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Energia da Biomasse

Sin dai primi “uomini delle caverne”, le persone hanno usato l’energia da biomasse per accendere fuochi a legna, per cucinare o riscaldarsi.

La biomassa è organica, nel senso che è composta da materiale proveniente da organismi viventi, come piante e animali. I materiali di biomassa più comuni utilizzati per l’energia sono piante, legno e rifiuti. Queste sono chiamate materie prime da biomassa. L’energia da biomassa può anche essere una fonte di energia non rinnovabile.

La biomassa contiene energia derivata per la prima volta dal sole: le piante assorbono l’energia del sole attraverso la fotosintesi e convertono l’anidride carbonica e l’acqua in nutrienti (carboidrati).

L’energia di questi organismi può essere trasformata in energia utilizzabile attraverso mezzi diretti e indiretti. La biomassa può essere bruciata per creare calore (diretto), convertita in elettricità (diretta) o trasformata in biocarburante (indiretto).

Conversione termica

La biomassa può essere bruciata mediante conversione termica e utilizzata per produrre energia. La conversione termica comporta il riscaldamento della materia prima della biomassa per bruciarla, disidratarla o stabilizzarla. Le materie prime di biomassa più familiari per la conversione termica sono materie prime come i rifiuti solidi urbani e gli scarti delle cartiere o delle cartiere.

Diversi tipi di energia vengono creati attraverso la cottura diretta, la co-combustione, la pirolisi, la gassificazione e la decomposizione anaerobica.

Tuttavia, prima che la biomassa possa essere bruciata, deve essere essiccata. Questo processo chimico è chiamato torrefazione. Durante la torrefazione, la biomassa viene riscaldata a una temperatura compresa tra 200 ° e 320 ° Celsius. La biomassa si asciuga così completamente da perdere la capacità di assorbire l’umidità o marcire. Perde circa il 20% della sua massa originale, ma trattiene il 90% della sua energia. L’energia e la massa perse possono essere utilizzate per alimentare il processo di torrefazione.

Durante la torrefazione, la biomassa diventa un materiale secco e annerito. Viene quindi compresso in bricchette. I bricchetti di biomassa sono molto idrofobici, nel senso che respingono l’acqua. Ciò rende possibile conservarli in aree umide. I bricchetti hanno un’elevata densità di energia e sono facili da bruciare durante la cottura diretta o in co-combustione.

Combustione diretta e co-combustione

La maggior parte delle bricchette viene bruciata direttamente. Il vapore prodotto durante il processo di cottura alimenta una turbina, che fa girare un generatore e produce elettricità. Questa elettricità può essere utilizzata per la produzione o per riscaldare edifici.

La biomassa può anche essere co-bruciata o bruciata con un combustibile fossile. La biomassa è più spesso co-bruciata nelle centrali a carbone. La co-combustione elimina la necessità di nuovi stabilimenti per la lavorazione della biomassa. La co-combustione allevia anche la domanda di carbone. Ciò riduce la quantità di anidride carbonica e altri gas serra rilasciati dalla combustione di combustibili fossili.

Pirolisi

La pirolisi è un metodo correlato per riscaldare la biomassa. Durante la pirolisi, la biomassa viene riscaldata da 200 ° a 300 ° C senza la presenza di ossigeno. Ciò gli impedisce di bruciare e provoca l’alterazione chimica della biomassa.

La pirolisi produce un liquido scuro chiamato olio di pirolisi, un gas sintetico chiamato syngas e un residuo solido chiamato biochar. Tutti questi componenti possono essere utilizzati per produrre energia.

L’olio di pirolisi, a volte chiamato bio-olio o biocrude, è un tipo di catrame. Può essere bruciato per generare elettricità e viene utilizzato anche come componente in altri combustibili e plastica. Scienziati e ingegneri stanno studiando l’olio di pirolisi come possibile alternativa al petrolio.

Il syngas può essere convertito in carburante (come il gas naturale sintetico). Può anche essere convertito in metano e utilizzato in sostituzione del gas naturale.

Biochar è un tipo di carbone. Il biochar è un solido ricco di carbonio particolarmente utile in agricoltura. Biochar arricchisce il suolo e gli impedisce di lisciviare pesticidi e altri nutrienti nel deflusso. Biochar è anche un eccellente serbatoio di carbonio. I pozzi di assorbimento del carbonio sono serbatoi per sostanze chimiche contenenti carbonio, inclusi i gas serra.

Gassificazione

La biomassa può anche essere convertita direttamente in energia attraverso la gassificazione. Durante il processo di gassificazione, una materia prima di biomassa viene riscaldata a più di 700 ° C con una quantità controllata di ossigeno. Le molecole si decompongono e producono syngas e scorie.

Syngas è una combinazione di idrogeno e monossido di carbonio. Durante la gassificazione, il syngas viene pulito da zolfo, particolato, mercurio e altri inquinanti. Il gas di sintesi pulito può essere bruciato per produrre calore o elettricità, o trasformato in biocarburanti per il trasporto, prodotti chimici e fertilizzanti.

Le scorie si formano come un liquido vetroso e fuso. Può essere usato per fare tegole, cemento o asfalto.

In tutto il mondo si stanno realizzando impianti di gassificazione industriale. L’Asia e l’Australia stanno costruendo e gestendo la maggior parte degli impianti, anche se uno dei più grandi impianti di gassificazione del mondo è attualmente in costruzione a Stockton-on-Tees, in Inghilterra. Questo impianto sarà finalmente in grado di convertire più di 350.000 tonnellate di RSU in energia sufficiente per alimentare 50.000 abitazioni.

Decomposizione anaerobica

La decomposizione anaerobica è il processo in cui i microrganismi, solitamente i batteri, scompongono il materiale in assenza di ossigeno. La decomposizione anaerobica è un processo importante nelle discariche, dove la biomassa viene frantumata e compressa, creando un ambiente anaerobico (o povero di ossigeno).

In un ambiente anaerobico, la biomassa decade e produce metano, che è una preziosa fonte di energia. Questo metano può sostituire i combustibili fossili.

Oltre alle discariche, la decomposizione anaerobica può essere implementata anche negli allevamenti e negli allevamenti. Il letame e altri rifiuti animali possono essere convertiti per soddisfare in modo sostenibile il fabbisogno energetico dell’azienda agricola.

Biofuel

La biomassa è l’unica fonte di energia rinnovabile che può essere convertita in biocarburanti liquidi come l’etanolo e il biodiesel. Il biocarburante viene utilizzato per alimentare i veicoli e viene prodotto mediante gassificazione in paesi come Svezia, Austria e Stati Uniti.

L’etanolo è prodotto dalla fermentazione della biomassa ad alto contenuto di carboidrati, come la canna da zucchero, il grano o il mais. Il biodiesel è ottenuto dalla combinazione di etanolo con grasso animale, grasso da cucina riciclato o olio vegetale.

I biocarburanti non funzionano in modo efficiente come la benzina. Tuttavia, possono essere miscelati con la benzina per alimentare in modo efficiente veicoli e macchinari e non rilasciano le emissioni associate ai combustibili fossili.

L’etanolo richiede acri di terreno agricolo per coltivare biocrop (di solito mais). Circa 1.515 litri di etanolo sono prodotti da un acro di mais. Ma questa superficie non è quindi disponibile per la coltivazione di colture per il cibo o altri usi. Coltivare abbastanza mais per l’etanolo crea anche una pressione sull’ambiente a causa della mancanza di variazioni nella semina e dell’elevato uso di pesticidi.

L’etanolo è diventato un popolare sostituto del legno nei camini residenziali. Quando viene bruciato, emette calore sotto forma di fiamme e vapore acqueo invece di fumo.

Biochar

Il biochar, prodotto durante la pirolisi, è prezioso nell’uso agricolo e ambientale.

Quando la biomassa marcisce o brucia (naturalmente o per attività umana), rilascia nell’atmosfera elevate quantità di metano e anidride carbonica. Tuttavia, quando la biomassa viene carbonizzata, sequestra o immagazzina il suo contenuto di carbonio. Quando il biochar viene aggiunto di nuovo al suolo, può continuare ad assorbire carbonio e formare grandi depositi sotterranei di carbonio sequestrato – serbatoi di carbonio – che possono portare a emissioni di carbonio negative e terreno più sano.

Biochar aiuta anche ad arricchire il suolo. È poroso. Quando viene aggiunto nuovamente al terreno, il biochar assorbe e trattiene l’acqua e le sostanze nutritive.
Il biochar viene utilizzato nella foresta pluviale amazzonica brasiliana in un processo chiamato slash-and-char. L’agricoltura slash and char sostituisce slash and burn, che aumenta temporaneamente i nutrienti del suolo ma fa perdere il 97% del suo contenuto di carbonio. Durante il taglio e il carbone, le piante carbonizzate (biochar) vengono restituite al suolo e il terreno trattiene il 50% del suo carbonio. Ciò migliora il suolo e porta a una crescita delle piante significativamente più elevata.

Black Liquor

Quando il legno viene trasformato in carta, produce una sostanza tossica ad alta energia chiamata liquore nero. Fino agli anni ’30, il liquore nero delle cartiere era considerato un prodotto di scarto e scaricato nelle vicine fonti d’acqua.

Tuttavia, il liquore nero trattiene più del 50% dell’energia della biomassa del legno. Con l’invenzione della caldaia a recupero negli anni ’30, il liquore nero poteva essere riciclato e utilizzato per alimentare il mulino. Negli Stati Uniti, le cartiere usano quasi tutto il loro liquore nero per far funzionare i loro mulini e, di conseguenza, l’industria forestale è una delle più efficienti dal punto di vista energetico della nazione.

Più recentemente, la Svezia ha sperimentato la gassificazione del liquore nero per produrre syngas, che può quindi essere utilizzato per generare elettricità.

Hydrogen Fuel Cells

La biomassa è ricca di idrogeno, che può essere estratto chimicamente e utilizzato per generare energia e alimentare i veicoli. Le celle a combustibile stazionarie vengono utilizzate per generare elettricità in luoghi remoti, come veicoli spaziali e aree selvagge. Lo Yosemite National Park nello stato americano della California, ad esempio, utilizza celle a combustibile a idrogeno per fornire elettricità e acqua calda al suo edificio amministrativo.

Le celle a combustibile a idrogeno possono avere un potenziale ancora maggiore come fonte di energia alternativa per i veicoli. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che la biomassa abbia il potenziale per produrre 40 milioni di tonnellate di idrogeno all’anno. Basterebbe per alimentare 150 milioni di veicoli.

Attualmente, le celle a combustibile a idrogeno vengono utilizzate per alimentare autobus, carrelli elevatori, barche e sottomarini e vengono testate su aeroplani e altri veicoli.

Tuttavia, vi è un dibattito sul fatto che questa tecnologia diventerà sostenibile o economicamente possibile. L’energia necessaria per isolare, comprimere, imballare e trasportare l’idrogeno non lascia un’elevata quantità di energia per un utilizzo pratico.

Biomasse e ambiente

La biomassa è parte integrante del ciclo del carbonio della Terra. Il ciclo del carbonio è il processo mediante il quale il carbonio viene scambiato tra tutti gli strati della Terra: atmosfera, idrosfera, biosfera e litosfera.

Il ciclo del carbonio assume molte forme. Il carbonio aiuta a regolare la quantità di luce solare che entra nell’atmosfera terrestre. Viene scambiato attraverso la fotosintesi, la decomposizione, la respirazione e l’attività umana. Il carbonio che viene assorbito dal suolo quando un organismo si decompone, ad esempio, può essere riciclato poiché una pianta rilascia nutrienti a base di carbonio nella biosfera attraverso la fotosintesi. Nelle giuste condizioni, l’organismo in decomposizione può diventare torba, carbone o petrolio prima di essere estratto attraverso attività naturale o umana.

Tra i periodi di scambio, il carbonio viene sequestrato o immagazzinato. Il carbonio nei combustibili fossili è stato sequestrato per milioni di anni. Quando i combustibili fossili vengono estratti e bruciati per produrre energia, il loro carbonio sequestrato viene rilasciato nell’atmosfera. I combustibili fossili non riassorbono il carbonio.

A differenza dei combustibili fossili, la biomassa proviene da organismi viventi di recente. Il carbonio nella biomassa può continuare a essere scambiato nel ciclo del carbonio.

Per consentire alla Terra di continuare efficacemente il processo del ciclo del carbonio, tuttavia, i materiali della biomassa come piante e foreste devono essere coltivati ​​in modo sostenibile. Ci vogliono decenni perché alberi e piante come il panico verga assorbano e sequestrino il carbonio. Lo sradicamento o il disturbo del suolo possono essere estremamente dannosi per il processo. Una fornitura costante e varia di alberi, raccolti e altre piante è vitale per mantenere un ambiente sano.

Alga Fuel

Le alghe sono un organismo unico che ha un enorme potenziale come fonte di energia da biomassa. Le alghe, la cui forma più familiare sono le alghe, producono energia attraverso la fotosintesi a una velocità molto più rapida di qualsiasi altra materia prima per biocarburanti, fino a 30 volte più velocemente delle colture alimentari!
Le alghe possono essere coltivate nell’acqua dell’oceano, quindi non esauriscono le risorse di acqua dolce. Inoltre non richiede suolo e quindi non riduce la terra arabile che potrebbe potenzialmente coltivare colture alimentari. Sebbene le alghe rilasciano anidride carbonica quando vengono bruciate, possono essere coltivate e reintegrate come un organismo vivente. Quando viene reintegrato, rilascia ossigeno e assorbe gli inquinanti e le emissioni di carbonio.

Le alghe occupano molto meno spazio rispetto ad altre colture di biocarburanti. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti stima che ci vorrebbero solo circa 38.850 chilometri quadrati (15.000 miglia quadrate, un’area meno della metà delle dimensioni dello stato americano del Maine) per far crescere abbastanza alghe per sostituire tutto il fabbisogno energetico alimentato dal petrolio negli Stati Uniti .

Le alghe contengono oli che possono essere convertiti in un biocarburante. All’Aquaflow Bionomic Corporation in Nuova Zelanda, ad esempio, le alghe vengono lavorate con calore e pressione. Questo crea un “greggio verde”, che ha proprietà simili al petrolio greggio e può essere utilizzato come biocarburante.

La crescita delle alghe, la fotosintesi e la produzione di energia aumentano quando l’anidride carbonica viene fatta gorgogliare attraverso di esse. Le alghe sono un ottimo filtro che assorbe le emissioni di carbonio. Bioenergy Ventures, un’azienda scozzese, ha sviluppato un sistema in cui le emissioni di carbonio di una distilleria di whisky vengono convogliate in una pozza di alghe. Le alghe fioriscono con l’anidride carbonica aggiuntiva. Quando le alghe muoiono (dopo circa una settimana) vengono raccolte ei loro lipidi (oli) vengono convertiti in biocarburante o cibo per pesci.

Le alghe hanno un enorme potenziale come fonte di energia alternativa. Tuttavia, elaborarlo in forme utilizzabili è costoso. Sebbene si stima che produca da 10 a 100 volte più carburante rispetto ad altre colture di biocarburanti, nel 2010 è costato $ 5.000 a tonnellata. Il costo probabilmente scenderà, ma attualmente è fuori portata per la maggior parte delle economie in via di sviluppo.

Persone e biomasse

Vantaggi

La biomassa è una fonte di energia pulita e rinnovabile. La sua energia iniziale proviene dal sole e la biomassa delle piante o delle alghe può ricrescere in un lasso di tempo relativamente breve. Alberi, raccolti e rifiuti solidi urbani sono costantemente disponibili e possono essere gestiti in modo sostenibile.

Se alberi e raccolti sono coltivati in modo sostenibile, possono compensare le emissioni di carbonio quando assorbono l’anidride carbonica attraverso la respirazione. In alcuni processi bioenergetici, la quantità di carbonio riassorbita supera persino le emissioni di carbonio rilasciate durante la lavorazione o l’utilizzo del combustibile.

Molte materie prime da biomassa, come il panico verga, possono essere raccolte su terreni o pascoli marginali, dove non competono con le colture alimentari.

A differenza di altre fonti di energia rinnovabile, come l’eolico o il solare, l’energia da biomassa viene immagazzinata all’interno dell’organismo e può essere raccolta quando necessario.

Svantaggi

Se le materie prime di biomassa non vengono reintegrate rapidamente come vengono utilizzate, possono diventare non rinnovabili. Una foresta, ad esempio, può impiegare centinaia di anni per ristabilirsi. Questo è ancora un periodo di tempo molto, molto più breve di un combustibile fossile come la torba. Possono essere necessari 900 anni perché solo un metro di torba si ricostituisca.

La maggior parte della biomassa richiede lo sviluppo di terreni coltivabili. Ciò significa che la terra utilizzata per colture di biocarburanti come mais e soia non è disponibile per coltivare cibo o fornire habitat naturali.

Le aree boschive maturate da decenni (le cosiddette “foreste di vecchia crescita”) sono in grado di sequestrare più carbonio rispetto alle aree appena piantate. Pertanto, se le aree boschive non vengono tagliate, reimpiantate in modo sostenibile e non viene dato il tempo per crescere e sequestrare il carbonio, i vantaggi dell’utilizzo del legno come combustibile non sono compensati dalla ricrescita degli alberi.

La maggior parte degli impianti a biomassa richiede che i combustibili fossili siano economicamente efficienti. Un enorme impianto in costruzione vicino a Port Talbot, nel Galles, ad esempio, richiederà combustibili fossili importati dal Nord America, compensando parte della sostenibilità dell’impresa.

La biomassa ha una “densità energetica” inferiore rispetto ai combustibili fossili. Fino al 50% della biomassa è acqua, che viene persa nel processo di conversione energetica. Scienziati e ingegneri stimano che non sia economicamente efficiente trasportare la biomassa a più di 160 chilometri da dove viene elaborata. Tuttavia, la conversione della biomassa in pellet (al contrario di trucioli di legno o bricchette più grandi) può aumentare la densità energetica del combustibile e renderlo più vantaggioso per la spedizione.

La combustione della biomassa rilascia monossido di carbonio, anidride carbonica, ossidi di azoto e altri inquinanti e particolati. Se questi inquinanti non vengono catturati e riciclati, la combustione della biomassa può creare smog e persino superare il numero di inquinanti rilasciati dai combustibili fossili.

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