Assieme al sole, al vento, alla forza idrica e al calore terrestre, la biomassa fa parte delle energie rinnovabili. In base ai parametri temporali umani, queste energie sono conservate dal ciclo della natura e sono quindi inesauribili.

In ogni materiale organico come piante, legname e tutti gli esseri viventi è immagazzinata preziosa energia – la cosiddetta biomassa. Si prestano alla produzione di energia i rifiuti o i residui.

La biomassa può però anche essere coltivata appositamente per la produzione di energia, sotto forma di legname, canna cinese, sementi oleose, granoturco, cereali, colza, ecc. Lo sfruttamento energetico di rifiuti organici ha priorità rispetto alle coltivazioni di biomassa, poichè rappresenta contemporaneamente uno smaltimento sensato dei rifiuti.

La biomassa si suddivide in:

1. Materie prime rinnovabili

• sono utilizzate quale combustibile specie vegetali che crescono rapidamente o colture energetiche coltivate appositamente

• da barbabietole da zucchero, cereali o patate si estrae alcool biologico (etanolo); dalla frutta oleosa si ricavano oli o diesel biologici, vettori energetici liquidi utilizzati quali lubrificanti o carburanti.

2. Residui organici

Sono prodotti dall'agricoltura, dalla silvicoltura e dalla pesca, dall'industria e dalle economie domestiche; i principali materiali per produrre biogas sono:

• rifiuti e cascami legnosi

• paglia, erba e fogliame

• fanghi di depurazione

• rifiuti domestici organici

Fondamenti & fisica

In linea di principio, vi sono due modi in cui si forma calore e quindi energia utilizzabile per produrre elettricità: la combustione del legno e il processo di fermentazione

Combustione del legno

La combustione del legno avviene in tre fasi: il materiale è dapprima essiccato a temperature fino a circa 150°C, di modo che l'acqua contenuta nel legno evapori. Successivamente, tra 150 e 600°C si verifica la cosiddetta pirolisi - la decomposizione termica. Durante questa fase, il legno libera dei composti gassosi e resta il carbone di legna. Tra 400 e 1.300°C ha infine luogo il vero e proprio processo di combustione (ossidazione), mediante l'apporto di aria (ossigeno). Solo a questo punto si libera energia.

Processo di fermentazione

Il recipiente di fermentazione, detto anche fermentatore o digestore, è il cuore degli impianti a biogas. È qui che ha luogo anche il vero e proprio processo del biogas, durante il quale innumerevoli batteri decompongono le sostanze organiche facilmente degradabili del materiale di partenza (substrato), liberando il biogas desiderato.

Nell'agricoltura, nel corso del tempo sono stati sviluppati vari tipi di impianti per la fermentazione.La forma più semplice sfrutta il processo per accumulazione: il liquame è prelevato dal fermentatore isolato, riscaldato e agitato. Fino al completo riempimento, l'impianto a biogas è utilizzato quale deposito. Una volta raggiunto lo sfioratore, il liquame marcito passa nel recipiente di postfermentazione: l'impianto a biogas diventa così un impianto di travaso.

Uno dei principali svantaggi è costituito dal fatto che la composizione e la quantità del gas non sono costanti. Il metodo più diffuso è però il processo continuo. Il fermentatore è sempre pieno e serve solo alla fermentazione. La quantità esatta di substrato introdotta nel fermentatore fuoriesce dall'altro lato ed entra nel deposito. Lo svantaggio di questo metodo è che il fermentatore non è utilizzabile anche quale deposito per il liquame.

Legno

Per millenni, il legno è stato una delle poche energie sfruttate attivamente dall'uomo. A partire dalla rivoluzione industriale, però, le energie fossili – dapprima il carbone, poi il petrolio e il gas naturale – nonché l'elettricità hanno assunto sempre più importanza, mentre la produzione di energia a partire da biomassa è diventata quasi insignificante. Le recenti discussioni sui problemi ambientali globali e sulla penuria di risorse hanno riportato i vettori energetici indigeni, rinnovabili e neutrali per il bilancio del CO₂ sempre più al centro dell'attenzione nell'ambito della politica energetica. Un'importante premessa per incentivare l'utilizzazione dell'energia del legno è una tecnica che consenta una combustione del legno comoda, efficiente e rispettosa dell'ambiente.

Negli ultimi si è assistito a un'importante spinta innovativa, grazie alle disposizioni contro l'inquinamento atmosferico. Riscaldamenti a legna moderni, impiegati correttamente, raggiungono elevati gradi di rendimento con poche emissioni. Esiste un'ampia gamma di moderni riscaldamenti a legna, che va dal camino chiuso alla grande caldaia automatica con rete di riscaldamento a distanza e cogenerazione forza-calore. La scelta del sistema dipende soprattutto dal fabbisogno di potenza termica. Entrano però in gioco anche altri fattori, come le condizioni di spazio, le esigenze di comfort e le condizioni di approvvigionamento.

Effetto serra, dipendenza dall'estero, spreco, risorse limitate, sono problemi molto discussi della nostra politica energetica. Nell'ambito di questa discussione, le energie rinnovabili, lo sviluppo sostenibile e la compatibilità con le esigenze del futuro assumono grande importanza. Di tutte le "nuove" energie rinnovabili, nei prossimi anni sarà il legno a poter fornire il maggior contributo a un approvvigionamento energetico durevole. Ciò è importante anche sullo sfondo dell'inquinamento atmosferico. Il legno non solo è neutrale sul bilancio del CO₂, ma è vantaggioso ad esempio anche per quanto riguarda le emissioni di diossido di zolfo.

Biogas

Sono vari i metodi che consentono di produrre elettricità partendo dalla biomassa. Al termine della catena vi è sempre un processo di combustione.

Una minima parte della biomassa può essere bruciata direttamente (escluso il legno). Spesso prima sono necessari processi fisici, come la compressione, la frantumazione o la pressatura, per ottenere un prodotto intermedio immagazzinabile, che possa essere trasformato ulteriormente o bruciato direttamente. Un'alternativa al processo chimico è la fermentazione della biomassa mediante batteri in un fermentatore o digestore senza apporto di aria. Questa procedura biologica presenta molti vantaggi: gli impianti di depurazione e incenerimento dei rifiuti sono alleggeriti, i problemi di odore risolti ed è prodotto prezioso biogas, che può essere trasformato in calore ed elettricità mediante impianti di cogenerazione forza-calore. Con la fermentazione, da una tonnellata di biomassa si ottengono da 70 a 150 m³ di biogas, a seconda del materiale di partenza, con cui un impianto di cogenerazione può produrre circa 190 kWh di elettricità.

Un'importante fonte di biomassa utilizzabile per scopi energetici sono i nostri rifiuti giornalieri. Resti di alimenti in cucina e nella ristorazione, rifiuti vegetali domestici o prodotti dal giardinaggio e dalla cura del paesaggio, concimi aziendali (letame, liquame), fango digerito di impianti di depurazione dell'acqua e acque di scarico dell'industria possono essere fatti fermentare tramite processi anaerobici (e cioè senza apporto di ossigeno) in appositi impianti.

Impianti a gas di compostaggio (soluzione industriale)

Negli impianti a gas di compostaggio, rifiuti organici sono fatti fermentare tramite una procedura termofila (e cioè in ambiente caldo, ad esempio mediante batteri). Si forma così biogas, trasformato poi in elettricità, calore o carburante.

Vantaggi

• Riutilizzazione di rifiuti organici

• Riduzione della quantità di rifiuti domestici

• Nessun odore supplementare

• Produzione di compost e concimi liquidi

• Produzione e vendita di elettricità e calore a distanza senza emissioni di CO₂

Con l'energia di 1 kg di biomassa:

• un ferro da stiro (1 000 W) è scaldato per circa 10 minuti

• un televisore (80 W) funziona per circa 1 ora e 45 minuti

• una lampadina (60 W) resta accesa per circa 2 ore e 20 minuti

• un'automobile percorre 1 chilometro senza emissioni di CO₂

Quadro sintetico della tecnologia e degli impianti

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 e dei materiali fossili, che, pur rientrando nella chimica del carbonio, non hanno nulla a che vedere con la caratterizzazione che qui interessa dei materiali organici. La biomassa rappresenta la forma più sofisticata di accumulo dell’energia solare. Questa, infatti, consente alle piante di convertire la CO₂ atmosferica in materia organica, tramite il processo di fotosintesi, durante la loro crescita. La biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici che possono essere utilizzati direttamente come combustibili ovvero trasformati in altre sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile utilizzo negli impianti di conversione. Altre forme di biomassa possono, inoltre, essere costituite dai residui delle coltivazioni destinate all’alimentazione umana o animale (paglia) o piante espressamente coltivate per scopi energetici. Le più importanti tipologie di biomassa sono residui forestali, scarti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura, etc.) scarti delle aziende zootecniche, gli scarti mercatali, ed i rifiuti solidi urbani.

Ad oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo.

Applicazioni

I processi di conversione biochimica permettono di ricavare energia per reazione chimica dovuta al contributo di enzimi, funghi e micro-organismi, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni. Risultano idonei alla conversione biochimica le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione, nonché la biomassa eterogenea immagazzinata nelle discariche controllate.

I processi di conversione termochimica sono basati sull'azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi. 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.

Tra le varie tecnologie di conversione energetica delle biomasse alcune possono considerarsi giunte ad un livello di sviluppo tale da consentirne l’utilizzazione su scala industriale, altre necessitano invece di ulteriore sperimentazione al fine di aumentare i rendimenti e ridurre i costi di conversione energetica. Le tecnologie attualmente disponibili sono sinteticamente:

• combustione diretta
• carbonizzazione
• pirolisi
• massificazione
• la digestione anaerobica (in assenza di ossigeno)
• digestione aerobica (in presenza di ossigeno)
• fermentazione alcolica
• estrazione di olii e produzione di biodiesel
• steam explosion

La digestione anaerobica, processo di conversione di tipo biochimico, avviene in assenza di ossigeno e consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, che produce un gas (biogas) costituito per il 50÷70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO₂ ed avente un potere calorifico medio dell'ordine di 23.000 kJ/Nm³. Il biogas così prodotto viene raccolto, essiccato, compresso ed immagazzinato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas per produrre calore o motori a combustione interna (adattati allo scopo a partire da motori navali a basso numero di giri) per produrre energia elettrica.

Al termine del processo di fermentazione nell'effluente si conservano integri i principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella materia prima, favorendo così la mineralizzazione dell'azoto organico; l'effluente risulta in tal modo un ottimo fertilizzante. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante residui ad alto contenuto di umidità, quali le deiezioni animali, i reflui civili, i rifiuti alimentari e la frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Tuttavia, anche in discariche opportunamente attrezzate per la raccolta del biogas sviluppato, solo il 40% circa del gas generato può essere raccolto, mentre la rimanente parte viene dispersa in atmosfera: poiché il metano, di cui è in gran parte costituito il biogas, è un gas serra con un effetto circa venti volte superiore a quello della CO₂ le emissioni in atmosfera di biogas non sono desiderabili; quando invece la decomposizione dei rifiuti organici è ottenuta mediante digestione anaerobica nei digestori (chiusi) degli appositi impianti, quasi tutto il gas prodotto viene raccolto ed usato come combustibile.

Il processo di digestione aerobica consiste nella metabolizzazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO₂ e H₂O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto può essere così trasferito all’esterno, mediante scambiatori a fluido.

La fermentazione alcoolica è un processo di tipo micro-aerofilo che opera la trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in etanolo. L’etanolo risulta un prodotto utilizzabile anche nei motori a combustione interna normalmente di tipo “dual fuel”, come riconosciuto fin dall’inizio della storia automobilistica. Se, però, l’iniziale ampia disponibilità ed il basso costo degli idrocarburi avevano impedito di affermare in modo molto rapido l’uso di essi come combustibili, dopo lo shock petrolifero del 1973 sono stati studiati numerosi altri prodotti per sostituire il carburante delle automobili (benzina e gasolio); oggi, tra questi prodotti alternativi, quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni è proprio l’etanolo.

La carbonizzazione è un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle carbonaie, all’aperto, o in storte, che offrono una maggior resa in carbone.

Il processo di gassificazione (foto a lato, per concessione del gruppo Marcegalia), consiste nell'ossidazione incompleta di una sostanza in ambiente ad elevata temperatura (900÷1.000°C) per la produzione di un gas combustibile (detto gas di gasogeno) di basso potere calorifico inferiore, variabile tra i 4.000 kJ/Nm³, nel caso più diffuso dei gassificatori ad aria ed i 14.000 kJ/Nm³, nel caso dei gassificatori ad ossigeno.

L’utilizzazione del gas di gasogeno quale vettore energetico pone alcune limitazioni legate essenzialmente ai problemi connessi con il suo immagazzinamento e trasporto, causa il basso contenuto energetico per unità di volume.Ciò fa sì che risulti eccessivamente costoso il trasporto su lunghe distanze. Tali inconvenienti possono essere superati trasformando il gas in alcool metilico (CH₂OH), che può essere agevolmente utilizzato per l’azionamento di motori. Il metanolo, caratterizzato da un potere calorifico inferiore dell’ordine di 21.000 kJ/kg, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica, con potere calorifico analogo a quello delle benzine tradizionali.

La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l’applicazione di calore, a temperature comprese tra 400 e 800°C, in completa assenza di un agente ossidante, oppure con una ridottissima quantità di ossigeno (in quest’ultimo caso il processo può essere descritto come una parziale gassificazione). I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione. Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodotti della pirolisi è la qualità di detti prodotti, che non ha ancora raggiunto un livello sufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, sia con turbine a gas sia con motori diesel. In prospettiva, anche con riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati ad olio pirolitico appaiono i più promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembrano più adatti ad impianti di piccola potenzialità.
La combustione diretta viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.). La combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%.

Gli olii vegetali possono essere estratti dalle piante oleaginose (soia, colza, girasole, ecc.). Caratteristica comune di tutte le oleaginose è quella di essere ricche di materie proteiche che, dopo l’estrazione dell’olio, sono impiegabili nell’alimentazione animale. Le principali piante che si trovano in Europa sono la colza e il girasole (i principali Paesi produttori europei sono, per la colza, la Germania, la Francia, la Gran Bretagna e la Danimarca; per il girasole, la Francia, la Spagna e l’Italia); la coltivazione della soia, invece, si trova principalmente in America (Stati Uniti, Brasile e Argentina). Gli olii possono essere utilizzati come combustibili nello stato in cui vengono estratti oppure dopo esterificazione, ed il loro utilizzo ha destato ormai da tempo un notevole interesse, sia per la disponibilità di tecnologie semplici di trasformazione ed utilizzazione, sia perché consentono bilanci energetici accettabili, sia, infine, per la riutilizzazione dei sottoprodotti di processo (es. la glicerina, utilizzata dall’industria farmaceutica).

Lo Steam Explosion (SE) è un trattamento innovativo, a basso impatto ambientale, mediante il quale si può ottenere una vasta gamma di prodotti, utilizzando come materia prima le biomasse vegetali. Rispetto agli altri processi di pretrattamento, lo SE presenta il vantaggio fondamentale di separare in tre differenti correnti le frazioni costituenti i comuni substrati vegetali (emicellulosa, cellulosa, lignina) rendendo possibile l’utilizzazione totale delle biomasse. Il processo consiste nell’uso di vapore saturo ad alta pressione per riscaldare rapidamente legno, o qualsiasi altro materiale lignocellulosico, in un reattore che può essere ad alimentazione continua o discontinua.

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.
In tutti i casi, tuttavia, il gap di costo tra le fonti rinnovabili e quelle fossili, sarebbe invertito se venissero considerati nell'analisi costi-benefici gli aspetti ambientali ed i costi sociali connessi alla combustione dei materiali fossili.

Vantaggi ambientali

La biomassa è ampiamente disponibile ovunque e rappresenta una risorsa locale, pulita e rinnovabile. L’utilizzazione delle biomasse per fini energetici non contribuisce all’effetto serra, poiché la quantità di anidride carbonica rilasciata durante la decomposizione, sia che essa avvenga naturalmente, sia per effetto della conversione energetica, è equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa; non vi è, quindi, alcun contributo netto all’aumento del livello di CO₂ nell’atmosfera. In tale ottica, quindi, aumentare la quota di energia prodotta mediante l’uso delle biomasse, piuttosto che con combustibili fossili, può contribuire alla riduzione della CO₂ emessa in atmosfera.