazione di biomasse: energia rinnovabile, pulita e conveniente

Biomasse nella storia umana

Per biomassa s‘intende tutta la materia organica, vegetale o animale. Si tratta della fonte energetica più utilizzata nella storia, a cominciare dal cibo per il nostro sostentamento, fino
al legno e all’olio, utilizzati per scaldare, illuminare e forgiare i metalli.
Sono le biomasse vegetali che hanno nutrito gli animali da soma all’origine della forza muscolare che per millenni ha trainato gli aratri e trasportato persone e merci anche da un continente all’altro.
È stato l’eccessivo sfruttamento della biomassa tra le più preziose, il legno, nell’Inghilterra del XVII secolo ad aprire la strada a biomasse legnose fossilizzate nel sottosuolo: il carbone coke. L’espansione della flotta britannica aveva causato il disboscamento dell’isola, che pertanto dovette ricorrere per l’energia a questa alternativa “sporca” e difficile da estrarre*. Da allora è stato un susseguirsi di cicli economici che hanno sfruttato altre fonti fossili, quali il petrolio (apogeo tra l’inizio e la fine del ‘900) e poi il gas naturale, attualmente sempre più diffuso, e attraverso macchine in grado di sfruttarne le potenzialità.
* Nel 1645 circa in Inghilterra, nel Derbyshire, inizia la produzione di coke per essiccare il malto per la birra.

La seconda “rivoluzione industriale”: la rivoluzione pulita è solo rinviata?

Ogni qual volta ci risiano state penurie temporanee di combustibili fossili si è tornati alle biomasse come alternativa. Un esempio è l’autarchia italiana degli anni ’30-’40, quando la scarsità di carbone –di produzione tedesca, oltretutto massicciamente dirottato per usi bellici- portò nel nostro paese a soluzioni ingegnose per l’uso delle biomasse applicate alle tecnologie più moderne. Un esempio emblematico è quello delle “corriere a legna”, dotate gassificatori a legna, da cui si estraeva gas per alimentare il motore a scoppio al posto della benzina. I primi esperimenti di questa tecnologia, detta pirolisi, erano stati condotti nel XIX secolo in conseguenza della diffusione di lampade a gas. Si era riusciti a produrre gas di sintesi -detto appunto syngas- sia da carbon fossile che da biomasse; il secondo processo risultava molto più pulito, sebbene anche il syngas da carbone sia un combustibile nettamente più ecologico del coke da cui deriva.
Il primo esperimento di gassificazione accoppiata con un motore ad accensione comandata si ebbe nel 1881, e dopo lo scoppio della Seconda Guerra Mondiale, con la conseguente irreperibilita’ di combustibili liquidi, la ricerca si spostò radicalmente su soluzioni alternative quali la gassificazione (che a differenza della pirolisi vera e propria avviene in presenza di ossigeno).
Questa tecnologia era una delle tante promesse della “rivoluzione mancata” di un secolo fa, quando si profilava il declino del carbone. Nel 1893 ad esempio Rudolf Diesel mette a punto l’omonimo motore, sviluppato per utilizzare oli vegetali. Sarà la Standard Oil di Rockfeller ad imporre la conversione di questo motore all’uso di scarti inquinanti e di bassa qualità derivati della raffinazione della benzina: gasolio e nafta*. Nel 1886, appena un anno dopo la messa a punto motore del motore a benzina di Daimler viene realizzato il primo veicolo a propulsione elettrica con velocità di 13km/h, e già nel 1897 a Londra viene istituito dalla Electric Cab Company un regolare servizio di trasporto urbano con auto elettriche.
Negli stessi anni molti intellettuali prevedevano un futuro basato sull’idroelettrico, definito nel 1913 dallo scozzese Patrick Geddes come il “carbone bianco” simbolo di una nuova civiltà tecnologia pulita, contrapponendo il virtuoso caso della Norvegia idroelettrica (la “neo-tecnica”) all’inquinatissima e fuligginosa Inghilterra del coke (la “paleo-tecnica”)**.
Nel 1904 Larderello, in Toscana, la prima centrale geotermica che produce energia elettrica sfruttando i soffioni boraciferi***.
Nello stesso anno il fisico Julius Elster inventa la cellula fotoelettrica, in grado di produrre una corrente elettrica dalla luce solare, e l’anno dopo, nel 1905, Albert Einstein spiega la natura fisica di questo fenomeno, alla base della tecnologia solare fotovoltaica****. Negli anni ’30 fu realizzato il primo trattore a celle a combustibile ad idrogeno*****, e in quegli anni si diffondevano nel midwest americano piccole turbine eoliche per la produzione autonoma di energia elettrica, macchine divenute caratteristiche del paesaggio agreste americano.
L’aver riversato sul mercato -statunitense prima e mondiale poi- immense quantità di petrolio a bassissimo costo è paragonabile ad un pusher della droga che diffonde la sua “merce” a prezzo bassissimo o ne regala delle dosi per creare dipendenza. Quando la dipendenza è stabilità, soprattutto dopo aver strutturato un intero sistema industriale e di mobilità in funzione del petrolio, cambiare sistema appare costosissimo e difficilissimo.
La seconda rivoluzione industriale, quella dell’elettricità e dei veicoli su gomma, è stata dunque una rivoluzione mancata. Il mondo si è nutrito di petrolio, ma ora è più che evidente che questa sbornia di energia ad alto inquinamento è in rapidissimo declino, per la scarsità della materia prima, l’impennata dei costi e il degrado ambientale globale che causa. Si tratta di una brevissima parentesi in una storia umana pluri-millenaria caratterizzata dall’uso di energie rinnovabili, e tra esse in primis le biomasse: il secolo del petrolio, confrontato ai 10.000 anni trascorsi dalla nascita della civiltà con la rivoluzione agricola, rappresenta appena l’1% della nostra storia.

* La prima caldaia a tubi per la raffinazione del petrolio viene realizzata nelgi USA nel 1913.
**Il primo impianto idroelettrico viene inaugurato ad Appleton, nel Wisconsin, nel 1881
***E’ a Larderello in Toscana e non in Islanda, tradizionale paese geotermico, che si è per la prima volta sfruttato il calore terrestre per produrre elettricità. Avvenne nel 1904 ad opera del Principe Piero Ginori Conti, mentre il primo vero impianto geotermoelettrico commerciale da 250 kW fu installato nel 1913. Larderello rappresenta ancora oggi il “cavallo di battaglia geotermico” dell’ENEL ed a fine 2006, la potenza installata è stata di 810,5 MW, che rappresentano l’1,7% di tutta l’elettricità prodotta in Italia in quell’anno ed il 25% del consumo in Toscana, pari all’energia richiesta da 2,5 milioni di famiglie.
Da Luca Ottenziali, Energia dal cuore caldo della Terra, su: http://www.ugis.it/a010508-larderello.html
**** È curioso notare che nello stesso anno egli pubblicò la “Relatività speciale”, ma il Nobel lo ottenne per il lavoro sul fotoelettrico nel 1921.
*****La prima elettrolisi dell’acqua con separazione di idrogeno ed ossigeno era stata realizzata già nell’anno 1800dai fisici inglesi William Nicholson e Anthony Carline, ad appena un anno dalla prima pila di Volta

Biomasse: rinnovabili, ecocompatibili, abbondanti

Le biomasse in particolare sono energia solare concentrata, poiché la fotosintesi fissa l’energia del sole in legami chimici.
Pertanto le biomasse, in quanto derivate dell’energia solare, sono una fonte rinnovabile. Le biomasse poi non hanno il problema dell’immagazzinamento energetico, che invece è notevole eolico e solare, poiché queste ultime fonti non sono ne continue ne immagazzinabili (per questo si attende la prossima rivoluzione dell’idrogeno, utilizzabile come “magazzino energetico”).
Ci sono moltissimi modi di utilizzare le biomasse. Certo quello meno etico, e di prospettive più limitate, è il ricorso a sostanze alimentari: in tal modo per produrre un pieno di carburante di un suv si utilizza il mais sufficiente a sfamare una famiglia per un anno.
Un’alternativa più conveniente, intelligente, sostenibile e soprattutto etica, è lo sfruttamento della biomassa “di scarto”. Per i nostri nonni trattare come rifiuto, cioè buttare, ramaglie di potatura sarebbe stata un’incomprensibile assurdità, ed effettivamente lo è. Anche un ramo tagliato, o della paglia, o altro “scarti” agricoli hanno un elevato contenuto energetico. Inoltre quando essi bruciano riemettono in atmosfera la stessa quantità di anidride carbonica che hanno assorbito durante la loro crescita, quindi hanno impatto zero sull’effetto serra e sul riscaldamento globale.
Certo la scelta delle tecnologie permette comunque di ridurre ulteriormente l’impatto ambientale, pur limitatissimo, e di rendere sfruttabile una frazione via via maggiore di questa energia, aumentando l’efficienza del processo.
Il sistema meno efficiente e più inquinante è certamente il caminetto: si producono fumi e polveri, e solo una piccola frazione dell’energia viene utilizzata per scaldare, mentre la maggior parte di essa fugge attraverso il camino.
Un po’ migliore è il termocamino, che almeno incanala una quota dell’energia nel sistema termoidraulico della casa.
Ancora migliori sono le stufe a pellet, che bruciano biomasse per sfruttarne il calore con migliore efficienza nell’impianto di riscaldamento e dell’acqua sanitaria.
Con le biomasse si può anche produrre elettricità, la forma più preziosa, pregiata e flessibile di energia.

La gassificazione per la produzione di energia elettrica

Il sistema più semplice per produrre energia elettrica da biomasse consiste nel bruciare biomassa per scaldare dell’acqua, che divenuta vapore muove una turbina: si tratta del principio delle centrali termoelettriche. Questo principio è abbondantemente utilizzato, su grandissima scala (centrali da pochi Megawatt fino a qualche migliaio di Megawatt) anche ricorrendo a combustibili fossili: turbogas (con metano), a oli combustibili (con oli pesanti da petrolio) e carbone. Sostituire i combustibili fossili con biomasse non solo permette di azzerare il bilancio delle emissioni di CO2, ma abbatte anche le emissioni di ossidi di zolfo, primi responsabili delle piogge acide, e di numerose altre sostanze nocive che non sono presenti nelle biomasse.
Un sistema alternativo, più raffinato e razionale è la gassificazione delle biomasse. Infatti la gassificazione si basa sullo sfruttamento dell’energia chimica delle biomasse in due distinte fasi.
Nella prima, la pirolisi, si rompono i legami chimici delle biomasse solide, ma l’assenza di ossigeno ne impedisce la combustione. Così una piccola parte di biomassa resta sul fondo sottoforma di cenere finissima, mentre una notevole quantità si trasforma in una miscela di gas combustibili, la cui energia deriva da idrogeno, metano e CO. Questo gas “chiaro” viene comunque filtrato per sicurezza e quindi immesso in gruppi elettrogeni che lo utilizzano come combustibile pulito per la produzione di energia elettrica.
Si tratta di un fenomeno che avviene in piccola parte anche nel caminetto, ma in genere inosservato. Mentre infatti la superficie esterna del tronchetto di legno brucia, grazie al contatto con l’ossigeno atmosferico, all’interno della massa legnosa comunque si propaga il calore della combustione. L’interno del legno però non è a contatto con l’aria, pertanto non avviene combustione, così il calore fa “gassificare” la cellulosa. Man mano che il legno brucia all’esterno al suo interno si creano vere sacche di gas. Man mano che la combustione esterna “divora” il legno, ecco che si libera il gas che produce fiammelle azzurre, tali da spiccare tra fiamme gialle e rosse della combustione dal legna. È infatti una combustione piuttosto simile a quella del gas da cucina, con fiamma azzurrognola, senza fumi ne fuliggine.
In un impianto di gassificazione il calore necessario alla pirolisi proviene dalla combustione di una piccola quantità di biomassa all’interno del gassificatore, introducendo quantità limitate e controllate di aria, e con essa di ossigeno.
La biomassa utilizzata è in forma di cippato di dimensioni adeguate al tipo di impianto.
Le emissioni di queste centrali sono molto simili a quelle prodotte dalla respirazione animale ed umana: vapore acqueo, anidride carbonica (meno di quella assorbita dalle piante durante la crescita, poiché una parte è nella cenere sul fondo del gassificatore) e calore. Le polveri, emesse in gran quantità dai caminetti e dai falò, sono praticamente assenti (circa l’1% di quanto consentito dai severi standard ambientali europei Euro5) anche in assenza di catalizzatore, così come sono assenti i composti dello zolfo, che invece abbondano negli idocarburi e in particolare nel carbon fossile.

Impianto di produzione di energia elettrica mediante gassificazione di biomasse – cortesia

Anche se l’uso della gassificazione delle biomasse per la produzione di energia elettrica è tra i processi più puliti ed efficienti, è comunque possibile migliorarne ulteriormente l’efficienza con lo sfruttamento del calore residuo per riscaldamento ed acqua calda sanitaria: la co-generazione con teleriscaldamento.
Infatti in ogni impianto una frazione non trascurabile di energia andrebbe persa sotto forma di calore (addirittura anche nelle auto con i motori più efficienti l’energia perduta come calore e attriti è di circa il 70%). In questo caso la maggior parte del calore può essere recuperato per scaldare dell’acqua, e l’impianto si definisce di co-generazione, ossia produzione combinata di elettricità e calore.
In tal modo, oltre alla produzione di elettricità da fonte rinnovabile, si abbattono anche gli inquinanti dovuti alle caldaie domestiche –nel migliore dei casi alimentate a metano, combustibile fossile comunque inquinante, pericoloso e sempre più costoso e scarso. Al contempo si riduce l’uso dei caminetti, tradizionali si ma notevolmente inquinanti e inefficienti. In tal modo, oltre alle ricadute positive per l’ecosistema si hanno anche potenziali ricadute economiche positive per le comunità locali, che possono disporre di riscaldamento e acqua sanitaria a buon prezzo. Gli attuali sistemi elettronici di contabilizzazione del calore permettono di calcolare bollette precise per i rispettivi consumi, premiando i più virtuosi ed evitando così che gli sprechi vengano pagati dalla collettività e così di fatto incoraggiati.

Diffusione degli impianti di gassificazione: verso un “internet dell’energia”

Attualmente nel mondo esistono più di un migliaio di impianti di gassificazione a biomasse.
Nella sola India ne esistono circa 800, che hanno permesso di elettrificare molti villaggi rurali col sistema “ad isola”, cioè mediante autoproduzione locale anziché attraverso il collegamento alla rete nazionale con costosi e interminabili elettrodotti. Tali impianti vanno da poche decine di kilowatt nei villaggi indiani a qualche megawatt in Europa, dove la necessità di utilizzare gruppi elettrogeni Euro5 rende convenienti impianti di taglia maggiore perché più sofisticati, oltre che completamente automatizzati e dotati di tutte le misure di sicurezza richieste dalle stringenti normative ambientali europee.
In Italia sono in funzione almeno nove impianti, mentre molti altri sono in progetto, di cui almeno uno in Abruzzo con potenza di 4MW.
Le normative in materia di fonti rinnovabili, e in particolare la finanziaria per il 2008, favoriscono gli impianti di piccola taglia, siano essi eolici, a biomasse o fotovoltaici. Il fine del legislatore è creare una rete di impianti in grado di sostenere i consumi energetici su scala locale, e ancor più sono favorite le biomasse cosiddette “da filiera corta”, cioè provenienti da distanze non superiori ai 70km. Queste permettono di incrementare i redditi agricoli delle comunità locali e riducono gli annessi consumi ed inquinamento per i trasporti. La produzione di energia distribuita serve a bilanciare lo squilibrato rapporto produttore-consumatore, che si struttura in poche grandi centrali –che nessuno più vuole nei propri territori- al servizio di decine di migliaia e a volte di milioni di consumatori. Inoltre il sistema di produzione concentrata, cresciuto abnormemente dopo la nazionalizzazione dell’elettricità del 1962 che ha portato alla chiusura di moltissimi piccoli impianti locali, presenta il problema della distribuzione: grandi e costosi elettrodotti, per giunta impattanti sul piano paesaggistico e soprattutto elettromagnetico, causa di pesanti perdite di energia, e unidirezionali, ossia funzionanti “a senso unico” dalle centrali alle utenze. Una produzione “a rete distribuita” invece permette di utilizzare appieno le reti esistenti, anche “a doppio senso” con scambio di energia tra varie zone del territorio alimentate dalle varie fonti rinnovabili. È quello che Jeremy Rifkin definisce un “internet dell’energia”, in grado secondo lui di portare la vera democrazia poiché i cittadini e le comunità locali sarebbero anche responsabili della produzione e dello scambio dell’energia, capovolgendo l’attuale gerarchia produttore-consumatore.

Arch. Alessandro Tursi VAI ALL’ARTICOLO DELLO STESSO AUTORE

alessandro.tursi@hyle.eu
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Gassificatore da 200KW- Brandeburgo, Germania, Cortesia Caema/Ankur