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Biomassa
Per biomassa si intende la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acquacoltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. Questa è la formulazione prevista dalla Direttiva Europea 2009/28/CE ripresa da tutta la legislazione ad essa riferente.
Le biomasse naturali ed i rifiuti post-consumo possono essere convertite in energia attraverso processi biologici o termochimici.
La coscienza civile pone sempre maggiore attenzione alle problematiche di protezione della salute umana e dell’ambiente, e mette l’industria sotto un esame continuo e sempre più rigoroso. Questa crescente sensibilità ambientale ha prodotto una serie di risultati positivi: i vecchi impianti di incenerimento, caratterizzati da emissioni intollerabilmente elevate, sono stati chiusi; tutte le fasi della gestione dei rifiuti sono oggi regolate da normative severe e specifiche: l’apertura e la gestione di discariche può avvenire solo a valle di analisi e studi accurati e deve soddisfare criteri di compatibilità ambientale ristrettissimi. I moderni impianti di recupero di energia devono rispettare limiti di emissione molto bassi, in diversi casi prossimi ai limiti di sensibilità degli strumenti di analisi esistenti.
I sistemi di combustione di biomasse sono da anni impiegati nell’industria di processo per la produzione di energia termica ed elettrica: l’efficienza netta di produzione di energia elettrica è di solito abbastanza bassa, intorno al 20%.
Tra le tecnologie di termovalorizzazione quelle di gassificazione hanno le maggiori potenzialità per costituire a breve-medio termine un’alternativa concreta alla termovalorizzazione convenzionale. La gassificazione è una tecnologia consolidata e molto diffusa per il recupero di materia ed energia da rifiuti e biomasse.
Gassificatore
La gassificazione si sviluppa attraverso un insieme di processi termici e reazioni chimiche tra la biomassa ed uno o più reagenti contenenti ossigeno in quantitativi inferiori rispetto a quelli necessari per la combustione stechiometrica. L’ambiente è riducente anziché ossidante. Le temperature sono tipicamente superiori agli 800°C. Il gas prodotto (syngas) è essenzialmente una miscela di monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2) con azoto (N2).
Attualmente esistono quattro tipi di gassificatori disponibili per usi commerciali: a letto fisso contro-corrente, a letto fisso equi-corrente, a letto fluido e a letto trascinato.
Consiste in un letto fisso costituito dal combustibile attraverso il quale si fa passare il flusso di gassificante (vapore, ossigeno e/o aria) contro-corrente. Le ceneri vengono rimosse anidre o sotto forma di scoria fusa. I gassificatori che producono scoria necessitano di un maggiore rapporto di vapore e ossigeno rispetto al carbonio per raggiungere temperature superiori a quella di fusione delle ceneri. Il combustibile utilizzato deve possedere elevata resistenza meccanica e non deve avere tendenza a rapprendersi, in modo da formare un ottimale letto permeabile. Recenti sviluppi hanno comunque ridotto queste restrizioni ad alcuni casi particolari. La produttività di questo genere di gassificatori è relativamente bassa e il gas prodotto necessita di essere purificato prima dell'uso o riciclato nel reattore.
E' simile a quello fisso contro-corrente, ma il flusso di gassificante viene immesso in equi-corrente verso il basso col combustibile. È necessario riscaldare la parte superiore del letto bruciando piccole quantità di combustibile oppure utilizzando una fonte di calore esterna. L'efficienza energetica è paragonabile a quella del gassificatore in controcorrente. Dato che in questo genere di impianto il catrame prodotto deve passare attraverso un letto caldo di carbone, il gas prodotto è più pulito di quello ottenuto in controcorrente.
Utilizza un inerte (sabbia silicea) come materiale che costituisce oltre il 98-99% del totale in massa del letto, mentre il restante 1-2% è costituito dal combustibile. Grazie alla continua agitazione del materiale del letto i coefficienti di scambio termico sono molto elevati così che il letto agisce da vettore termico che fornisce calore al combustibile da degradare. Anche la miscelazione tra combustibile solido e agente gassificante è particolarmente buona ed induce elevati coefficienti di trasferimento di materia che rendono il contatto solido-gas particolarmente efficiente e garantiscono a questi reattori una buona flessibilità operativa sulle caratteristiche del combustibile in ingresso. I gassificatori accettano combustibili di forma diversa (fluff, pellets, granuli, fibre) e con un grado di umidità anche del 25-30% (valori maggiori implicano una riduzione del potere calorifico del gas e della temperatura di uscita dello stesso che potrebbe renderne difficile l’impiego a scopi energetici). La dimensione del combustibile ha un ruolo critico: materiale troppo fine (sotto i 0.05mm) può essere trascinato con il syngas e solo parzialmente recuperato; materiale eccessivamente grossolano tende a muovere verso il fondo del reattore e ad avere quindi una cattiva conversione. Le temperature di esercizio sono generalmente sotto i 900°C e comunque inferiori al punto di rammollimento delle ceneri, in quanto la loro fusione porta inevitabilmente alla formazione di agglomerati ed al conseguente degrado della qualità della fluidizzazione, fino al rischio di blocco del processo. Le temperature relativamente basse indicano il letto fluido come un reattore adatto per combustibili molto reattivi, come le biomasse e rifiuti pre-trattati. Per i motivi sopra elencati la gassificazione attraverso reattori a letto fluido riduce i problemi relativi alle ceneri, grazie alla possibilità di operare a temperature più basse, che riducono anche il rischio che elementi inorganici, quali il sodio e il potassio, volatilizzino e si ritrovino nel syngas peggiorandone la qualità.
La gassificazione viene realizzata utilizzando reagenti nebulizzati e ossigeno (meno frequentemente aria) in regime di equi-corrente. Le alte temperature (superiori a 2000 °C) e pressioni caratteristiche di questa tecnologia le conferiscono una maggiore produttività, però l'efficienza termica è alquanto inferiore e il gas deve essere raffreddato prima di essere sottoposto a pulizia. Alle temperature di esercizio i catrami e il metano non sono presenti nel gas prodotto; però la quantità di ossigeno necessaria è superiore rispetto agli altri tipi di gassificatore. Tutti i gassificatori a letto trascinato rimuovono la maggior parte delle ceneri sotto forma di scoria fusa.
Abbiamo sviluppato criteri di progettazione affidabili per i vari tipi di gassificatori ed un rilevante ammontare di dati sulle loro prestazioni. L’attenzione verso la gassificazione è legata ad una serie di vantaggi, legati alla possibilità di combinare il tipo di rifiuto combustibile e quello di agente gassificante, le condizioni di esercizio e le caratteristiche dello specifico reattore per ottenere un gas che può essere impiegato in differenti applicazioni finali.
Vantaggi
I principali di questi vantaggi sono:
  • La buona flessibilità sul combustibile in ingresso: in pratica tutti i materiali a base di carbonio (carbone, biomasse, rifiuti urbani e speciali, combustibili derivati da rifiuti10, gas naturale) possono essere gassificati dopo un’accurata preparazione; sono quindi progettabili anche processi di co-gassificazione che allargano il campo dei possibili scenari di utilizzo della tecnologia.
  • Le diverse alternative di impiego dei prodotti in uscita: il gas prodotto può essere impiegato in diverse applicazioni: come vettore energetico (che consente di produrre energia anche in tempi e luoghi diversi da quelli di produzione, con efficienze diverse in base al dispositivo utilizzato) o come punto di partenza per la sintesi di diversi prodotti chimici (da idrogeno a metanolo, ammoniaca, combustibili liquidi, ecc.);
  • La possibilità di utilizzare il gas prodotto come combustibile per l’ alimentazione di un motore alternativo a combustione interna viste le elevate efficienze di generazione di energia elettrica: già oggi si arriva ad oltre il 30%, rispetto al 20-27% tipico dei sistemi di combustione.
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