Biomassa: processi termochimici e biochimici per la produzione di energia

Articolo a cura di Fabio CAPOCCHIANO

Nell’articolo verranno considerate le varie metodologie per l’utilizzo della biomassa al fine di produrre energia. Per biomassa si intende la frazione biodegradabile di quei prodotti provenienti dall’agricoltura, dalla silvicoltura e dalle industrie collegate, comprese la pesca e l’acquacoltura. Strettamente connesso ad essa vi è il concetto di bioenergia. Si tratta di quella quota di energia derivante dall’utilizzo di biomassa, biocombustibili e biocarburanti.

Biomassa e bioenergia

La biomassa comprende ogni materiale, legato alla chimica del carbonio, derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana. La fotosintesi rappresenta il processo naturale per il quale le piante e le alghe trasformano energia solare, acqua e anidride carbonica in glucosio e ossigeno. Quindi, la biomassa è una fonte di energia rinnovabile. Infatti, la CO₂ prodotta durante i processi di conversione della stessa è in quantità uguale a quella assorbita dalle piante stesse per la fotosintesi.

I suoi costituenti sono carbonio, idrogeno e ossigeno ma anche azoto, fosforo e potassio. La parte organica è composta da cellulosa, emicellulosa, lignina e acqua. Altri costituenti sono gli estratti, composti a basso peso molecolare. La parte inorganica comprende alcuni sali, che danno vita alle ceneri.  Tra le varie tipologie esistono i residui e le colture. I residui si distinguono in forestali, agricoli e rifiuti urbani e liquami. Le colture sono quelle acquatiche e quelle terrestri.

Biomassa: processi termochimici

Il primo modo per ottenere energia a partire da biomassa è rappresentato dai processi termochimici. Essi sfruttano processi di combustione e sono utilizzabili per biomassa contenente umidità<30% e un rapporto C/N>30 (rapporto carbonio-azoto). Tra questi processi ci sono:

• Combustione diretta. In questa fase vi è l’ossidazione del carbonio in CO₂ e dell’idrogeno in acqua. Tale processo comprende diverse fasi:
  • riscaldamento della biomassa ad elevata temperatura ed essiccamento;
  • rilascio di composti volatili e combustione di tali composti con l’ossigeno presente nell’ambiente;
  • combustione della parte solida carboniosa rimasta con l’ossigeno che si diffonde nella matrice porosa della biomassa.
• Pirolisi. Si tratta di un processo di decomposizione chimica ottenuta attraverso l’utilizzo di calore con temperature comprese tra i 400° e 800^° C.
• Steam Explosion. È un processo idrotermico. Si inserisce biomassa e vapore saturo ad alta pressione in un reattore. Viene mantenuta la temperatura per una decina di minuti. Infine, si apre la valvola di esplosione provocando un abbassamento della pressione a valori ambientali e la decompressione della biomassa.
• Gassificazione. È un processo termochimico in cui la biomassa reagisce con ossigeno sottostechiometrico (miscela ricca) per produrre syngas che a sua volta può essere bruciato.

Processi biochimici

Oltre a quanto su scritto, i processi biochimici permettono di ottenere energia a partire da biomassa attraverso reazioni chimiche grazie al contributo di enzimi. Infatti, gli enzimi vanno a catalizzare le reazioni ovvero ne accelerano la velocità abbassando l’energia di attivazione. Di conseguenza, tali processi sono impiegati per biomassa contenente umidità>30% e un rapporto C/N<30 (rapporto carbonio-azoto).

Tra essi troviamo:

• Digestione anaerobica. Processo in assenza di ossigeno. Si ottiene biogas formato da metano e anidride carbonica.
• Digestione aerobica. Processo in presenza di ossigeno. Si ottiene calore, humus e altri fertilizzanti.
• Fermentazione alcolica. Si tratta di una trasformazione chimica per cui il glucosio è trasformato in alcool etilico (etanolo).
• Idrolisi. Tale processo consiste nella scissione di una molecola organica ad opera dell’acqua.
• Biofotolisi. Essa indica la scissione di molecola di acqua per mezzo di energia proveniente dai fotoni. Si ottiene H₂ ma il limite è la produzione contemporanea di ossigeno.
• Estrazione di oli. Lo scopo è separare grassi e proteine in modo da isolarli e ottenere il massimo rendimento.