Centrale a biomasse: parliamo degli impianti a biomassa e della loro relazione con la cogenerazione
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In foto: un impianto di cogenerazione Intergen
Una centrale biomassa è una centrale elettrica e/o termica che per il suo funzionamento utilizza l’energia ricavabile da materia organica senza trasformazione della stessa attraverso processi biochimici (fermentazione, digestione anaerobica) o chimici.
Con il termine biomassa potenzialmente si potrebbe indicare una qualsiasi materia di origine organica, tuttavia nel campo delle energie rinnovabili disciplinate per legge si definiscono le BIOMASSE come “la parte biodegradabile dei prodotti residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze animali e vegetali) e dalla silvicoltura e da industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani” (DLgs 387/03, art. 2, comma 1, lettera a).
Si tratta del legname risultante dalla potatura di boschi e campi, dei residui delle attività agroindustriali come scarti di frutta, verdura, noccioli, o anche dei reflui industriali, civili e animali, da sottoprodotti industriali come i substrati per la crescita di lieviti ed altri microorganismi, fino alla parte organica dei rifiuti solidi (FORSU).
In una centrale a biomassa il combustibile di origine organica viene bruciato per produrre calore e riscaldare un fluido di lavoro (es. acqua) che può essere utilizzato direttamente, senza cambio di stato, come vettore di energia termica, oppure, dopo un cambio di stato (liquido-gassoso), per produrre energia meccanica (movimento) ed azionare un generatore elettrico. Nel primo caso si genera solo energia termica, e quindi la centrale viene utilizzata per il riscaldamento di ambienti o comunità (teleriscaldamento), per la fornitura di acqua sanitaria oppure di acqua fredda tramite unità ad assorbimento. Nel secondo caso, utilizzando particolari tecnologie, è possibile generare contemporaneamente elettricità ed energia termica, quindi effettuare cogenerazione. Esistono impianti di cogenerazione a biomassa grezza e a biomassa trasformata.
Un impianto di cogenerazione a biomasse grezze è composto da un bruciatore dove viene fatta confluire la biomassa, precedentemente preparata in una forma facilmente combustibile (essiccata e sminuzzata o pressata). Il calore viene trasferito ad un fluido di lavoro, per esempio acqua, alzandone la temperatura sino a superare quella in cui avviene il cambio di stato, trasformandolo da liquido in vapore. In seguito al cambio di stato, la pressione del fluido confinato cresce, acquisendo energia meccanica. Questa viene catturata tramite un dispositivo, di solito una turbina, che imprime un moto rotatorio ad un asse. Collegando un generatore elettrico all’asse si produce energia elettrica.
Non tutta l’energia contenuta nel vapore viene trasferita alla turbina. Parte di essa rimane nel fluido di lavoro sotto forma di energia termica, che può essere trasferita, per esempio ad un circuito di acqua calda, e utilizzata per tutti gli usi concepibili. In certe situazioni, il fluido contenente l’energia residua può essere utilizzato per riscaldare sino al punto di cambio di stato un secondo fluido di lavoro di natura differente, a temperatura più bassa di quello originale. Si forma quindi un “vapore” da cui è possibile ricavare energia meccanica in una turbina che, collegata ad un secondo generatore, produce altra energia elettrica. Il fluido originario può infine riscaldare acqua ad una temperatura più bassa, utilizzabile in certe applicazioni (acqua sanitaria, acqua di processo o lavaggio). Questo secondo passaggio è conveniente solo in presenza di grandi quantità di biomassa.
La biomassa, come definita all’inizio, ha lo svantaggio di avere un contenuto energetico basso per quantità di volume. Inoltre, è difficile fare in modo che la combustione nella biomassa sia completa, sfruttando totalmente il potenziale energetico. Questo avviene in parte perché la biomassa ha una composizione complessa, e in parte perché contiene umidità che è costosa in termini energetici da eliminare. Infine, ogni biomassa grezza è scomoda da trasportare, in quanto occupa un volume molto grande per unità di massa.
Per questo motivo la maggior parte degli impianti di cogenerazione alimentati da biomasse prevedono preliminarmente una loro trasformazione chimico-fisica, che ne concentri il contenuto energetico in vettori meglio movimentabili e utilizzabili. le biomasse possono essere sfruttate in diversi modi:
- Certe biomasse (liquami, reflui, residui e sottoprodotti agricoli, FORSU) attraverso un processo di digestione o fermentazione possono essere usate per ricavare il biogas, utilizzabile come combustibile per motori a combustione interna.
- Sottoposto a purificazione (upgrading), dal biogas si ricava biometano, anch’esso un combustibile, con il vantaggio di essere utilizzabile in ambiti come la mobilità su strada e di godere di una maggiore flessibilità di trasporto (il biometano è liquefacibile). Il biometano è però più costoso del biogas, quindi non viene utilizzato nella cogenerazione. Inoltre la fase di purificazione lascia una grande quantità di CO2 che deve essere impiegata in qualche modo.
- Le biomasse possono essere trasformate in altri vettori energetici con processi di tipo termochimico, che possono avvenire in carenza di ossigeno, nel qual caso si parla di gassificazione, o in assenza di ossigeno, nel quale si ha la pirolisi. In entrambi i casi, la biomassa viene convertita in una o più componenti energeticamente utilizzabili ed in una di scarto. Pirolisi e gassificazione vengono utilizzate di solito in serie, per aumentare l’efficienza e ridurre al minimo il residuo di scarto. Il vettore energetico più importante prodotto alla fine del processo è detto syngas, un combustibile utilizzabile in caldaie a fiamma, turbine a gas e motori a combustione interna.
Qualsiasi sia la tipologia di combustibile gassoso utilizzato (biogas, syngas), il funzionamento degli impianti di cogenerazione a gas ricavato da biomassa è sintetizzato nella figura seguente:
Il motore, alimentato dal biogas o dal syngas, grazie ad un generatore, converte l’energia primaria rappresentata dal combustibile in energia elettrica. Il calore dissipato nei circuiti di raffreddamento e nei fumi di scarico viene recuperato ed in genere viene autoconsumato per riscaldare gli ambienti o per alimentare cicli produttivi.
Un impianto a biomassa per la produzione di energia elettrica, se progettato correttamente e facendo un’analisi accurata delle caratteristiche e delle necessità della realtà in cui viene installato, presenta una serie di vantaggi significativi.
In primo luogo si possono sfruttare risorse facilmente reperibili nel territorio in cui verrà installato l’impianto.
Rispetto ad altre rinnovabili, ad esempio l’energia solare o eolica, le biomasse possono essere più facilmente stoccabili e consentono una continuità di erogazione. L’energia da biomasse è regolabile a seconda delle esigenze e può essere sospesa o riattivata, così come avviene con le energie da fonti fossili. Per questo è inserita nelle fonti di energia rinnovabile programmabili.
Un altro degli aspetti positivi è che con una centrale a biomasse possiamo sfruttare risorse di scarto, risolvendo al contempo il problema dello smaltimento di quelli che altrimenti sarebbero considerati rifiuti. A ciò si aggiunge la possibilità di sfruttare per coltivazioni specifiche i terreni incolti o superfici agrarie di scarso valore produttivo.
Se la centrale funziona in assetto cogenerativo, a ciò si uniscono i vantaggi di un impianto di cogenerazione: minor consumo dell’energia primaria, con conseguente riduzione di costi e emissioni, possibilità di usufruire degli incentivi dedicati, riduzione delle perdite di trasmissione per la distribuzione e il trasporto dell’energia, dato che gli impianti devono necessariamente essere localizzati a poca distanza dall’utenza stessa per potere valorizzare l’energia termica.
Detto ciò, dobbiamo tuttavia considerare alcuni aspetti negativi.
L’alto tasso di umidità residua caratteristico di molte biomasse rende necessari trattamenti preliminari prima di essere utilizzata direttamente (combustione) o trasformata per via biochimica (fermentazione o digestione) o termochimica (pirolisi o gassificazione), che incidono naturalmente su tempi e costi, anche energetici. Da considerare anche il fatto che la qualità del combustibile dipende dalla qualità della biomassa grezza. Dalla FORSU o da liquami degli impianti di depurazione, per esempio, si ricava un biogas che deve essere purificato in modo molto più profondo prima di essere inviato al cogeneratore di un biogas da reflui zootecnici bovini.
La cogenerazione inoltre non è sempre sinonimo di risparmio energetico ed economico: occorre un’analisi accurata del consumo e del carico elettrico e termico, per poter valutare efficienza e fattibilità tecnica e economica. Se non c’è compresenza e vicinanza di utenza termica ed elettrica, se la richiesta delle tue tipologie di energia non è contemporanea oppure non è compatibile, investire nella cogenerazione a biomasse potrebbe non essere una scelta azzeccata e non garantire il risparmio economico che ci si aspettava.
Se vuoi approfondire: quando conviene investire in un impianto di cogenerazione.