Energia verde
Marco Pastore

Introduzione
Con il termine biomassa si definisce ogni sostanza organica residuale, di origine vegetale o animale, destinata a fini energetici o alla produzione di ammendante agricolo. Generalizzando tutti i materiali di origine organica, con esclusione dei derivati di origine fossile quali la plastica, costituiscono biomassa. Essa rappresenta un raffinato sistema di accumulo dell’energia solare: il processo di fotosintesi clorofilliana la fissa nei legami molecolari degli elementi che costituiscono la base della crescita delle piante. La biomassa è fonte di energia rinnovabile, poiché il suo tempo di sfruttamento è confrontabile con quello della sua rigenerazione, a differenza dei combustibili tradizionali, che si originano in milioni di anni. Le principali fonti di biomassa sono i residui forestali, gli scarti dell’industria di trasformazione del legno (trucioli, segatura), delle aziende zootecniche e i rifiuti solidi urbani; quest’ultimo aspetto può costituire una notevole facilitazione della gestione delle discariche urbane, portando alla riduzione delle quantità da smaltire. I vantaggi in termini ecologico-ambientali dell’utilizzo di biomasse, in sostituzione di forme di energia di tipo tradizionale o fossile, sono molteplici. Il più evidente è senz’altro l’apporto netto sostanzialmente nullo di anidride carbonica (CO2) nell’atmosfera dei processi di combustione delle biomasse: la quantità rilasciata nella combustione è infatti la stessa utilizzata per la crescita della pianta, di conseguenza non viene incrementata la concentrazione di gas serra. Per quanto di minor rilevanza, non si può inoltre trascurare il basso contenuto di zolfo, elemento corresponsabile dell’acidificazione delle acque piovane.
Altro vantaggio delle biomasse, anche rispetto ad altre forme di energia rinnovabile, è la loro sostanziale reperibilità su qualsiasi territorio e la facilità di sfruttamento energetico: in fin dei conti può essere sufficiente anche un semplice camino!

Classificazione delle Biomasse
Le biomasse sono utilizzate per produrre energia in forma diretta, bruciando direttamente il materiale per ottenere calore, riscaldare ambienti, cuocere cibi, o indiretta, trasformando il materiale primario in altre forme più adatte. La scelta tra le due forme di utilizzo dipende da alcuni parametri chimici della biomassa a disposizione, in particolare dal contenuto in carbonio (C), azoto (N) e dalla sua umidità. Nei casi in cui il rapporto C/N sia superiore a 30 e l’umidità sia inferiore al 30% si avrà un materiale con buona attitudine alla combustione e soddisfacente rendimento in caldaia; in caso contrario, si è alla presenza di tessuti vegetali ancora ricchi di sostanze nutritive, dai quali può essere ottenuta energia dopo processi di conversione biochimica.
La combustione è il metodo più antico di conversione delle biomasse in energia, e consiste nella reazione di ossidazione del carbonio, con emissione di energia termica che può essere utilizzata per riscaldare, cuocere cibi, o produrre energia elettrica se utilizzata in impianti a gas o a vapore. Il processo avviene a temperature che possono raggiungere i 1000°C. L’efficienza del processo di combustione può variare tra il 60% e il 90%; tale indeterminazione si deve principalmente al contenuto di umidità, che sottrae molta energia per la propria evaporazione, ma anche alla presenza di ceneri ed inerti, che riduce lo scambio termico tra le superfici metalliche. Conseguentemente, si preferisce utilizzare per questa applicazione quelle tipologie di biomasse ad alto tenore di carbonio e basso contenuto di umidità, quali la legna, le paglie dei cereali, i residui di potatura e quelli dell’industria alimentare; è però necessario sottoporre a pretrattamenti il materiale, per adeguarne dimensioni e caratteristiche alla tipologia della camera di combustione, per facilitarne trasporto e stoccaggio, e per semplificare le operazioni di caricamento. I residui legnosi sono disponibili sul mercato sotto forma di “pellet”, “cippato” e “bricchette”. Il pellet consiste in una aggregazione ad alta pressione dei materiali di scarto della lavorazione del legno sotto forma di cilindretti lunghi circa 2 cm e del diametro di 5-8 mm. Il prodotto risultante è molto compatto, presenta umidità inferiore al 12%, e contenuto energetico molto elevato, pari a circa 4000 – 4500 kcal/kg: con 200 grammi si può fare una doccia di 4 minuti, oppure riscaldare un locale di 150 metri cubi per mezz’ora o, ancora, far bollire 10 litri d’acqua per 10 minuti. Il cippato è il prodotto che si ottiene dalla sminuzzatura di residui legnosi irregolari o scadenti, provenienti ad esempio da scarti della potatura, e viene utilizzato per alimentare alcuni tipi di caldaie o stufe. Le proprietà del cippato sono molto variabili, vista l’eterogeneità del materiale di origine: l’umidità ed il potere calorifico possono variare rispettivamente tra il 20% e il 60% e tra 2000 e 3500 kcal/kg, a seconda della qualità dei suoi costituenti. Le bricchette sono cilindri ottenuti dalla pressatura di segatura grossolana, la cui coesione è ottenuta solamente grazie all’alta pressione. Si presentano in forma simile alla legna “in ciocchi”, ed hanno il vantaggio di poter essere utilizzate nelle stufe di tipo tradizionale al posto della legna, cosa non possibile con i pellet; tuttavia, a differenza di questi, le bricchette sono meno maneggevoli e tendono a sfaldarsi con l’umidità.
Come già detto, è possibile ottenere dalla biomassa “primaria” dei prodotti intermedi, da utilizzarsi successivamente in condizioni più agevoli, mediante tre principali tecniche di combustione in carenza di ossigeno: la carbonizzazione, la gassificazione e la pirolisi. La carbonizzazione si ottiene riscaldando il materiale primario a 200° C, temperatura alla quale esso rilascia le sostanze liquide e volatili senza che la matrice carboniosa venga alterata. La gassificazione consiste invece nell’ossidazione ad elevata temperatura del materiale primario in ambiente povero di ossigeno, per produrre un gas utilizzabile successivamente, detto “gas di gasogeno”. Questo prodotto può però presentare basso valore energetico per unità di volume o problematiche di raffinazione, ovvero limitazioni legate al trasporto e immagazzinamento. Tali inconvenienti possono essere superati trasformando il gas in alcool metilico (metanolo), che può essere agevolmente utilizzato per l’azionamento di motori a combustione interna, se predisposti. Il metanolo, se ulteriormente raffinato, consente di ottenere una benzina sintetica con caratteristiche simili a quelle della benzina fossile. La pirolisi è un processo di riscaldamento in quasi totale assenza di ossigeno; variando i parametri di temperatura e durata del processo, si ottiene una notevole varietà nella composizione dei prodotti trasformati: con temperatura elevata e lungo tempo di riscaldamento aumenterà il rendimento in gas, con tempi di trattamento più brevi aumenterà la resa dell’“olio di pirolisi”, particolarmente ricercato per la sua semplicità di utilizzo. Altri biocombustibili conosciuti sono il biodiesel, il biogas e l’etanolo.

La produzione di biodiesel
Oli estratti da piante quali colza, soia, girasole e palma, sono adatti ad essere utilizzati direttamente in processi di combustione, oppure si prestano ad essere ulteriormente raffinati. Questi oli vegetali differiscono da quelli fossili per densità, viscosità e potere calorifico, a causa della presenza di ossigeno e della maggiore complessità molecolare; non possono essere pertanto utilizzati direttamente nei motori diesel non predisposti. Un utilizzo scorretto può causare problemi di consumo, fumosità, usura precoce di componenti e rotture. Il processo di “esterificazione” derivante dal trattamento con alcol metilico, consente di rendere questi oli più simili al gasolio tradizionale (biodiesel). Il biodiesel presenta valori di viscosità analoghi a quelli del gasolio e richiede per il suo utilizzo pochi interventi di adattamento dei motori. Le prestazioni fornite sono lievemente inferiori, ma con emissioni inquinanti ridotte e prive di zolfo. Il biodiesel è utilizzato puro come carburante per autotrazione, come additivo per gasoli e come combustibile per riscaldamento.

Il Biogas
La digestione di materiale organico da parte di microrganismi, in assenza di ossigeno, produce un gas detto “biogas”, formato per il 50% da metano e per il resto, sostanzialmente, da biossido di carbonio. Questo gas risulta particolarmente utilizzabile, grazie al suo elevato potere calorifico che lo rende adatto alla produzione di energia elettrica o per la trazione di veicoli. La produzione controllata di biogas avviene all’interno di serbatoi sigillati detti “digestori”, ad una temperatura compresa tra 35° e 50°C; in tre settimane è possibile decomporre circa il 40-60% della sostanza organica introdotta. E’ possibile, inoltre, il recupero di nutrienti originariamente presenti, quali fosforo, potassio e azoto, utilizzabili in seguito come fertilizzanti. Lo smaltimento dei rifiuti nelle discariche consente, se ben operato, di recuperare buona parte del biogas prodotto, evitando che il metano prodotto si disperda in atmosfera, contribuendo all’incremento dell’effetto serra.

Etanolo
L’etanolo è un alcol organico liquido, che può essere utilizzato direttamente nei motori a combustione interna. Esso viene prodotto mediante il processo di fermentazione alcolica degli zuccheri presenti nella materia organica vegetale, seguita da distillazione finale. Le specie vegetali che meglio si prestano sono quelle ricche in saccarosio, come la canna da zucchero e la bietola, quelle ricche in amido, come il grano, il mais, l’orzo, ed i materiali ricchi in cellulosa, come la paglia e gli scarti legnosi.
Applicazioni delle biomasse
Le micro e le piccole utenze utilizzano l’energia derivante dalla biomassa per il riscaldamento domestico, per la cottura dei cibi, per la produzione di acqua calda e per il trasporto. In questi casi, la produzione di energia avviene direttamente dalla combustione in stufe e camini, dai motori a combustione interna, e dai bruciatori nelle caldaie. La biomassa deve essere disponibile in forme facilmente utilizzabili, quali pellets, cippato, bricchette e biodiesel. Fra le applicazioni domestiche, il termocamino presenta la possibilità di integrare un elemento di indubbia valenza architettonica con uno strumento, che nelle sue ultime evoluzioni ha raggiunto elevati livelli di efficienza. Il termocamino consente il recupero dell’energia presente nei fumi di scarico: è in grado di riscaldare aria o acqua per mezzo di appositi scambiatori termici, sostituendosi, se opportunamente dimensionato, alla caldaia tradizionale alimentata a gas o gasolio.
Naturalmente, il termocamino con scambiatore ad acqua, che riscalda il fluido termovettore degli elementi radianti dell’abitazione, comporta una complessità costruttiva maggiore rispetto a quello ad aria, che scambia semplicemente calore con l’aria dell’ambiente. Le dimensioni non sono comunque mai particolarmente ingombranti ( per 20 kW di potenza, sufficienti per un appartamento di 150 m², le dimensioni sono 1m x 1,5m x 0,7m) e, solitamente, sono comprensive di un deposito per il combustibile in grado di garantire 50 ore di funzionamento. Autonomie maggiori necessitano comunque di un impianto a caldaia alimentato mediante tramoggia, con la biomassa proveniente da un magazzino di stoccaggio. Un impianto a caldaia preesistente, predisposto per funzionare con bruciatore a gasolio, può essere adeguato, con interventi e costi limitati, all’utilizzo di biodiesel, sostituendo semplicemente il bruciatore. Medie e grandi utenze utilizzano invece biomassa per produrre calore da utilizzare per il teleriscaldamento, per piccole applicazioni industriali, o per produzione di energia elettrica. Il teleriscaldamento, diffuso principalmente nel Nord Europa e nelle zone alpine, è costituito da una centrale termica che distribuisce il calore attraverso un fluido termovettore a più residenze sparse sul territorio, grazie ad una rete di tubazioni e scambiatori. In questo caso divengono critici gli aspetti legati alla reperibilità, alla movimentazione ed allo stoccaggio del materiale primario, per la necessità di alimentare in maniera continuativa gli impianti; risulta quindi molto conveniente realizzare una centrale a biomassa nelle zone ricche di industrie del legno. La pezzatura del combustibile deve essere necessariamente di granulometria fine per facilitare tutte le operazioni del processo. Particolare rilevanza assume inoltre il problema dello smaltimento delle ceneri, che vengono prodotte in quantità ingenti. Gli impianti di tipo industriale di grande taglia funzionanti a biomassa sono molto sfavoriti dal punto di vista economico, rispetto ad impianti dello stesso tipo alimentati da fonti fossili. Questo fatto è dovuto principalmente alle caratteristiche chimico fisiche dei combustibili: a causa della minore densità e del potere calorifico più basso delle biomasse rispetto ai combustibili fossili, l’impianto a biomassa si troverà a lavorare con portate di combustibile notevolmente superiori. Ciò comporta una limitazione delle taglie di potenza degli impianti, che difficilmente superano i 20-30 MW, a fronte delle centinaia di MW di un impianto tradizionale. Per superare le difficoltà legate alla logistica e alla gestione, si realizzano spesso impianti integrati, funzionanti con un combustibile di tipo tradizionale - in grado di garantire il servizio continuativo-, ed uno di supporto, la biomassa appunto, utilizzato per far fronte ai picchi di richiesta.
 

Le proprietà del biodiesel sono state standardizzate in Italia dalla UNI, che ne ha definito i parametri chimico fisici e le caratteristiche fiscali e merceologiche che identificano il prodotto.
Nel caso di utilizzazione di biodiesel è fondamentale la verifica di compatibilità dell’impianto con questo carburante. In letteratura sono state rinvenute le seguenti caratteristiche di compatibilità: rame, acciaio al carbonio, ottone, gomme fluorate (Teflon, Viton), gomma Alto Nitrilico (acrilonitrile>35%), gomma nitrilica carica, copolimero Nitrilica/PVC, polietilene poliammide 11-30. E' sconsigliato l'uso dei seguenti elastomeri come materiali di contatto: gomma basso nitrile, gomma Etilene-Acetato (EACM), gomma Etilene-Propilene (EPDM), gomma Naturale (NR), gomma Stirene-Butadiene (SBR). Il biodiesel presenta un costo di mercato superiore a quello del gasolio, e risulta spesso conveniente solo grazie a contributi ed incentivi fiscali.