Utilizzo delle biomasse nell’industria manifatturiera

Il ricorso a fonti di energia rinnovabile unitamente alla sostenibilità ambientale, è un’esigenza sempre più sentita sia dell’industria energetica che di quella manifatturiera. In questo scenario le biomasse sono considerate una valida opzione per ridurre i consumi di combustibili fossili, e contribuire a raggiungere gli obiettivi strategici nazionali ed europei di riduzione dei costi energetici e di tutela dell’ambiente.

L’uso, efficiente e pulito, delle biomasse richiede però la messa a punto di adeguate tecnologie di conversione, a freddo o a caldo, delle stesse in prodotti utilizzabili come sostituiti di combustibili fossili. Il processo di pirolisi di biomasse ad esempio consente di produrre char (residuo carbonioso solido) e syngas (gas combustibile du sintesi) che possono essere utilizzati in sostituzione di combustibili fossili con vantaggi ambientali e favorendolo smaltimento di sottoprodotti di produzioni e lavorazioni agricole e dell’industria del legno.

Benché la pirolisi sia un processo noto da lungo tempo e relativamente semplice, l’uso efficiente e vantaggioso di char e syngas richiede comunque una attenta selezione delle biomasse di partenza, la loro accurata caratterizzazione e la messa a punto della appropriata tecnologia di pirolisi. Queste sono le linee di sviluppo tecnologico su cui sta attualmente lavorando la ricerca e, per diverse applicaizoni industriali, già oggi è possibile produrre char e syngas che soddisfino requisiti qualitativi necessari. Un primo passo è quello dell’identificazione delle biomasse più adatte e alla processo di interessee di produrlo con caratteristiche tali da poterlo potenzialmente utilizzare nell’industria in sostituzione dei combustibili fossili senza modifiche significative né dell’impianto né delle condizioni di processo, ottenendo le stesse prestazioni di produttività e abbassando significativamente le emissioni di CO2.

Ad esempio, dai residui di potature della vite, è ottenibile una biomassa che pirolizzata a 500 °C è in grado di fornire sia un synags utilizzabile in parziale sostituzione del metano sia un char utilizzabile in sostituzione del carbone. Altri materiali e altre condizioni di pirolisi possono aumentare il grado di sostituzione del syngas, accettando di utilizzare carbone, oppure fornire rese maggiori di char. La scelta ottimale dipende dalle condizioni di mercato (prezzi di metano, carbone, energia elettrica) e dalle condizioni operative del processo in forno elettrico. La valutazione globale dei costi e benefici richiede di tenere conto aspetti legati alla disponibilità delle biomasse, alla logistica di raccolta e trasporto e dal costo sul mercato. Il risultato utile è che l’uso di questa materia si presta a rendere più sostenibile un processo manifatturiero ad alta intensità di energia, offrendo anche un alto grado di flessibilità, che consente di scegliere fra diverse soluzioni di utilizzazione. La materia utilizzabile è data dal residuo di lavorazione agricola e dell’industria del legno, di cui diversi studi indicano in Italia e in Europa una larga disponibilità e una distribuzione territoriale che ne consente l’utilizzazione industriale vantaggiosa, sia dal punto di vista economico sia dal punto di vista logistico; cioè distribuzione abbastanza omogenea sul territorio e costanza di approvvigianemento nel corso dell’anno. Dal punto di vista ambientale è consigliato l’impiego di una materia disponibile in una zona entro un raggio di 70 km dal sito di utilizzo. Molti studi indicano che questa è la distanza massima per avere un utilizzo sostenibile delle risorse naturali con costi di raccolta e trasporto accettabili.

Il secondo passo fondamentale per l’utilizzo energetico delle biomasse in sostituzione dei processi industriali é la messa a punto del processo di pirolisi. La pirolisi è il più antico processo di decomposizione termochimica di biomassa, che sta vivendo un periodo di rinnovato interesse nel contesto della valorizzazione di combustibili rinnovabili. In linea teorica la pirolisi è condotta a temperature comprese tra 400 e 800°C, in atmosfera inerte. Nella pratica, tuttavia, un’atmosfera completamente inerte non esiste. Si può quindi considerare pirolisi un processo in cui il rapporto ossigeno/biomassa è inferiore a 0.015 mol/g [10] e . Schematizzando i prodotti sono:

1. char, un materiale solido, a matrice carboniosa, contenente anche le ceneri derivate dal materiale inorganico della biomassa
2. idrocarburi di peso molecolare superiore a 80 g/mol, liquidi alla temperatura di pirolisi o che condensano come solidi o liquidi a temperatura ambiente. Il materiale condensato si chiama generalmente tar (anche in questa caso una definizione precisa e universalmente accettata, non è stata ancora formulata);
3. syngas, una miscela di prodotti gassosi a temperatura ambiente, contenenti, come componenti maggiori, idrogeno, metano, idrocarburi leggeri, ossido di carbonio.

Le proporzioni relative delle tre classi di prodotti, la loro composizione e le caratteristiche fisiche del char dipendono dalle caratteristiche dei materiali trattati e dalle condizioni di processo: temperatura, velocità di riscaldamento, composizione dell’atmosfera. Schematicamente all’aumentare della temperatura aumentano le rese in prodotti liquidi e gassosi, l’incremento del tempo di trattamento favorisce la formazione del char a bassa temperatura e la formazione di gas ad alta temperatura. Caratteristiche importanti del char sono il potere calorifico, il contenuto in C, la quantità e la composizione delle ceneri inerti, la reattività con agenti ossidanti (aria, ossigeno, vapore d’acqua). Caratteristiche importanti del syngas sono la composizione, il potere calorifico e il contenuto di componenti minori (composti dello zolfo, dell’azoto, del cloro) in relazione alle esigenze di pulizia del gas.

Egidio Zanin, Project Leader energy & transport presso Centro Sviluppo Materiali