Comprendere come è possibile trasformare i rifiuti organici in energia elettrica, la cosiddetta biomassa
La biomassa è tutta la materia organica di origine vegetale o animale utilizzata allo scopo di produrre energia, come carbone, legna da ardere, bagassa di canna da zucchero, tra gli altri. Trattandosi di una fonte energetica dispersa ea bassa efficienza, tradizionalmente utilizzata nei paesi a basso sviluppo, vi è una certa mancanza di dati sulla rappresentatività di questa fonte energetica per la matrice energetica mondiale. Tuttavia, secondo un rapporto ANEEL, circa il 14% dell'energia consumata nel mondo proviene da questa fonte e, secondo un altro studio del Jornal Brasileiro de Pneumologia, il 90% delle case nelle regioni rurali dei paesi poveri utilizza energia dalla combustione di biomasse ( legno, carbone di legna, letame animale o rifiuti agricoli), soprattutto nell'Africa subsahariana e in Asia.
L'uso della biomassa negli impianti termoelettrici è diventato sempre più diffuso e viene utilizzato per raggiungere aree non coperte dalla rete di fornitura elettrica, come le comunità rurali isolate. Sempre più diffuso è anche l'utilizzo di sistemi di cogenerazione, che conciliano la generazione di energia elettrica tramite biomasse con la produzione di calore, aumentando l'efficienza energetica dei sistemi di produzione.
Cos'è la cogenerazione?
La biomassa, come il carbone o la legna da ardere, è ciò che muove gran parte dei generatori termoelettrici. Indipendentemente dal tipo di carburante e dal motore, questi generatori perdono la maggior parte dell'energia contenuta nel carburante sotto forma di calore. In media, l'energia della biomassa persa nell'ambiente sotto forma di calore rappresenta dal 60% al 70% dell'energia totale del combustibile. Pertanto, l'efficienza del generatore è compresa tra circa il 30% e il 40%.
Poiché molti edifici e industrie richiedono il riscaldamento (per l'ambiente interno o per il riscaldamento dell'acqua), è stato sviluppato un sistema di cogenerazione, attraverso il quale il calore prodotto nella generazione di energia elettrica viene incorporato nel processo produttivo sotto forma di vapore. Il vantaggio principale di questo sistema è il risparmio di carburante per il processo di riscaldamento. In questo modo, l'efficienza energetica del sistema aumenta, raggiungendo fino all'85% dell'energia da biomassa del combustibile.
Biomasse in Brasile
Attualmente, la risorsa con il maggior potenziale da utilizzare come biomassa per la generazione di elettricità nel paese è la bagassa di canna da zucchero. Il settore zucchero e alcol genera una grande quantità di rifiuti, che possono essere utilizzati come biomasse, principalmente nei sistemi di cogenerazione. Altre varietà vegetali con un grande potenziale per la produzione di energia elettrica sono l'olio di palma, che ha una produttività media annua per ettaro quattro volte superiore a quella della canna da zucchero, buriti, babassu e andiroba. Appaiono come alternative per la fornitura di elettricità in comunità isolate, soprattutto nella regione amazzonica.
Quando l'etanolo viene prodotto dalla canna da zucchero, circa il 28% della canna viene trasformato in bagassa. Questa bagassa è una biomassa comunemente utilizzata negli impianti per la produzione di vapore a bassa pressione, che trova impiego nelle turbine a contropressione negli impianti di estrazione (63%) e nella generazione di energia elettrica (37%). La maggior parte del vapore a bassa pressione che esce dalle piante viene utilizzato per il processo e il riscaldamento del succo (24%) e nell'apparato di distillazione. Mediamente ogni dispositivo necessita di circa 12 kWh di energia elettrica, valore che può essere fornito dagli stessi residui di biomassa. Altri residui agricoli con un alto potenziale da utilizzare come biomassa nella produzione di elettricità sono la lolla di riso, gli anacardi e la buccia di cocco.
Percorsi di conversione della biomassa
Le fonti di biomassa possono essere classificate in: ortaggi legnosi (legno), ortaggi non legnosi (saccaridi, cellulosici, amidacei e acquatici), residui organici (agricoli, industriali, urbani) e biofluidi (oli vegetali). Le vie di conversione della biomassa sono diverse, ed è grazie a queste tecnologie di conversione che è possibile ottenere diverse varietà di biocarburanti come etanolo, metanolo, biodiesel e biogas. I principali processi di conversione della biomassa sono:
Combustione diretta
Materiali come il legno e tutte le varietà di rifiuti organici (agricoli, industriali e urbani) possono essere sottoposti a combustione per generare energia. Il processo di combustione consiste nel trasformare l'energia chimica di queste fonti di biomassa in calore. Ai fini energetici, la combustione diretta della biomassa avviene in forni e stufe. Nonostante la praticità, il processo di combustione diretta tende ad essere abbastanza inefficiente. Inoltre, i combustibili che possono essere utilizzati nel processo hanno generalmente un'elevata umidità (20% o più nel caso della legna da ardere) e una bassa densità energetica, rendendo difficile lo stoccaggio e il trasporto.
Gassificazione
È una tecnologia applicata ai rifiuti organici urbani e industriali e al legno. La gassificazione consiste nel convertire le fonti di biomassa solida in gas attraverso reazioni termochimiche, che coinvolgono vapore caldo e aria o ossigeno in quantità inferiori al minimo per la combustione. La composizione del gas risultante è una miscela di monossido di carbonio, idrogeno, metano, anidride carbonica e azoto, per cui queste proporzioni variano a seconda delle condizioni di processo, soprattutto in relazione all'aria o all'ossigeno utilizzato nell'ossidazione . Il carburante generato dalla combustione di questa biomassa è più versatile (può essere utilizzato nei motori a combustione interna e anche in una turbina a gas) e pulito (composti come lo zolfo possono essere rimossi durante il processo) rispetto alle versioni a combustibile solido. A parte quello,è possibile produrre gas sintetico dalla gassificazione, che può essere applicato nella sintesi di qualsiasi idrocarburo.
Pirolisi
La pirolisi, nota anche come carbonizzazione, è il processo più antico di conversione di una fonte di biomassa (tipicamente legno) in un altro combustibile (carbone) con una densità energetica doppia rispetto al materiale di partenza. Anche i residui organici di origine agricola sono spesso soggetti a pirolisi - in questo caso, i residui devono essere preventivamente compattati. Il metodo consiste nel riscaldare il materiale in un ambiente in cui c'è "quasi assenza" di aria. La pirolisi produce anche gas combustibile, catrame e pirolegna, materiali ampiamente utilizzati nel settore industriale. Il risultato del processo varia notevolmente dalle condizioni del materiale originale (quantità e umidità). Per la produzione di una tonnellata di carbone, potrebbero essere necessarie dalle quattro alle dieci tonnellate di legna da ardere.
Transesterificazione
È un processo chimico che trasforma la biomassa degli oli vegetali in un prodotto intermedio, dalla reazione tra due alcoli (metanolo ed etanolo) e una base (idrossido di sodio o di potassio). I prodotti per la transesterificazione di questo tipo di biomassa sono la glicerina e il biodiesel, un carburante che presenta condizioni simili al diesel e può essere applicato nei motori a combustione interna, per uso veicolare o stazionario.
Digestione anaerobica
Come la pirolisi, la digestione anaerobica deve avvenire in un ambiente con "quasi assenza" di ossigeno. La biomassa originaria subisce la decomposizione per azione dei batteri, così come avviene naturalmente con quasi tutti i composti organici. I rifiuti organici, come il letame animale e i rifiuti industriali, possono essere trattati attraverso la digestione anaerobica (quella che avviene in assenza di ossigeno) nei biodigestori. L'azione dei batteri provoca il riscaldamento necessario per la decomposizione, tuttavia, in regioni o periodi di freddo, potrebbe essere necessaria l'applicazione di calore aggiuntivo. Il prodotto finale della digestione anaerobica è il biogas, che è essenzialmente composto da metano (dal 50% al 75%) e anidride carbonica. L'effluente generato può essere utilizzato come fertilizzante.
Fermentazione
È un processo biologico svolto dall'azione di microrganismi (solitamente lieviti) che convertono in alcool gli zuccheri presenti nelle fonti di biomassa, come la canna da zucchero, il mais, le barbabietole e altre specie vegetali. Il risultato finale della fermentazione della biomassa è la produzione di etanolo e metanolo.
Applicabilità della biomassa
La biomassa è considerata una fonte di energia rinnovabile ed è stata utilizzata per sostituire i combustibili fossili, come petrolio e carbone, per generare elettricità negli impianti termoelettrici e per emettere una quantità inferiore di gas inquinanti rispetto a quelli non rinnovabili. Tuttavia, nonostante non sia un combustibile fossile, secondo uno studio, la combustione della biomassa è una delle maggiori fonti mondiali di gas tossici, particolato e gas serra.
In caso di incendio di vaste aree, siano esse foreste, savane o altri tipi di vegetazione, l'emissione di zolfo porta a variazioni del pH dell'acqua piovana, contribuendo al verificarsi di piogge acide. Le emissioni di metano e anidride carbonica contribuiscono all'intensificazione dell'effetto serra, e quella del mercurio porta alla contaminazione dei corpi acquatici e consente la formazione di metilmercurio, sostanza nociva per la salute umana.
L'esposizione ricorrente e prolungata al materiale generato dal processo di combustione della biomassa all'interno (stufe a legna, camini, ecc.) È stata associata ad un aumento delle infezioni respiratorie acute nei bambini, che è considerata una delle principali cause di mortalità nei paesi in via di sviluppo. Inoltre, è anche associato ad un aumento delle malattie polmonari ostruttive croniche, pneumoconiosi (malattia causata dall'inalazione di polvere), tubercolosi polmonare, cataratta e cecità. In caso di combustione della paglia di canna, la popolazione residente nell'area circostante il raccolto di canna da zucchero è esposta alla polvere della biomassa bruciata per circa sei mesi durante l'anno.
Per questo motivo, il Consiglio Nazionale dell'Ambiente (Conama) fissa limiti di emissione per gli inquinanti atmosferici da processi di generazione di calore da combustione esterna di biomasse di canna da zucchero, che consente di regolare le emissioni mitigare gli impatti socio-ambientali associati alla combustione della biomassa.
La biomassa offre anche la possibilità di essere prodotta da un'ampia varietà di materiali, fornendo flessibilità e sicurezza al mercato, a differenza degli stessi combustibili fossili, principalmente petrolio. Un altro punto è che, quando si utilizzano rifiuti organici agricoli, industriali e urbani per produrre elettricità, stanno ricevendo una destinazione più "sostenibile" rispetto al semplice smaltimento. Secondo uno studio, la maggior parte dei residui agricoli in Brasile sono mais, soia, riso e grano, i primi due sono le materie prime utilizzate frequentemente per la produzione di biodiesel.
Il Brasile ha condizioni favorevoli per la produzione di energia dalla biomassa, come l'esistenza di grandi aree agricole, che possono essere utilizzate per la produzione di biomassa, e riceve un'intensa radiazione solare durante tutto l'anno. Tuttavia, c'è preoccupazione per la produzione di biocarburanti di prima generazione, che utilizzano direttamente la materia prima vegetale. In questo caso i biocarburanti potrebbero contrastare situazioni di concorrenza per i terreni coltivabili con il settore agricolo, mettendo a rischio la sicurezza alimentare della popolazione. Un altro problema relativo a grandi tratti di terra è il problema della conservazione ambientale. Oltre a competere con l'agricoltura, i biocarburanti potrebbero finire per esercitare pressioni su aree destinate alla conservazione ambientale.
