3- trattamenti delle biomasse residuali

Transcript

SOMMARIO
Abstract ............................................................................................................................................................. 3
Riassunto ........................................................................................................................................................... 4
1-
Introduzione .............................................................................................................................................. 5
2-
Le biomasse ............................................................................................................................................... 8
2.1
Definizioni .............................................................................................................................................. 8
2.2
Categorie di biomasse ......................................................................................................................... 11
Biocombustibili dalle biomasse ................................................................................................................... 11
2.3
Tecnologie di conversione energetica ................................................................................................. 15
La conversione biochimica .......................................................................................................................... 15
La conversione termochimica...................................................................................................................... 18
2.4
Disponibilità delle biomasse residuali nel territorio nazionale ........................................................... 23
Residui forestali ........................................................................................................................................... 23
Residui delle produzioni agricole................................................................................................................. 24
Residui delle produzioni dell’agroindustria ................................................................................................. 26
Scarti dell’industria del legno ...................................................................................................................... 29
2.5
L’uso energetico delle biomasse: vantaggi e problematiche connesse .............................................. 30
2.6
Le biomasse solide: caratteristiche, criticità e punti di forza. ............................................................. 34
Struttura delle biomasse lignocellulosiche .................................................................................................. 34
Principali componenti delle biomasse ......................................................................................................... 35
Analisi elementare delle biomasse .............................................................................................................. 39
Criticità e punti di forza ............................................................................................................................... 41
3-
Trattamenti delle Biomasse Residuali.................................................................................................... 44
3.1
Introduzione ........................................................................................................................................ 44
3.2
Cippatura ............................................................................................................................................. 46
3.3
Trattamenti per la rimozione della frazione inorganica ...................................................................... 49
3.4
Torrefazione ........................................................................................................................................ 51
3.5
Pellettizzazione .................................................................................................................................... 56
Un’altra forma densificata: i Briquettes ...................................................................................................... 64
3.6
Estrazione delle Matrici Oleose ........................................................................................................... 67
Estrazione meccanica .................................................................................................................................. 68
Estrazione chimica ....................................................................................................................................... 70
4-
Parte sperimentale: introduzione, piano di lavoro, materiali e metodi. .............................................. 72
4.1
Introduzione ........................................................................................................................................ 72
4.2
Reperimento dei materiali................................................................................................................... 75
4.3
Trattamenti (piani sperimentali adottati e test condotti) ................................................................... 84
Premessa ..................................................................................................................................................... 84
“Estrazione Meccanica” di matrici oleose ................................................................................................... 84
Trattamento di “Torrefazione” .................................................................................................................... 84
Trattamento di “Rimozione delle Ceneri” delle biomasse solide ................................................................ 87
Trattamento di “Pellettizzazione” delle biomasse e dei prodotti torrefatti ............................................... 91
4.4
Caratterizzazione chimico-fisica dei materiali (materie prime e prodotti finiti) ................................. 94
Premessa ..................................................................................................................................................... 94
Metodiche d’analisi .................................................................................................................................. 94
4.5
5-
Gli strumenti di laboratorio e gli apparati sperimentali .................................................................... 101
Risultati e Considerazioni ..................................................................................................................... 110
5.1
ESTRAZIONE MECCANICA dell’OLIO e CARATTERIZZAZIONE ............................................................ 110
5.2
TRATTAMENTI di TORREFAZIONE CONDOTTI PRESSO l’UNIVPM ..................................................... 112
Risultati delle analisi termogravimetriche ................................................................................................. 112
Caratterizzazione chimico-energetica dei materiali e bilanci dei processi di torrefazione ....................... 119
5.3
TRATTAMENTI di TORREFAZIONE CONDOTTI PRESSO il DTU............................................................ 134
Risultati dei test di torrefazione e della caratterizzazione ........................................................................ 134
Monitoraggio del processo di macinazione............................................................................................... 136
Analisi dell’igroscopicità delle biomasse tal quali e torrefatte ................................................................. 139
5.4
TRATTAMENTI di RIMOZIONE delle CENERI ...................................................................................... 142
Effetti del trattamento meccanico (soffiaggio di aria compressa) ............................................................ 142
Effetto del trattamento di lisciviazione (“water leaching”)....................................................................... 143
Funzioni e coefficienti che descrivono l’andamento della rimozione di cenere ....................................... 148
5.5
TRATTAMENTI di PELLETTIZZAZIONE ................................................................................................ 149
Determinazione della pressione di attrito ................................................................................................. 149
Analisi della stabilità dei pellet mediante determinazione della massima resistenza a compressione .... 152
6-
Conclusioni ............................................................................................................................................ 154
Bibliografia .................................................................................................................................................... 160
2
ABSTRACT
There is a wide availability of residual biomasses in Italy, deriving from different production
sectors (agro-forestry, agro-food industry, wood industry). The energy valorisation of those
residues can contribute to solve three important problems: environmental issue, which is relative
to “waste” disposal and greenhouse gas emissions; energetic issue, related to the need of varying
fuel supply; economic issue, related to the need of optimize production processes. An energetic
use of residual biomass, moreover, would solve the ethic issue of destining lands to biofuel
production.
Solid biomasses, however, show high variability in terms of physical and chemical properties that
makes problematic their energy use (high moisture content, heterogeneity of inorganic fraction,
variability of organic fraction). In this work some physical and thermochemical techniques of
treatment were studied, developed and then tested on samples of residual biomasses found in
Italy (industrial residues of tomato, olive pomace, marc, rape straw, sunflower stalks, sunflower
oilcake), to obtain fuel products more homogeneous and stabilized. More specifically, after a first
phase of physical-chemical characterization of materials, the following tests were performed:
•
Mechanical extraction of oil from fatty matrices;
•
torrefaction treatment
•
Ash removing treatment
•
Pelletizing of original and torrefied materials
The results of characterisation performed on materials before and after the treatments, showed
some benefits in terms of product quality (higher calorific value and higher homogeneity),
conservation (less hygroscopicity) and storage and transport efficiencies (increase of mass and
energy concentrations).
3
RIASSUNTO
Esiste sul territorio nazionale un’ampia disponibilità di biomasse residuali, provenienti da
differenti settori produttivi (agroforestale, agroalimentare, industria del legno). La valorizzazione
energetica di tali residui può contribuire alla risoluzione di tre importanti problemi: quello
ambientale, legato allo smaltimento dei “rifiuti” e alle emissioni di gas serra; quello energetico,
legato alla necessità di diversificare l’approvvigionamento di combustibili; quello economico,
legato alla necessità di ottimizzare i processi produttivi. L’utilizzo energetico di biomasse residuali
risolverebbe, inoltre, il problema etico della destinazione di superfici agricole alla produzione dei
biocombustibili.
Le biomasse solide presentano, tuttavia, un’elevata variabilità in termini di proprietà fisiche e
chimiche che ne rendono complesso l’uso energetico (alto tasso di umidità, eterogeneità della
frazione inorganica, variabilità della componente organica). Alla luce di ciò, in questo lavoro si
sono studiate e sviluppate alcune tecniche di trattamento fisiche e termochimiche testate poi su
campioni di biomasse residuali reperiti in ambito nazionale (residui industriali di pomodoro, sanse,
vinacce, paglia di colza, stocchi di girasole, panelli di girasole), al fine di ottenere prodotti
combustibili più omogenei e standardizzabili. Nello specifico, dopo una prima fase di
caratterizzazione chimico-fisica dei materiali, sono stati condotti test di:
 estrazione meccanica delle matrici oleose;
 trattamento di torrefazione;
 trattamento di rimozione delle ceneri;
 trattamento di pellettizzazione su materiali originali e torrefatti.
I risultati della caratterizzazione condotta sui materiali, prima e dopo i trattamenti, hanno messo
in evidenza vantaggi in termini di qualità del prodotto (aumento del potere calorifico e maggiore
omogeneità), conservabilità (riduzione dell’igroscopicità) ed efficienza di stoccaggio e di trasporto
(incremento della concentrazione di massa ed energetica).
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1- INTRODUZIONE
Negli ultimi anni sono aumentate le critiche rivolte dall’opinione pubblica nei confronti delle
bioenergie e, in particolare, dei biocarburanti ottenuti da coltivazioni energetiche dedicate. La
principale obiezione mossa riguarda l’ILUC (indirect land use change impacts of biofuels) e cioè la
competizione per la destinazione dei suoli. Le colture energetiche, infatti, vengono spesso
accusate di non essere realmente sostenibili e nemmeno etiche, in quanto colpevoli di sottrarre
terre utili alla produzione di alimenti, con ricadute negative sui prezzi e quindi sul potere
d’acquisto delle popolazioni, soprattutto nei paesi in via di sviluppo. L’ILUC, inoltre, non si ferma
alla riconversione di colture agrarie. La necessità di vaste superfici può portare, come è già
avvenuto in alcune parte del globo (Papua Nuova Guinea, Costa d’Avorio, Uganda e soprattutto
Indonesia, diventata in pochi anni il quarto Paese per emissioni di gas serra), ad incrementare le
attività di deforestazione, con forte impatto sull’ambiente.
In un lavoro, pubblicato nel 2008 nella rivista Science, a firma Fargione et al., si sostiene che, se si
convertissero le foreste pluviali, le torbiere, le savane o le praterie di Brasile, Sudest Asiatico e
Stati Uniti alla produzione di biocarburanti da colture energetiche, si produrrebbe un debito di
carbonio, dovuto al rilascio di CO2, da 17 a 420 volte maggiore rispetto alla riduzione di gas serra
che si otterrebbe dalla sostituzione dei combustibili fossili con questi biocombustibili. I risultati
indicati sarebbero quindi tragicamente lontani dall’obiettivo di sostenibilità dei carburanti verdi
imposti dalle direttive comunitarie: ridurre le emissioni di gas serra del 35% rispetto ai
combustibili fossili.
Al contrario, i biocombustibili ottenuti da biomasse di scarto o da biomasse prodotte su terreni
agricoli degradati o abbandonati e coltivati con piante perenni, comportano un debito di carbonio
minimo o nullo e possono offrire vantaggi, in termini di emissioni di gas serra, immediati e
duraturi.
Alla luce di queste considerazioni, compito della ricerca è di individuare soluzioni nuove e più
sostenibili, come ad esempio rendere possibile anche l’utilizzo energetico degli scarti e dei rifiuti
organici derivanti dai vari comparti dei settori agricolo, forestale, alimentare e agro-industriale. La
valorizzazione energetica di tali sottoprodotti, infatti, potrebbe contribuire alla risoluzione di tre
importanti problemi: quello ambientale, legato allo smaltimento dei “rifiuti” e alle emissioni di gas
serra; quello energetico, legato alla necessità di diversificare le fonti di approvvigionamento di
combustibili per ridurre progressivamente la dipendenza dalle fonti fossili; quello economico,
legato alla necessità di ottimizzare i processi produttivi per massimizzare il valore aggiunto
ottenibile. Inoltre, per quanto riguarda la produzione di biocombustibili, l’utilizzo di biomasse
residuali risolverebbe, finalmente, il problema etico della destinazione di superfici agricole per
utilizzi “no food”.
A fronte di queste osservazioni, sintesi di un’analisi approfondita condotta durante il periodo di
dottorato, si è intrapreso lo studio di alcune filiere agro-industriali di interesse nazionale
verificando la possibilità di valorizzazione dei residui produttivi, principalmente attraverso un
utilizzo energetico. La ricerca propone un approccio metodologico per valutare potenzialità e limiti
dei settori oggetto dell’indagine e testa gli effetti di specifici trattamenti da applicare ai residui al
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fine di ottenere vantaggi in termini di performance in combustione, conservabilità ed efficienza di
stoccaggio e di trasporto. Le biomasse solide, infatti, in particolare quelle residuate dall’industria
agroalimentare, presentano un’elevata variabilità in termini di proprietà fisiche e chimiche. L’alto
tasso di umidità, l’eterogeneità della frazione inorganica e la variabilità della componente organica
sono tra i principali aspetti che possono rendere complesso l’uso energetico di queste matrici,
soprattutto in sistemi basati sul processo di combustione. Per questi motivi si sono studiate e
sviluppate alcune tecniche di trattamento dei materiali al fine di ottenere prodotti combustibili più
omogenei e standardizzabili.
I più comuni trattamenti si basano su processi termochimici (gassificazione, pirolisi,
carbonizzazione, torrefazione), che prevedono di sottoporre le biomasse a temperature elevate e
in presenza di un’atmosfera a ridotta o nulla concentrazione di ossigeno. Il calore determina la
rottura dei legami chimici delle molecole organiche (cellulosa, emicellulosa e lignina)
modificandone la struttura chimica e determinando la formazione di composti volatili.
Nel presente studio, quale tecnica di trattamento termochimico della biomassa, è stata presa in
considerazione la torrefazione che si presenta come uno dei trattamenti più interessanti, sia per
l’efficienza energetica del processo che per i vantaggi che questa comporta a livello qualitativo
(Uslu 2008). Tale processo determina in prodotti con una composizione prevalentemente lignocellulosica cambiamenti molto interessanti ai fini della combustione quali, per esempio, l’aumento
della densità energetica, la diminuzione dell’igroscopicità e la facilità di macinazione che
avvicinano il comportamento del prodotto torrefatto a quello dei combustibili solidi tradizionali
(Phanphanich 2010, Sadaka 2009, Arias 2008, Bridgeman 2008, Felfli 2005).
Le migliori proprietà energetico-meccaniche del torrefatto, rispetto al prodotto d’origine tal quale,
determinano anche dei vantaggi in termini di maggiore stabilizzazione biologica e riduzione dei
costi delle fasi di lavorazione dei materiali, dove gli oneri sono funzione dei volumi in gioco
(trasporto e stoccaggio in particolare). Infatti, la torrefazione facilita sia la densificazione del
materiale mediante pellettizzazione, grazie ad un minore consumo energetico rispetto alla
pellettizzazione diretta, sia la miscelazione del prodotto torrefatto con il carbone fossile per
l’alimentazione di impianti energetici (co-combustione) (Stelte 2011, Shang 2012, Li 2012). È stato
notato anche un vantaggio energetico della torrefazione nel pretrattamento della biomassa da
utilizzare in gassificazione (Prins 2006; Couhert 2009).
Ai fini dell’individuazione delle migliori condizioni di torrefazione, relative ai differenti materiali, si
è rivelata di fondamentale importanza una preliminare indagine termogravimetrica. Questa
analisi, una volta definiti gli obiettivi da perseguire con il trattamento termico, consente di stabilire
l’area operativa in cui avvengono le modifiche più significative della parte organica del prodotto
(Chen 2010, Mangut 2006). Rimane invece inalterata la parte inorganica della biomassa che, nel
prodotto torrefatto finale, si presenta con una concentrazione superiore rispetto alla biomassa di
partenza e proporzionale alla perdita di peso subita dal materiale durante il processo (Bergman
2005).
La torrefazione, quindi, non è un trattamento che risolve i problemi legati all’elevata presenza di
ceneri nei biocombustibili solidi e, di conseguenza, non influisce sulla presenza di elementi chimici
indesiderati (impatto negativo sull’ambiente, corrosione e danneggiamento degli impianti termici)
6
né sulla eventuale produzione di depositi e aggregati all’interno delle caldaie (causati dalle basse
temperature di fusione) (Toscano 2010).
Per questi aspetti, al fine di verificare la possibilità di ridurre il contenuto di ceneri nelle biomasse
solide in generale e nei loro eventuali prodotti torrefatti, nell’ambito del dottorato si sono studiati
e testati i benefici ottenibili attraverso un trattamento fisico in fase acquosa (water leaching)
(Arvelakis 2001, Dayton 1999, Turn 1997). Il principale obiettivo dell’approfondimento è stato
l’individuazione di una metodica in grado di evidenziare l’influenza dei diversi fattori (temperatura,
tipo e pezzatura del materiale, diluizione, agitazione) sull’efficienza del processo, così da poter
identificare le condizioni operative in grado di ridurre significativamente il contenuto di ceneri
nelle diverse matrici.
Nella fase conclusiva del percorso di dottorato, ed in particolare in occasione dell’esperienza di
ricerca condotta all’estero, si è verificata sperimentalmente anche l’attitudine di alcune biomasse
residuali tal quali e torrefatte, rappresentative a livello nazionale, alla densificazione mediante
trattamento di pellettizzazione. Più nel dettaglio, il residuo del processo di vinificazione (vinaccia)
ed il residuo della trasformazione industriale del pomodoro (bucce e semi) sono stati sottoposti ad
una serie di test ed analisi, secondo quanto stabilito dal programma sperimentale individuato in
collaborazione con il gruppo di lavoro BGG (Biomass Gassification Group) dell’Institut for
Kemiteknik presso il Risø DTU (Danmarks Tekniske Universitet). La ricerca condotta nei laboratori e
nelle officine del centro di ricerca del DTU, con sede a Roskilde, ha avuto come obiettivo quello di
verificare se i vantaggi che generalmente si ottengono sottoponendo biomasse nobili, come il
cippato di legno (abete nel caso specifico), ai trattamenti di torrefazione e di pellettizzazione
(Stelte 2011, Shang 2012) possono effettivamente essere ottenuti anche trattando biomasse
residuali non prettamente lignocellulosiche.
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2- LE BIOMASSE
2.1 DEFINIZIONI
Per biomassa, in senso ampio, si può intendere tutta la materia organica prodotta da attività
biologica. Nella sua accezione energetica il termine biomassa indica più specificatamente la
materia organica prodotta o residua utilizzabile come fonte di energia in processi di generazione di
elettricità, calore o biocombustibili.
La variabilità di forme e di caratteristiche richiede più criteri di classificazione. Nella figura 2.1.1 è
riportata una prima schematizzazione che intende inquadrare l’insieme delle biomasse utilizzabili
a scopo energetico.
Figura 2.1.1 - Schema di inquadramento delle biomasse utilizzabili a fini energetici. In verde le biomasse derivanti dalla
gestione di risorse naturali; in giallo quelle prodotte attraverso coltivazioni dedicate; in marrone quelle residuali dei
settori agricolo ed agroindustriale.
Fonte: ASSAM 2010
In ambito comunitario con la Direttiva “sulla promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti
energetiche rinnovabili”, Dir. 2001/77 del 27-9-2001, si indica, con il termine “biomassa”, “la parte
biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze
vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile
dei rifiuti industriali e urbani”. Tale definizione viene sostanzialmente ripresa dalla Dir. 2009/28/CE
del 23-04-09 sulla “promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili”, meglio conosciuta come
“RED”.
8
In Italia la definizione e collocazione di biomassa/biocombustibili è stata, nel corso degli ultimi
anni, oggetto di varie revisioni ed è stata affrontata dalle norme sulla gestione dei rifiuti (D.Lgs.
n. 22 del 05/02/97; DM 05/02/98), sulla regolamentazione dei combustibili (DPCM
dell’08/03/2002, poi ripreso dal D.Lgs. n. 152 del 2006 1) e sulla promozione delle fonti
rinnovabili (D.Lgs. 387/2003) da cui sono derivate tante altre definizioni.
Premesso che è presumibile che tale difformità possa o debba essere prima o poi risolta nella
logica dell’armonizzazione delle diverse legislazioni nazionali, allo stato attuale, in Italia, la
collocazione normativa della biomassa vegetale, allorché destinata all’utilizzo energetico, è
sintetizzabile come segue:
 Biomasse combustibili (definite anche “vergini”)
Il materiale vegetale rispondente alla descrizione inclusa nell’Allegato X alla Parte quinta del D.Lgs.
152/2006 (ex DPCM 08/03/2002) può essere inquadrato come un combustibile e la sua
conversione energetica è regolamentata nell’ambito della normativa sui combustibili; si tratta
sostanzialmente di “biomassa vergine” che, quindi, non ha subito alcun trattamento chimico
artificiale.
Si noti che il criterio distintivo delle “biomasse combustibili” è l’attitudine del materiale alla
conversione energetica, pertanto l’appartenenza di un materiale a questa categoria non esclude il
fatto che debba essere trattato come un rifiuto qualora venga definito tale nelle fasi di gestione
che precedono la conversione.
 Biomasse rifiuto
Il materiale residuale biologico che non risponde ai requisiti dell’Allegato X ricade nell’ambito
dell’applicazione del decreto ministeriale (DM) 05/02/98 (decreto applicativo del Ronchi) e del
D.Lgs. 133/2005 (recepimento della “Direttiva Rifiuti”).
 Sottoprodotti
Ai sensi del D.Lgs. n. 4 del 16/01/2008, all’art. 183, comma 1, lettera p), affinché sia possibile
classificare “sottoprodotto”, anziché “rifiuto”, lo scarto e il residuo avviato ad un altro ciclo
produttivo (esempio: produzione del prodotto “biogas”), tale materiale deve rispettare quanto di
seguito enunciato:
- deve essere generato da un processo produttivo, pur non essendone il prodotto principale;
- l’impiego in altro processo produttivo deve essere certo sin dalla fase della sua produzione
e deve essere integrale. Il processo in cui lo scarto è reimpiegato deve essere
preventivamente individuato e definito;
- deve avere caratteristiche merceologiche e di qualità ambientale tali da garantire che il suo
utilizzo non generi un impatto sull’ambiente, qualitativo e quantitativo, diverso da quello
ammesso e autorizzato nell’impianto di destinazione;
1
Nel Decreto del Presidente del Consiglio dei Ministri (DPCM) dell’08/03/2002, poi ripreso dal D.Lgs. n. 152 del 2006, tra i
combustibili ammessi per impianti industriali e civili sono presenti le seguenti “biomasse”:
- Materiale vegetale prodotto da coltivazioni dedicate;
- Materiale vegetale prodotto da trattamento esclusivamente meccanico di coltivazioni agricole non dedicate;
- Materiale vegetale prodotto da interventi silvicolturali, da manutenzioni forestali e da potatura;
- Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di legno vergine […] non contaminato da inquinanti;
- Materiale vegetale prodotto dalla lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoli;
- Sansa di oliva disoleata […].
Sono questi, quindi, i biocombustibili solidi in ambito nazionale.
9
-
deve possedere le caratteristiche di compatibilità ambientale di cui sopra sin dal momento
della sua produzione; non sono quindi consentiti, a tale scopo, trattamenti o trasformazioni
preliminari al suo reimpiego;
- deve avere un valore economico di mercato.
- La nuova definizione di “sottoprodotto” risulta di notevole importanza per le ripercussioni
che può avere nell’inquadramento complessivo dell’attività di produzione di energia e dei
relativi “scarti di produzione”.
Sebbene allo stato attuale le implicazioni di tali aspetti siano ancora in fase di valutazione, è
importante sottolineare che per i soggetti agricoli, alla luce di quanto disposto, alcune biomasse
possono essere favorevolmente impiegate, ad esempio nella filiera del biogas, svincolate dal
contesto dei rifiuti, con l’ulteriore vantaggio che il digestato stesso può essere gestito senza essere
inquadrato come rifiuto.
Inoltre, nell’art. 185, comma 2, del D.Lgs. n. 4/2008, è stabilita la possibile applicazione del
concetto di “sottoprodotto”, sopra illustrato, a deiezioni zootecniche e scarti vegetali derivanti
dall’attività agricola quando utilizzati presso la stessa azienda in veri e propri impianti aziendali o
interaziendali per produrre energia, calore o biogas.
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2.2 CATEGORIE DI BIOMASSE
Esistono diverse tipologie di biomasse che possono essere classificate in modi differenti. Una
classificazione può essere fatta in funzione dei settori di provenienza. Le biomasse ad uso
energetico possono provenire:
 dal settore agricolo,
 dal settore forestale,
 dal comparto zootecnico,
 dall’industria agroalimentare,
 dall’industria di lavorazione del legno.
Le biomasse sono rappresentate, per la gran parte, dai residui delle coltivazioni agricole e forestali,
dagli effluenti zootecnici, dai residui dell’agroindustria e dell’industria di prima e seconda
lavorazione del legno ma possono anche essere specificatamente prodotte attraverso coltivazioni
dedicate, cioè mediante colture e sistemi colturali, tradizionali o innovativi, la cui finalità è quella
energetica.
Le biomasse residuali per la produzione energetica possono derivare dall’attività forestale,
agricola di coltivazione e allevamento e, indirettamente, dalle successive attività di manipolazione,
commercializzazione e trasformazione. Per sua natura la biomassa è una risorsa distribuita sul
territorio; parte di questa risorsa è in qualche modo già “disponibile” in quanto costituita da
residui di vario tipo dell’attività primaria e secondaria. Per gran parte delle biomasse residuali
sussistono, a oggi, problematiche relative all’ottimizzazione del ciclo produttivo, alla logistica
(raccolta, trasporto, stoccaggio) e ai processi avanzati di conversione energetica, oltre ad una
attenta valutazione dell’impatto ambientale e agronomico legato al loro impiego energetico.
Le colture dedicate sono specifiche coltivazioni, destinate all’impiego energetico, che allo stato
attuale possono essere ricondotte a colture per la produzione di biocarburanti (oleaginose per
produzione di olio vegetale puro o amidacee per la produzione di bioetanolo), di biogas o per la
produzione di biomasse lignocellulosiche per la combustione (colture annuali o poliennali e short
rotation forestry), che in alcuni casi mantengono gli stessi principi agronomici e selvicolturali delle
colture tradizionali mentre in altri differiscono per le varietà, le cure colturali e le metodologie di
raccolta.
BIOCOMBUSTIBILI DALLE BIOMASSE
Il termine biocombustibili individua, nella sua accezione più ampia, l’insieme di quelle biomasse
o prodotti derivanti dalle biomasse che presentano caratteristiche fisico-chimiche tali da renderli
utilizzabili in processi di combustione o altra trasformazione termochimica. I biocombustibili, in
funzione del loro stato, possono essere classificati in:
 solidi (legna da ardere in ciocchi, cippato e pellet di legno, brichette),
 liquidi (oli vegetali, alcoli, esteri, oli pirolitici),
 gassosi (biogas, biometano, syngas).
I biocombustibili possono derivare direttamente dalle biomasse (es. legna da ardere), od essere
ottenuti a seguito di un processo di trasformazione strutturale del materiale organico. Tra questi
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ultimi, i principali sono: cippato, pellets, brichette, olio vegetale, biodiesel, bioetanolo, biogas e
biometano.
Biocombustibili solidi
Tabella 2.2.1 - Principali tipologie commerciali dei biocombustibili solidi (fonte: CTI-PROBIO)
Combustibile
Dimensione tipica
Metodo di preparazione
Bricchette
Pellet
Agglomerati sferoidali
Combustibile in polvere (polverino)
Segatura
Cippato
Scaglie
Ciocchi/tronchetti/tondelli
Tondo lungo
Balle
Balloni
Rotoballe
Minirotoballe
Fascine
Tronchi virtuali
Corteccia
Paglia sminuzzata
Semi o granella
Gusci e noccioli
∅ > 25 mm
∅ < 25 mm
∅ < 50 mm
< 1 mm
1-5 mm
5-100 mm
varia
100-1000 mm
> 500 mm
0,1 m3
3,7 m3
2,1 m3
0,8 m3
varia
5-6 m3
varia
10-200 mm
varia
5-15 mm
compressione in una pressa a pistone
estrusione
centrifugazione
macinatura
taglio con strumenti affilati
frantumazione con strumenti non affilati
compressione in parallelepipedi
compressione in parallelepipedi
compressione in cilindri
allineamento e legatura
residui da scortecciamento degli alberi
taglio durante la raccolta
essiccazione
nessuna preparazione
Esistono numerosissime forme di biocombustibili solidi che derivano da biomasse legnose o
lignocellulosiche – le principali sono riassunte nella tabella 2.2.1 – ma di fatto, il principale
biocombustibile solido è il legno. È possibile procedere ad una sua classificazione considerando le
differenti forme sotto cui è presente dal punto di vista commerciale:
Il legno in pezzi (o in ciocchi) rappresenta una delle pezzature commerciali più diffuse. Senza
meno sono l’assortimento più utilizzato negli ambienti rurali o montani, dove la raccolta della
legna e il suo stoccaggio in ciocchi di opportune dimensioni è un’attività che sopravvive alle
attrattive offerte dalle sempre più moderne tecnologie per il riscaldamento residenziale. Si ottiene
a partire dagli alberi abbattuti e prevede delle operazioni che servono a ridurne le dimensioni fino
ad ottenere pezzi di diametro generalmente compreso tra 5 e 30 cm e lunghezza di circa 50-100
cm. Questa pezzatura, infatti, presenta diversi vantaggi: facilità di accatastamento, facilità di
misura e stima, maneggevolezza anche per una sola persona, possibilità di usare macchine
semiautomatiche agevolatrici per la realizzazione di rotoballe, facilità di trasporto su camion e
rimorchi.
Il cippato è un biocombustibile ottenuto mediante sminuzzatura del legno effettuata da macchine
cippatrici o sminuzzatrici dotate di lame o coltelli che tagliano il materiale e lo trasformano in
scaglie parallelepipede omogenee. Simile, ma diverso per tipologia, e il legno frantumato che
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deriva dalla sfibratura del legno ad opera di macchine munite di martelli o mazze. Il legno
frantumato si presenta in forme e dimensioni disomogenee.
Il pellet è un combustibile prodotto a partire da legno ottenuto da colture dedicate o anche da
alcune tipologie di scarti dell’industria del legno (segatura, polveri) o delle produzioni agricole
(agripellet). Questo combustibile si distingue per la bassa umidità (inferiore al 12 %), per la sua
elevata densità e per la regolarità del materiale. I pellets sono prodotti con la polvere ottenuta
dalla macinatura dei residui lignocellulosici, la quale viene pressata da apposite macchine in
cilindretti che possono avere diverse lunghezze e diametri (1,5-2 cm di lunghezza,6-8 mm di
diametro). Il ridotto contenuto idrico, la compattezza e la maneggevolezza danno a questa
tipologia di combustibile caratteristiche di alto potere calorifico (4,4-4,6 kWh/kg) e di affinità ad
un combustibile fluido.
Con residui e polveri più grossolane vengono prodotte le bricchette, che sono dei tronchetti di
segatura pressata, in genere di 30 cm di lunghezza e 7-8 cm di diametro. L’utilizzo e assimilabile a
quello del legno in ciocchi, limitatamente all’uso domestico.
Biocombustibili liquidi
L’olio vegetale puro deriva dal processo di estrazione meccanica (spremitura) e/o chimica (con
solvente) dei semi oleosi prodotti da alcune specie di piante, come: colza, girasole, soia, ricino,
cardo, palma, jatropha. L’olio può essere impiegato in caldaie o in motori endotermici per la
produzione di energia termica e/o elettrica o forza motrice.
Il biodiesel è un biocombustibile ottenuto dagli oli vegetali puri o da oli esausti ed ha proprietà e
prestazioni simili a quelle del gasolio minerale. Caratteristiche distintive sono l’assenza di zolfo, di
composti aromatici, la riduzione del particolato fine (PM10) e, infine, la riduzione dei gas a effetto
serra (risparmio di 2,5 t di CO2 per tonnellata di gasolio sostituita). Il biodiesel presenta inoltre
elevata biodegradabilità (95%).
Il bioetanolo è invece l’alcool etilico prodotto tramite processi di fermentazione e distillazione di
materiali zuccherini o amidacei. La destinazione più considerata è nella sintesi dell’ETBE (etilterbutil-etere), usato in miscela alle benzine come additivo ossigenante ed antidetonante in
sostituzione del piombo tetraetile o degli idrocarburi aromatici.
L’olio di pirolisi è un biocombustibile liquido di “seconda generazione”, prodotto cioè da
biomassa solida lignocellulosica. Si ottiene tramite un processo termochimico nel quale la
biomassa, in assenza di ossigeno, viene sottoposta a rapido riscaldamento (generalmente attorno
ai 450-550 °C), generando così prevalentemente un olio denso, altamente viscoso, e fortemente
acido, il cui utilizzo diretto è per questo estremamente difficile e ancora in fase di
sperimentazione.
Biocombustibili gassosi
Il biogas si ottiene attraverso la digestione anaerobica, un processo biologico complesso
attraverso il quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica viene trasformata in una miscela
gassosa costituita principalmente da metano e anidride carbonica. La percentuale di metano nel
biogas varia a seconda del tipo di sostanza organica alimentata e dalle condizioni di processo, da
un minimo del 50% fino all’80% circa.
13
Il biometano è ottenuto dal biogas mediante un processo denominato “upgrading” (rimozione
della CO2), associato ad un trattamento di purificazione. Il gas ottenuto contiene circa il 95-98% di
metano, molto simile al gas naturale, e come tale, può essere immesso nella rete di distribuzione
del gas naturale per l’utilizzo domestico (preparazione di cibi e riscaldamento) e nei trasporti.
Il syngas, o gas di sintesi, è una miscela di gas, essenzialmente monossido di carbonio (CO) e
idrogeno (H2), con la presenza in quantità variabile anche di metano (CH4) e anidride carbonica
(CO2). Si ricava direttamente dalla degradazione ad alta temperatura (850°C-1200°C e oltre) di
qualsiasi materia organica.
14
2.3 TECNOLOGIE DI CONVERSIONE ENERGETICA
La conversione energetica delle biomasse viene attuata mediante due differenti tipologie di
processi: processi biochimici e processi termochimici.
I primi permettono di ottenere energia grazie alle reazioni chimiche prodotte da enzimi, funghi e
microrganismi, che si formano nella sostanza trattata sotto particolari condizioni. Tali processi
sono particolarmente adatti per tutte quelle biomasse che presentano un rapporto C/N < 30 e
un’umidità alla raccolta superiore al 30%; sono quindi sicuramente utilizzabili le colture
acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali, i reflui zootecnici nonché la frazione organica dei rifiuti
solidi urbani (FORSU).
I processi di conversione termochimica sono basati, invece, sull’azione del calore il quale trasforma
la biomassa di partenza o direttamente in energia termica, attraverso un comune processo di
combustione, o in altri prodotti, solidi, liquidi o gassosi, successivamente impiegabili sempre a
scopi energetici. Nei processi termochimici sono utilizzabili le biomasse di natura ligneo cellulosica
in cui il rapporto C/N abbia valori superiori a 30 e il contenuto d’umidità non superi il 30%. Le
biomasse più adatte a subire questa tipologia di processi sono la legna e tutti i suoi derivati
(segatura, trucioli, cippato), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo lignocellulosico (paglia di
cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci,
noccioli).
LA CONVERSIONE BIOCHIMICA
La digestione anaerobica
Si tratta di un processo fermentativo della materia organica, contenuta sia nei vegetali che nei
sottoprodotti di origine animale, condotto in assenza di ossigeno dall’azione congiunta di
microrganismi diversi (funghi, batteri); consiste nella demolizione delle sostanze organiche
complesse, contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale (lipidi, protidi, glucidi), in
molecole via via più semplici fino a generare un gas (biogas) costituito da una miscela composta
principalmente da metano (50–70%) e anidride carbonica (20–30%). La concentrazione di queste
sostanze nel biogas, che contiene in realtà anche piccole percentuali di idrogeno, monossido di
carbonio, idrocarburi saturi e tracce di acido solfidrico e ammoniaca, dipende quasi
esclusivamente dal tipo di sostanza organica digerita e dalle condizioni nelle quali si realizza la
digestione.
Il processo di digestione anaerobica si realizza in tre fasi distinte (idrolisi, fermentazione/acido
genesi, metanogenesi) nelle quali lavorano in serie diversi ceppi batterici (idrolitici,
fermentanti+acetogenici, metanigeni).
Complessivamente dunque, attraverso il meccanismo della digestione anaerobica, la componente
organica delle biomasse trattate viene degradata liberando, sotto forma di biogas, l’energia
chimica in essa contenuta, in misura variabile generalmente dal 30 all’85%. Come è possibile
intuire, l’esito del processo, quindi la produzione di biogas, dipende dall’azione coordinata e
sequenziale di tutti i gruppi microbici coinvolti. A tale scopo è indispensabile che l’ambiente di
15
reazione sia il risultato di un compromesso tra le esigenze dei singoli ceppi batterici, compromesso
che può realizzarsi mediante uno stretto controllo dei principali parametri di processo, come ad
esempio temperatura, pH, tempo di permanenza idraulico del substrato nel digestore, produzione
e composizione del biogas, acidità volatile e alcalinità.
Il prodotto ottenuto da questa conversione biochimica è dunque un gas combustibile ad elevato
potere calorifico che addirittura supera quello del syngas (proprio per l’alta concentrazione di
metano) e che raggiunge un valore medio di circa 23 MJ/Nm3. Una volta estratto dal digestore il
biogas prodotto viene raccolto, essiccato, purificato da sostanze non desiderate, compresso e
immagazzinato per essere poi utilizzato come combustibile in uno svariato numero di applicazioni
(produzione di energia elettrica e/o calore, produzione di biometano per usi domestici o per
l’autotrazione). Questo processo di fermentazione impoverisce la sostanza organica di carbonio
ma ne conserva integri i principali elementi nutritivi, quali azoto, fosforo, potassio. L’effluente, o
digestato, che ne deriva risulta pertanto un ottimo ammendante che può essere destinato alla
fertilizzazione dei terreni nel rispetto, però, di quanto stabilito dalla direttiva europea sui nitrati.
La fermentazione
Si tratta di un altro processo biochimico per la conversione delle biomasse in un biocombustibile
liquido, il bioetanolo. Le materie prime da impiegare nel processo di fermentazione possono
derivare dalle colture dedicate alcoligene, siano esse saccarifere (barbabietola da zucchero, canna
da zucchero, sorgo zuccherino) o amidacee (frumento tenero e granoturco), nonché dai residui
lignocellulosici. Vista la concorrenza delle colture dedicate con la produzione alimentare, assume
un’importanza crescente la possibilità di valorizzare in termini energetici i residui produttivi come
ad esempio gli scarti della produzione ortofrutticola. Un ruolo di notevole rilievo può essere poi
svolto anche dai residui lignocellulosici.
La filiera produttiva è articolata in tre sezioni ciascuna delle quali è caratterizzata da un livello di
maturità differente e da soluzioni tecnologiche peculiari. La sezione saccarifera, finalizzata alla
conversione energetica degli zuccheri ottenuti principalmente da colture come la barbabietola da
zucchero, la canna da zucchero o il sorgo zuccherino, è tecnologicamente matura tuttavia, a causa
della concorrenza esercitata della filiera alimentare, non si è ancora pienamente sviluppata a
livello commerciale. Dal punto di vista tecnologico ricalca in linea generale quella alimentare; essa
infatti prevede un processo produttivo distinto in tre fasi: estrazione degli zuccheri dai tessuti
vegetali, mediante delle operazioni di frantumazione e setacciatura più volte ripetute,
fermentazione alcolica dei glucidi e infine distillazione dell’etanolo. La fermentazione alcolica è un
processo micro–aerofilo condotto generalmente mediante l’utilizzo del lievito di birra
(Saccharomyces cerevisiae); questo, unito all’impasto precedentemente preparato attraverso
l’operazione di sminuzzamento della sostanza vegetale, favorisce la fermentazione degli zuccheri
che vengono quindi trasformati in alcol e anidride carbonica. Questa operazione viene attuata
utilizzando particolari bioreattori all’interno dei quali vengono ricreate le condizioni ideali per
favorire il metabolismo anaerobico del lievito; quindi basse concentrazioni di ossigeno,
temperature comprese tra i 5 e i 25 °C e un intervallo di pH variabile tra 4,8 e 5,0.
16
La separazione dell’etanolo avviene poi per distillazione; al termine della distillazione si ricava
etanolo in concentrazione pari al 95% in peso con un contenuto residuo in acqua del 5%. Il
bioetanolo può essere miscelato alla comune benzina, ma solo dopo una profonda disidratazione.
Si ha poi la sezione amidacea in cui il bioetanolo è ottenuto a partire da materie prime ricche di
amido, tipicamente grano o mais. In questo caso è necessario trattare l’amido attraverso una
reazione di idrolisi, per rendere fermentescibile il glucosio in esso contenuto. A questo scopo le
cariossidi (grani) di frumento e di mais vengono triturate e disidratate producendo così una pasta
d’amido che viene successivamente gelificata mediante l’utilizzo di vapore diretto alla
temperatura di 175 °C e alla pressione di 2 atm (≈2x105 Pa). L’idrolisi è generalmente condotta
utilizzando un enzima, denominato amilasi, che ha la proprietà di liberare le molecole di glucosio
contenute inizialmente nelle catene di amido. Questo trattamento è condotto a una temperatura
inferiore a 60 °C, e la resa in zuccheri fermentescibili è circa dell’80%. Conclusa la fase di idrolisi il
processo di produzione del bioetanolo si completa, così come accade per la sezione saccarifera,
con le fasi di fermentazione e distillazione.
Il bioetanolo può essere infine prodotto utilizzando anche materie prime ricche di cellulosa ed
emicellulosa come ad esempio paglia, stocchi di mais o residui legnosi provenienti dal comparto
agricolo, forestale o industriale. Dei principali componenti della biomassa lignocellulosica
(cellulosa, emicellulosa e lignina), soltanto la cellulosa e l’emicellulosa sono costituite da zuccheri
fermentescibili, pertanto solo queste possono essere utilizzate per la produzione dell’etanolo. Uno
dei punti critici che caratterizza perciò questa sezione della filiera è la separazione fisica della
cellulosa e dell’emicellulosa dalla lignina. Questo obiettivo può essere perseguito mediante
trattamenti chimico–fisici (il più studiato utilizza il vapore saturo ad alta pressione ed è
denominato steam explosion), chimici (con acidi) o meccanici (con sistemi di presse). Una volta
liberate dalla lignina, la cellulosa e l’emicellulosa vengono quindi sottoposte ad un processo di
idrolisi che potrà realizzarsi o per via chimica, attraverso l’impiego di acidi, o per via enzimatica, da
cui si ottengono gli zuccheri semplici (fermentescibili) che potranno così essere convertiti in
bioetanolo mediante il consueto processo di fermentazione alcolica.
La transesterificazione
Alcune biomasse presentano matrici oleose (semi, frutti, panelli di estrazione) che possono essere
estratte mediante tecniche differenti (meccaniche o chimiche) e destinate ad una valorizzazione
energetico. Spesso, però, l’utilizzo diretto (soprattutto in motori endodermici non predisposti)
comporta delle problematiche legate alle caratteristiche stesse degli oli e dei grassi, prima fra
tutte l’elevata viscosità (fino a 20 volte maggiore rispetto al gasolio). Una soluzione è quella di
sottoporre tali oli al processo di transesterificazione per la produzione di biodiesel.
Mediante tale processo, i trigliceridi2 contenuti nell’olio vegetale (in percentuale solitamente
compresa tra il 90 ed il 99%) reagiscono, in presenza di un catalizzatore, con un alcol,
generalmente metanolo (ma si può in alternativa usare anche l’etanolo), per formare esteri
metilici (biodiesel appunto) e, come prodotto secondario, glicerina grezza. Il principale risultato
2
Sono molecole complesse composte da una molecola di glicerolo e tre molecole di acidi grassi, generalmente
differenti tra di loro; tali molecole costituiscono gli accumuli energetici di vegetali ed animali.
17
che si ottiene è quello di ridurre la viscosità degli oli di partenza rendendoli compatibili con alcuni
usi energetici e, in particolare, con l’uso del biodiesel come carburante per l’autotrazione.
A livello industriale esistono fondamentalmente due modalità per realizzare la
transesterificazione: utilizzare come catalizzatore una base (NaOH o KOH), oppure realizzare una
catalisi acida. In generale il metodo più utilizzato è il primo che, oltre a garantire una maggiore
efficienza di conversione, pari mediamente al 98%, risulta anche economicamente più
vantaggioso, dato che sono richieste temperature e pressioni operative più basse.
All’interno del reattore si hanno si producono due fasi distinte e facilmente separabili: nella parte
alta si accumula l’estere metilico, indicato anche con la sigla FAME (Fatty Acid Methil Esters),
mentre nella parte basse si deposita, essendo più pesante, la glicerina. Quest’ultima, che
costituisce il principale sottoprodotto ricavabile dalla sintesi del biodiesel, ha un notevole valore
aggiunto per l’impianto di esterificazione soprattutto per effetto dei suoi svariati utilizzi
(soprattutto in ambito farmaceutico e cosmetico) e quindi del suo elevato valore economico.
LA CONVERSIONE TERMOCHIMICA
La pirolisi
La pirolisi rappresenta il processo chimico di reazione che incorre in via preliminare in entrambi i
processi di combustione e gassificazione di combustibili solidi (Bhaskar 2011); questa tipologia di
conversione termochimica viene descritta genericamente come un insieme di complessi processi
di decomposizione termica che si verificano quando un materiale viene sottoposto a calore in
assenza di ossigeno (Zhang 2010).
Attraverso la pirolisi, il combustibile viene trasformato in:
- GAS, ovvero una frazione “gassosa”, contente CO, CO2, idrocarburi leggeri (CH4, C2H4, C3H6)
e H2;
- TAR, Topping Atmospheric Residue, (anche detto “olio pirolitico”) una frazione “liquida
oleosa” contenente vapore acqueo e composti in forma di vapore, a basso-medio peso
molecolare (metanolo, acido acetico) come aldeidi, acidi, chetoni, alcoli, idrocarburi
pesanti condensabili a temperature inferiori ai 200-100 °C;
- CHAR, rappresentato da un prodotto “solido” composto principalmente da carbonio
contenente residui a più alto peso molecolare, come derivati furanici e composti fenolici, e
ceneri (Bocci 2011).
Sebbene le tre frazioni siano contemporaneamente presenti come risultato del processo della
pirolisi, è possibile incrementare la resa di una di esse selezionando opportunamente le condizioni
del processo (temperatura e durata del trattamento), come riassunto in tabella 2.3.1.
18
Tabella 2.3.1 - Tipologie di pirolisi, condizioni caratteristiche e prodotti ottenuti
Tipologia di pirolisi
Fast Pyrolysis
Intermediate Pyrolysis
Slow Pyrolysis
Condizioni di processo
Temperatura moderata (≈ 500 °C)
Tempo di permanenza del vapore ridotto (≈ 1 s)
Temperatura moderata (≈ 500 °C)
Tempo di permanenza del vapore moderato (≈ 10 - 20 s)
Temperatura ridotta (≈ 400 °C)
Tempo di permanenza dei componenti solidi molto elevato
Bio-oil
Char
Gas
75 %
12 %
13 %
50 %
20 %
30 %
30 %
35 %
35 %
Fonte: Zhang 2010
Sulla base delle analisi termogravimetriche (TGA) condotte sulla biomassa, sono state individuate
tre fasi caratteristiche (Maschio 1992):
- la prima, definita di pre-pirolisi, avviene nel range di temperatura compreso tra i 120 °C e i
200 °C, ed è caratterizzata da una lieve perdita di peso del materiale e da fenomeni di
riarrangiamento interno, quali ad esempio la rottura di doppi legami, la comparsa di
radicali liberi e la formazione di gruppi carbonili; parallelamente si verifica la liberazione di
ridotti quantitativi di acqua, monossido di carbonio e anidride carbonica (Zhang 2010);
- la seconda fase, che incorre nel range di temperatura 200 °C – 400 °C, è rappresentata dal
processo di pirolisi propriamente detto, durante il quale avviene l’effettiva decomposizione
termica, accompagnata da una consistente perdita di peso rispetto ai quantitativi di
biomassa immessa in origine, dovuta all’evaporazione del tar per via diffusiva o a seguito di
flussi convettivi (Suuberg 1996);
- l’ultima fase consiste nella volatilizzazione continua del char, causata dalla rottura dei
legami C-H e C-O, e avviene a temperature superiori ai 400 °C (White 2011).
La torrefazione
Anche la torrefazione, come la pirolisi, è un trattamento di tipo termico che viene condotto su
biomasse tendenzialmente lignocellulosiche in assenza di ossigeno e a pressione atmosferica. Le
temperature adottate sono però inferiori, dell’ordine dei 200 – 300°C (Chen 2010). Si tratta in
effetti di una “pirolisi blanda” che generalmente ha l’obbiettivo di migliorare certe proprietà
indesiderabili delle biomasse, rendendole più competitive nel mercato della generazione di
energia (Chew 2011).
In effetti, il processo di torrefazione determina sul legno, e in generale su tutti i prodotti a base
lignocellulosica, cambiamenti molto interessanti ai fini della combustione:
- la riduzione dell’umidità;
- l’aumento della densità energetica (Bridgeman 2008);
- la forte diminuzione dell’igroscopicità (Felfli 2005);
- la modifica delle proprietà meccaniche (>porosità, >fragilità, <resistenza meccanica) con
conseguente miglioramento della macinabilità (Phanphanich 2010, Arias 2008).
Sono queste alcune delle principali caratteristiche che avvicinano il prodotto torrefatto ai
combustibili solidi tradizionali (Chen 2010; Sadaka 2009).
19
La gassificazione
La gassificazione consiste in una ossidazione termica parziale della biomassa. I prodotti che si
generano sono rappresentati da un elevato quantitativo di gas e ridotte concentrazioni di char,
ceneri e composti condensabili, ovvero tar e bio-oil (Puig-Arnavat 2010).
Il processo comporta l’immissione di un agente ossidante che può essere rappresentato da una
flusso di vapore, di aria o di ossigeno; quest’ultimo tipicamente introdotto in percentuali prossime
al 35 % del quantitativo effettivamente richiesto per la combustione completa della stessa
biomassa (Zhang 2010). La peculiarità del gas che si genera nel corso di questa combustione
parziale consiste nella possibilità di una sua standardizzazione qualitativa, caratteristica che lo
rende utilizzabile con maggiore facilità e versatilità rispetto a quanto possibile con la biomassa
originaria; per tale motivo, la gassificazione viene considerata un processo in grado di conferire
maggior valore a matrici con ridotte potenzialità di impiego o caratteristiche fisico-energetiche
negative (Puig-Arnavat 2010).
Un altro sostanziale vantaggio legato a questa tipologia di conversione termochimica è dato dal
ridotto quantitativo di inquinanti atmosferici e alla maggiore versatilità nella gestione dei residui
solidi di combustione (Rezaiyan 2005).
Il processo di gassificazione è rappresentato da una successione relativamente complessa di
reazioni (McKendry 2002): fermo restando le reazioni di riscaldamento ed essiccazione, reazioni
comuni ai vari processi termochimici, e la pirolisi, a queste fanno seguito ossidazione e successiva
riduzione.
In merito all’ossidazione, questa reazione avviene tra la biomassa solida carbonizzata, che si forma
in seguito a pirolisi, e l’ossigeno presente nel flusso di aria immesso nel processo, con la
conseguente formazione di anidride carbonica e acqua e liberazione di calore. Il flusso di aria,
come già detto, possiede però una quantità stechiometrica di ossigeno sottodimensionata, di
conseguenza, si genera anche del monossido di carbonio (CO), non solo per l’ossidazione parziale
della biomassa ma anche per una successiva reazione di riduzione, fortemente endodermica, che
coinvolge la CO2 ed il calore prodotti durante la fase di ossidazione precedente (Puig-Arnavat
2010). La disponibilità di calore e di vapore (quest’ultimo in parte generato durante l’ossidazione e
in parte presente nel flusso di aria immesso nel processo) determinano un’ulteriore
decomposizione della sostanza organica con sintesi di CO e idrogeno molecolare (H2). I vari
prodotti delle reazioni che avvengono sono poi coinvolti, a loro volta, in nuove reazioni che
portano alla formazione anche di metano (CH4).
In funzione quindi delle condizioni di processo adottate è possibile regolare gli equilibri delle
numerose reazioni che avvengono al fine di ottenere la sintesi di un gas combustibile (circa l’85 %),
detto syngas, dalle caratteristiche standardizzabili. Tra i prodotti del processo di gassificazione si
ha inevitabilmente anche una certa percentuale di char e di tar. Valori medi sono riportati nella
tabella che segue.
20
Tabella 2.3.2 – Processo di gassificazione, condizioni del trattamento e prodotti ottenuti
Processo
Condizioni di processo
Bio-oil
Char
Gas
Gassificazione
Temperatura levata (≈ 800 °C)
Tempo di permanenza dei componenti solidi e volatili prolungato
5%
10 %
8c5 %
Fonte: Zhang L. 2010
La combustione
La combustione consiste in una sequenza di reazioni chimiche esotermiche che avvengono tra un
combustibile e un agente ossidante da cui si genera calore e specie chimiche di conversione
(Bhaskar 2011).
Possono essere individuate sei principali fasi che si succedono nel corso della combustione di
biomassa (Bocci 2011):
1. Riscaldamento (T < 100 °C) – va tenuto conto del fatto che il combustibile, quando viene
introdotto in camera di combustione, si trova, generalmente, ad una temperatura
ambiente compresa tra i 10 e i 25 °C;
2. Essiccazione (100 °C < T < 150 °C) – durante questa fase si avvia il processo evaporativo
dell’acqua;
3. Pirolisi (150 °C < T < 230 °C) – in questo step i componenti chimici a catena lunga del
combustibile vengono scissi in composti a catena corta; i prodotti che ne derivano sono
rappresentati da composti a carbonio solido (char), da catrame liquido (tar), da gas di
combustione parziale come il monossido di carbonio (CO) e da idrocarburi gassosi (CmHn).
4. Prima gassificazione (230 °C < T < 500 °C) – raggiunte queste temperature, inizia la
decomposizione termica del combustibile essiccato, sostenuta dalla combustione parziale
mediante l’immissione di ossigeno in quantità stechiometriche limitanti; il calore liberato
da tale decomposizione è sufficiente a sostenere la pirolisi di char e tar;
5. Seconda gassificazione (500 °C < T < 700 °C) – in questa fase, la gassificazione interessa il
char; sotto l’influenza dell’anidride carbonica (CO2), del vapore acqueo e dell’ossigeno (O2)
disponibili, viene generato il monossido di carbonio;
6. Ossidazione (700 °C < T < 1.400 °C) – il processo ossidativo di tutti i gas combustibili
derivanti dagli stadi dei processi precedenti rappresenta la fine della reazione di
combustione; si provvede all’immissione di aria secondaria, al fine di promuovere
l’effettivo completamento delle reazioni; questa fase è responsabile della generazione del
70 % del calore complessivamente prodotto (Zhang 2010) e, se condotta in condizioni
ottimali, dovrebbe portare ad avere un flusso nullo di CO e di idrocarburi gassosi, la
presenza dei quali sarebbe indice di combustione incompleta.
Le prime tre fasi descritte sono reazioni endotermiche, preliminari al processo ossidativo
propriamente detto. Raggiunti i 230 °C circa, ovvero il “Punto di Ignizione”, l’introduzione di un
flusso adeguatamente dimensionato di aria consente di innescare le successive tre reazioni, che
risultano esotermiche.
I vari step di reazione sono individuabili direttamente dalla stessa fiamma che si origina:
l’ossidazione dei gas combustibili avviene sopra il letto di combustione e conferisce alla fiamma
21
una colorazione gialla, mentre la combustione del char avviene all’interno e si rende visibile
assumendo una colorazione tendente al blu (Zhang 2010).
Segue uno schema che riassume i principali processi termochimici appena descritti:
Figura 2.3.1 - Rappresentazione schematica dei principali processi termochimici a carico dei combustibili solidi
22
2.4 DISPONIBILITÀ DELLE BIOMASSE RESIDUALI NEL TERRITORIO NAZIONALE
In questo capitolo vengono fornite indicazioni circa le potenzialità del territorio italiano in termini
di produzione e disponibilità di biomasse solide da destinare a scopi energetici. Le informazioni
riportate sono da considerare puramente indicative (ISPRA 2010, ENEA 2009, ITABIA 2008). Infatti,
la stima della disponibilità nazionale delle biomasse residuali è piuttosto complessa a causa di:
1. mancanza di omogeneità nella presentazione dei dati tra le diverse fonti, a partire dall’uso
di unità di misura differenti,
2. differenze nelle tecniche di stima e di rilevazione dei dati tra i vari lavori;
3. dinamicità dei settori con conseguente fluttuazione annuale dei dati considerati.
Le biomasse residuali presenti sul territorio italiano provengono da settori diversi, in particolare
dal settore agro-forestale, dall’agro-alimentare e dall’industria del legno, di conseguenza possono
essere classificate nelle seguenti categorie:
- residui forestali;
- residui delle produzioni agricole;
- residui delle produzioni agroalimentari;
- scarti dell’industria del legno.
Da questa indagine sono esclusi sia i prodotti destinati al trattamento anaerobico, per la
produzione di biogas, che quelli destinati alla produzione di biocombustibili liquidi.
RESIDUI FORESTALI
Le biomasse legnose recuperate da questo settore sono principalmente quelle residuali del
legname destinato ad usi non energetici (legno strutturale, industria del mobile). Si stima che
questa frazione rappresenti circa il 33% del legname lavorato in bosco.
Tabella 2.4.1 - Biomasse legnose forestali prodotte annualmente (ISPRA, 2010)
Tondame grezzo
(m³)
961.614
Legname per pasta e Altri assortimenti Totale legname da
Legna per
pannelli (m³)
(m³)
lavoro (m³)
combustibili (m³)
645.359
879.734
2.486.707
5.141.402
TOTALE (m³)
7.628.109
Gli scarti recuperati per l’uso energetico derivano dalle utilizzazioni forestale e sono costituiti
principalmente da rami, cimali e corteccia (parti perse nel passaggio dal legno grezzo a quello
commerciale). Orientativamente si stima che tale quota sia compresa tra circa 540.000 e 665.000
m3di prodotto utile all’anno. Secondo studi ISTAT, il legname da lavoro presenta ancora degli scarti
legnosi destinabili all’uso energetico.
Le metodologie di valutazione della quantità di materiale legnoso possono essere diverse in
funzione dei criteri di calcolo di questa massa di prodotto. Sulla base di altre stime sempre
proposte dal documento ISPRA (ISPRA 2010) la quantità di legna disponibile come residuale è pari
a circa 1,5 milioni di metri cubi di legna all’anno. Ma in questa stima vengono considerati i residui
della lavorazione per legna da combustibile. Stando a delle valutazioni di sviluppo energetico del
settore che considera una migliore gestione del settore forestale nazionale la disponibilità di
23
prodotto utile è di circa 12 milioni di metri cubi di legna all’anno. Su queste valutazioni anche
l’ITABIA (ITABIA 2008) ha proposto delle cifre che si riportano nella successiva tabella.
Tabella 2.4.2 - Stima delle potenzialità delle biomasse legnose in Italia (ITABIA, 2008)
Tipo di bosco
Biomassa
(kt/anno s.s.)
Fustaie (latifoglie e conifere)
Cedui (semplici e composti)
Rami, cimali e residui vari
Pianta intera
1.800
4.700
TOTALE
6.500
Ritornando alle cifre che descrivono l’attuale disponibilità di massa legnosa destinata all’uso
energetico, lo studio dell’ENEA (ENEA 2009) rivela la disponibilità generale di biomasse legnosa
pari a circa 2.700 kt/anno di sostanza secca. Questo valore, considerando il rispettivo dato
espresso come metri cubi annui di massa di legno tal quale, è sufficientemente allineato ai dati di
ISPRA e può essere considerato attendibile.
RESIDUI DELLE PRODUZIONI AGRICOLE
Le colture agricole sono costituite, nella maggior parte dei casi, da diverse componenti. Il prodotto
principale, solitamente destinato all’alimentazione umana o zootecnica, rappresenta, spesso, solo
una parte dell’intera biomassa prodotta. La restante parte costituisce il cosiddetto sottoprodotto o
residuo colturale. Questo può avere diversi destini. Oltre ad un utilizzo agronomico o zootecnico,
può anche essere valorizzato energeticamente.
Anche per questo settore diversi enti di ricerca hanno prodotto delle indagine nel corso di questi
ultimi anni. Più nello specifico esistono delle stime (eseguite a partire dal 2009 da SIBE, CRPA,
APAT, ENEA e RSE, utilizzando un criterio di stima messo a punto dall’AIIA in collaborazione con
ENEA3), basate su dati ISTAT 2006, che valutano le disponibilità sul territorio nazionale di alcuni
residui delle colture erbacee ed arboree più diffuse:
- paglie di frumento tenero,
- paglie di frumento duro,
- paglie di orzo,
- paglie di avena,
- paglie di riso,
- stocchi di mais da granella,
- steli e foglie di soia,
- steli e foglie di leguminose da granella,
- radici, foglie e colletti di barbabietola da zucchero,
- steli e foglie di patata,
- sarmenti di vite,
3
SIBE = Sistemi Innovativi Biomasse Energetiche; CRPA = Centro Ricerche Produzioni Animali; APAT = Agenzia per la
Protezione dell'Ambiente e per i servizi Tecnici; ENEA = l’Agenzia nazionale per le nuove tecnologie, l’energia e lo
sviluppo economico sostenibile; RSE = Ricerca sul Sistema Energetico; AIIA = Associazione Italiana di Ingegneria
Agraria.
24
-
frasche di olivo,
residui di potatura di fruttiferi vari (agrumi, pesco, albicocco, susino, melo, pero, ciliegio,
kiwi e mandorlo).
Nelle successive tabelle vengono riportati i risultati di sintesi che si riferiscono, oltre alla
disponibilità lorda dei diversi residui colturali, anche alla disponibilità netta, al netto cioè di
eventuali perdite o utilizzi degli stessi per scopi diversi da quello energetico.
Tabella 2.4.3 - Stima della disponibilità dei residui agricoli da coltivazioni erbacee - paglie (kt/anno di s.s.)
Frumento tenero
Frumento duro
Orzo
Avena
Riso
Totale paglia
Disponibilità lorda
2.171
2.651
1.090
269
859
7.040
Disponibilità netta
544
1.885
468
200
730
3.827
Tabella 2.4.4 - Stima della disponibilità dei residui agricoli di altre coltivazioni erbacee (kt/anno di s.s.)
Mais da
granella
Girasole
Totale
stocchi
Soia
Legumin.
granella
Patata
Barb. da
zucchero
Tot steli
e foglie
Disponib. lorda
5.658
370
6.028
265
186
285
386
1.122
Disponib. netta
2.829
351
3.180
251
167
271
328
1.017
Tabella 2.4.5 - Stima della disponibilità dei residui agricoli di coltivazioni arboree (kt/anno di s.s.)
Disponib. lorda
Disponib. netta
Vite
Olivo
Agrumi
Pesco
Albic.
Susino
Melo
Pero
Kiwi
Mandor.
1.056
1.003
594
534
847
805
200
199
27
25
11
10
127
120
55
52
51
48
129
122
Totale
potature
3.104
2.924
Secondo questa stima si potrebbe disporre di circa 8.000 kt/anno di s.s. di biomassa derivante da
colture erbacee e di circa 2.900 kt/anno di s.s. di biomassa da colture arboree, per un apporto
totale del settore agricolo di 11.000 kt/anno di biomassa secca (corrispondente a circa 22.000
kt/anno di biomassa tal quale).
Le stime dell’ITABIA di un lavoro precedente indicano valori superiori di masse disponibili di
prodotto. Presumibilmente le cifre si riferiscono alla quantità lorda disponibile e non a quella
netta.
Tabella 2.4.6 - Disponibilità di biomasse residuali agricole delle più diffuse colture in Italia
PRODOTTO
Tipo di scarto
(kt/anno s.s.)
PRODOTTO
Tipo di scarto
(kt/anno s.s.)
FRUMENTO TENERO
Paglia
500
MELO
Rami
90
FRUMENTO DURO
ORZO
AVENA
RISO
MAIS
TABACCO
GIRASOLE
VITE
OLIVO
Paglia
Paglia
Paglia
Paglia
Stocchi, tutoli
Steli
Steli
Sarmenti
Legna, rami, frasche
1.600
380
120
550
3.100
10
350
880
800
PERO
PESCO
AGRUMI
MANDORLO
NOCCIOLO
ACTINIDIA
ALBIC., CILIEG., SUSINO
Rami
Rami
Rami
Rami
Rami
Sarmenti
Rami
50
150
480
95
85
25
35
TOTALE
Paglie, steli,
stocchi, foglie
9.300
25
Su questo fronte anche l’ENEA ha ricavato alcuni dati concentrandoli nei due gruppi principali di
materie prime residuali: le paglie e le potature. Anche in questa situazione si evidenziano delle
differenze legate alle modalità di stima della disponibilità del sottoprodotto.
Tabella 2.4.7 - Disponibilità lorda delle biomasse agricole residuali (ENEA, 2009)
Paglie
(kt/anno s.s.)
Potature
(kt/anno s.s.)
15700
4906
RESIDUI DELLE PRODUZIONI DELL’AGROINDUSTRIA
Facendo riferimento alla stessa bibliografia analizzata per la stima del potenziale derivante dal
settore agricolo, si evince che i comparti industriali più rappresentati a livello nazionale sono quelli
in cui avviene:
- la trasformazione del pomodoro da industria (salse, passate, ketchup);
- la trasformazione della frutta (succhi, confetture e marmellate);
- la trasformazione degli ortaggi (legumi e patate);
- la trasformazione delle olive per la produzione di olio;
- la trasformazione dell’uva per la produzione del vino.
- la trasformazione dei cereali (riso, farine, pasta).
I residui di alcuni di questi settori sono preferibilmente destinabili al recupero energetico per
digestione anaerobica. Tuttavia, per alcuni di questi prodotti possono essere sviluppate delle
considerazioni relative alla produzione di biocombustibili solidi attraverso l’utilizzo di tecniche di
trattamento del materiale stesso (es. torrefazione, vedere capitolo 3).
La stima della disponibilità di sottoprodotti derivanti da questi comparti è stata eseguita dal CRPA
(CRPA 2006) utilizzando dei coefficienti unitari calcolati sulla base di verifiche condotte in un
campione ampiamente rappresentativo di aziende.
Seguono delle valutazioni sulla disponibilità dei materiali suddivisi per settore.
Pomodoro da industria
Per quanto riguarda il pomodoro a fronte di una produzione annua raccolta di 4.487.545
tonnellate (ISTAT, 2012) e trasformata di 4.269.942 tonnellate si stima un quantitativo di residuo
inteso come scarti vegetali di 226.300 tonnellate4. Riferendosi al materiale allo stato secco, lo
studio ITABIA stima che tra bucce e semi si ottengono circa 135.000 tonnellate annue di prodotto.
Lavorazione della frutta
Questo comporto genera grandi quantità di materiale ad elevata umidità (polpe di scarto, bucce)
che vanno indirizzate alla digestione anaerobica (si stima attorno alle 135.000 t/anno di materiale
secco). Tuttavia, ITABIA stima che vi è una frazione biomassa residuale costituta da noccioli di
scarto e che annualmente sia stimata attorno a 35.000 t/anno di sostanza secca. L’ENEA ha anche
4
La frazione vegetale di scarto varia complessivamente dal 3,8% all’8,8% della materia prima in ingresso e le buccette
da sole incidono per il 2,6-2,8%.
26
valutato questa frazione assieme alla produzione di gusci dall’industria della frutta secca. Secondo
tale fonte la stima complessiva di gusci e noccioli è pari a 117.000 t/anno di sostanza secca.
Ortaggi: legumi (piselli, fagioli e fagiolini) e patate
La produzione annua di residui della lavorazione dei legumi è stimata attorno alle 19.000
tonnellate di prodotto annuale. Questo valore è stato calcolato su una produzione complessiva di
prodotto utile di circa 260.000 tonnellate composto da piselli, fagioli e fagiolini (ISTAT, 2007). Per
la produzione delle patate si stima che i residui della trasformazione della patata si attestino a
circa il 23% del peso della materia prima (CRPA, 2006). La buccia e lo strato sottostante incidono
per il 13-14% mentre i frutti non idonei selezionati in ingresso alla linea di lavorazione e le puree di
scarto della cottura incidono per il restante 9%. Riferendosi a dati relativi alla produzione del 2007
la trasformazione di circa 140.000-150.000 ha determinato un quantitativo annuo stimato di
residui tal quali pari a 30-35.000 t. Questo gruppo di materiale risulta comunque di grande
interesse per la trasformazione anaerobica.
Agrumi
A livello nazionale l’industria di trasformazione degli agrumi ne utilizza circa 1.555.000 t (ISTAT,
2006) che rappresentano circa il 42% della produzione complessiva. Il residuo che si genera dalla
trasformazione industriale delle arance è il pastazzo di agrumi. Formato da scorze e polpe residue,
rappresenta il 50-60% del peso degli agrumi lavorati ed è caratterizzato, allo stato fresco, da un
tenore di umidità pari all’85% circa.
Si stima una produzione annua di pastazzo, che avviene esclusivamente nelle regioni del sud Italia
(Sicilia, Calabria e Basilicata), pari a circa 465.000 t. ITABIA ha valutato la produzione di residui in
termini di sostanza secca ottenendo un valore di circa 210.000 t/anno.
Questo residuo non ha, ad oggi, una collocazione ben precisa in quanto non si è finora trovata una
soluzione di recupero esente da inconvenienti ed economicamente interessante.
Residui dell’industria enologica
Dalle diverse fasi del processo di vinificazione, che determina la trasformazione dell’uva in vino, si
originano dei residui produttivi che rappresentano, nell’insieme, la così detta vinaccia. Il
quantitativo può oscillare tra il 15 ed il 30% dell’uva tal quale processata. La vinaccia è quindi
costituita da bucce, vinaccioli ed eventualmente raspi e fecce.
A fronte di circa 6.000.000 t di uva da vino trasformata in Italia nel 2007 (ISTAT) si ottiene una
quantità di vinaccia, stimata adottando un coefficiente medio del 20%5, pari a circa 1.200.000 t.
L’ENEA ha valutato questa quantità in termini di sostanza secca stimando una produzione di circa
628.000 t/anno. Anche ITABIA ha valutato questa produzione ma la stima è inferiore e pari a
300.000 t/anno di sostanza secca.
5
Tale coefficiente è stato ricavato da una media ponderata dei valori rilevati in una serie di cantine campione, oggetto
di uno studio di settore dell’ANPA “ I rifiuti del comparto agro-alimentare” Rapporto 11/2001 al quale la Sezione
agro-ingegneria e territorio ha partecipato attivamente (“La gestione dei residui delle trasformazioni agroalimentari”, E. Foppa Pedretti, G. Riva, B. Serafini, V. Scrosta, Atti VII Convegno Nazionale di Ingegneria Agraria,
Vieste 11-14 settembre 2001).
27
Residui dell’industria olearia
I residui dell’industria olearia sono:
- la sansa vergine (60% nocciolino + 40% buccetta), con tenori di umidità che vanno dal 48%,
nel caso del sistema in continuo a 3 fasi, al 60-62%, nel sistema in continuo a 2 fasi,
rappresenta circa il 44-50% del peso delle olive molite; la sansa vergine ottenuta con il
processo di pressatura tradizionale ha contenuti di umidità del 25-30%
- la sansa esausta che si origina dalla spremitura delle sanse vergini nei sansifici dove si
produce olio di sansa; la sansa esausta ha tenori di umidità dell’8-12% e rappresenta il 4555% della sansa vergine umida in ingresso; la sansa esausta è un buon combustibile per le
caldaie e risulta che un 30% della produzione viene già impiegato nei sansifici come
combustibile. La sansa, inoltre, ha anche un mercato e, quindi, un valore commerciale che
si aggira sui 60-70 €/t.
- il nocciolino che rappresenta la frazione a più alta percentuale di lignina ed è ampiamente
utilizzato come combustibile in caldaie agricole. Ha un prezzo di mercato che si aggira
attorno alle 100-150 €/t
- le acque di vegetazione, costituite essenzialmente dalla stessa acqua delle olive (40-50%
del peso della drupa) dalle acque di diluizione delle paste negli impianti in continuo e dalle
sostanze solubili disciolte dalle drupe. Rappresentano dal 40 al 50% del peso delle olive
lavorate nel processo di estrazione tradizionale discontinuo e arrivano al 70-90% nei
sistemi in continuo a 3 fasi in quanto si vanno a sommare anche le acque di fluidificazione
delle paste per favorire la fuoriuscita di olio.
Secondo indagini di mercato, solo il 30% della sansa vergine prodotta negli oleifici viene poi
trattata dai sansifici per l’estrazione dell’olio di sansa. La restante parte potrebbe essere impiegata
per uso agronomico, analogamente alle acque reflue, o come biocombustibile. Entrambe non sono
però destinazioni ottimali in quanto il materiale è troppo umido per un uso energetico efficiente e
troppo ricco di olio per uno spargimento in campo. L’ideale sarebbe processare la sansa vergine
nei sansifici e quindi inviarla ad un utilizzo energetico (dove tra l’altro ha già un mercato) o, in
alternativa, provvedere diversamente con un trattamento che la rende idonea alla produzione di
biocombustibili.
Considerando gli indici sopra riportati, su un totale di 3.033.848 t di olive lavorate si producono
mediamente 1.365.231 t annue di sanse vergini che, nell’ipotesi di una loro completa
trasformazione, determinano la produzione di circa 750.000 t di sanse esauste (identica alla stima
proposta da ITABIA). Indicativamente anche le cifre proposte dall’ENEA sono simili proponendo
una stima di circa 691.000 t(anno di sostanza secca.
Residui della trasformazione dei cereali
Si fa riferimento principalmente al settore della riseria con sottoprodotti come lolla, pula,
farinaccio ecc e al settore della molitoria e pastificazione con materiali quali cruscami e rotture di
lavorazione. Complessivamente ITABIA stima che si vengono a produrre annualmente circa
520.000 t/anno di sostanza secca dall’industria del riso e 245.000 tonnellate di prodotto tra il
settore molitorio e quello della pastificazione.
28
Sintesi delle produzioni del settore agroalimentare
Si propone una tabella di sintesi relativamente alla stima dei sottoprodotti dell’intero comparto
agroalimentare.
Tabella 2.4.8 - Disponibilità annua di sottoprodotti dell’agroindustria
COMPARTO AGROINDUSTRIALE
MATERIALE RESIDUALE
(kt/anno s.s.)
POMODORO
AGRUMI
FRUTTA
MOLITORIA
PASTIFICAZIONE
RISIERA
OLIO
VINO
Bucce e semi
Pastazzo
Noccioli e gusci
Cruscami
Rotture
Lolla, pula, farinaccio, rotture
Sanse vergini, sanse esauste
Vinacce vergini, vinacce esauste, raspi
135
90 - 210
117
185
60
520
690 - 750
300 - 630
SCARTI DELL ’INDUSTRIA DEL LEGNO
Il settore dell’industria del legno a seconda della fase di lavorazione industriale genera due
tipologie di scarti:
- scarti di legno vergine, costituiti da residui di legno naturale di varia pezzatura (segatura,
trucioli, cippato) provenienti da imprese che lavorano tronchi o tavole o elementi in legno
massiccio (segherie, carpenterie e falegnamerie, produzioni di imballaggi e di pannelli in
legno compensato);
- scarti di legno trattato, proveniente da imprese che producono o lavorano pannelli a base
di legno, produzione di mobili e arredamenti in legno e costituiti da residui di legno con
presenza di colle e/o prodotti vernicianti (compreso il polverino derivante dalla
sagomatura e levigatura dei prodotti.
La lavorazione del legno è principalmente concentrata nel nord Italia. Il lavoro ISPRA sostiene che
stime di alcuni anni fa (CRPA su dati ISTAT 1996) valutavano la produzione complessiva di legno
residuale pari a circa 3,4 milioni di tonnellate, di cui circa 2,5 milioni di tonnellate costituito da
legno vergine. La produzione complessiva, stimata in lavori più recenti (ENEA), raggiunge invece
valori di circa 4,5 milioni di tonnellate. Su questo dato si attesta anche l’ITABIA la quale sostiene
che circa 2,5 milioni di tonnellate di residui legnosi derivano dal legno vergine mentre il resto
deriva principalmente dall’industria del mobile e della carta (polpa carta, pulper).
29
2.5 L’USO ENERGETICO DELLE BIOMASSE: VANTAGGI E PROBLEMATICHE CONNESSE
In molti paesi, tra cui purtroppo anche l’Italia, le biomasse che si producono diffusamente sul
territorio e che non hanno come fine specifico lo sfruttamento energetico, sono viste più come
rifiuti che come fonti rinnovabili, e non rientrano pertanto in adeguati circuiti di raccolta (Vivoli
2008).
Gli agricoltori, gli allevatori e le industrie agroalimentari tendono generalmente a disfarsi dei
sottoprodotti bruciandoli o abbandonandoli nell’ambiente, creando così un danno sia ambientale
che economico. La decomposizione incontrollata delle biomasse porta infatti al rilascio in
atmosfera di gas climalteranti come CO2 e CH4, che potrebbero invece essere opportunamente
trattenuti, con la possibilità inoltre di utilizzare il metano a fini energetici. Analogamente la
combustione nei campi di sostanze vegetali determina un rilevante quantitativo di emissioni
inquinanti che potrebbero essere sensibilmente ridotte se i sottoprodotti agricoli venissero
bruciati in appositi impianti da cui sarebbe possibile ottenere, come ulteriore vantaggio, anche la
produzione di energia. La valorizzazione energetica delle biomasse permette poi di sottrarre allo
smaltimento in discarica decine di milioni di tonnellate di residui ogni anno, garantendo di
conseguenza anche in questo caso risparmi non indifferenti. I maggiori problemi nella
sensibilizzazione ad un utilizzo proficuo delle biomasse si hanno soprattutto per il contesto
agricolo che in Italia è costituito perlopiù da piccole aziende, estese pochi ettari, e da una
proprietà non sufficientemente motivata ad associarsi per intraprendere forme innovative di
impresa quale può essere la “energy farm” o la semplice vendita dei residui colturali come
combustibile. In ambito agroindustriale, invece, le difficoltà che si incontrano sono minori in
quanto le biomasse in gioco (noccioli, sanse esauste, vinacce esauste, segatura) per loro natura, si
trovano già concentrate in siti industriali, costituendo un rifiuto da smaltire onerosamente oppure
un combustibile da valorizzare. Questa classe di biomasse, a differenza di quelle di origine agricola,
maggiormente dispersa sul territorio e a bassa intensità energetica, per accessibilità e consistenza,
è candidata ad essere impiegata elettivamente per la produzione di energia.
Le piena diffusione delle biomasse come fonti alternative, richiede un’ottimizzazione della filiera
cioè della sequenza di operazioni e procedimenti che consentono di ottenere energia partendo
dalla materia prima vegetale o animale. Il processo di ottimizzazione dei diversi segmenti si
realizza in generale riducendo i costi e massimizzando i benefici finali; questi obbiettivi però
possono essere raggiunti solo in seguito ad una attenta analisi territoriale che identifichi nello
specifico le condizioni di approvvigionamento della materia prima. È necessario verificare infatti la
piena disponibilità di biomassa sul territorio e qualora questa presenti il carattere della
stagionalità, è bene diversificare le fonti, servendosi di materiale boschivo, di residui
agroalimentari e dell’industria del legno, di pellets o di colture dedicate. La riduzione dei costi e
quindi la possibilità di rendere la biomassa competitiva nei confronti sia dei combustibili
tradizionali che verso utilizzi non energetici, si realizza attraverso interventi specifici su i diversi
segmenti di filiera.
È bene meccanizzare le operazioni di raccolta, sminuzzare la materia prima per aumentarne la
densità prima della fase di trasporto e migliorare quest’ultima ad esempio creando infrastrutture
30
(strade, piste) per garantire così un più facile accesso agli addetti, alle macchine e alle
attrezzature.
Interventi auspicabili sono poi quelli mirati alla ottimizzazione della fase di stoccaggio da farsi in
funzione della capacità dell’impianto di conversione, delle caratteristiche e dei tempi di
rifornimento della materia prima e sulla base del degrado a cui va incontro col passare del tempo
la biomassa immagazzinata. Infine appare evidente la necessità di aumentare l’efficienza
energetica al fine di ridurre sia i costi di produzione che le emissioni; in questo senso un ruolo da
protagonista è svolto dai sistemi di cogenerazione eventualmente integrati, la dove possibile, con
reti di teleriscaldamento o teleraffrescamento.
Uno sviluppo armonico dell’intera filiera delle biomasse nel suo complesso, consente positive
ricadute sul territorio con vantaggi a livello economico, sociale e ambientale (Vivoli 2008). Tra
questi si ricorda:
A livello economico
 La diversificazione dell’offerta energetica e quindi la riduzione dell’energia importata.
 La riconversione, diversificazione e integrazione delle fonti di reddito nel settore agricolo.
 La valorizzazione economica dei sottoprodotti e dei residui organici, attualmente in gran
parte smaltiti in maniera non corretta.
 Il risparmio nei costi di depurazione e smaltimento per i residui prodotti da attività
agroindustriali e industriali.
 La possibilità di stimolare la crescita delle industrie operanti nel settore della bioenergia.
A livello sociale
 L’apertura del mercato dell’energia agli operatori agricoli.
 La creazione di opportunità occupazionali in aree con elevato tasso di disoccupazione.
 La possibilità di contrastare fenomeni di spopolamento delle campagne e degrado di aree
marginali.
A livello ambientale
 La riduzione delle emissioni di sostanze clima-alteranti come ad esempio la CO2.
L’utilizzazione delle biomasse per fini energetici, infatti, non contribuisce ad aumentare il
fenomeno dell’effetto serra in quanto la quantità di anidride carbonica rilasciata durante la
decomposizione, sia che essa avvenga naturalmente, sia per effetto della conversione
energetica, è equivalente a quella assorbita durante la crescita della biomassa stessa; non
vi è, quindi, alcun contributo netto all’aumento del livello di CO2 in atmosfera, a meno
naturalmente della porzione prodotta dalle attività di raccolta e trasporto.
 La riduzione delle emissioni in atmosfera dei principali inquinanti di origine fossile (SOX, CO,
benzene) grazie all’impiego, in alternativa ai prodotti petroliferi, di biocombustibili
derivanti da sostanze vegetali.
 La riforestazione dei terreni marginali, con un contributo al controllo dell’erosione e del
dissesto idrogeologico di zone collinari o montane.
 La razionalizzazione delle cure colturali boschive favorendo così la prevenzione degli
incendi.
Tuttavia, nonostante il crescente interesse maturato nei confronti delle biomasse e il pressoché
unanime riconoscimento dei vantaggi legati alla loro diffusione, nel contesto economico italiano
31
queste risorse non hanno ancora pienamente raggiunto una dimensione di mercato. Ciò è
riconducibile ad una complessa serie di fattori e barriere, che ne rallentano tuttora lo sviluppo. Tra
queste vanno ricordate ad esempio quelle di natura tecnologica: malgrado infatti la maggior parte
delle tecnologie siano state già ampiamente sviluppate, alcune di queste rimangono a livello precommerciale in quanto richiedono ancora attività di studio e perfezionamento.
Tra i principali ostacoli alla diffusione delle bioenergie vi è poi il prezzo di mercato dei combustibili
fossili che, nonostante i continui rincari, rimane tuttavia sufficientemente basso da rendere ancora
poco competitiva qualsiasi altra fonte di energia. Tale mancanza di competitività è legata in realtà
anche all’attuale sistema dei prezzi, che non tiene conto delle esternalità e dei costi sociali
connessi allo sfruttamento delle risorse fossili (danni alla salute pubblica, degrado dei monumenti,
cambiamento climatico, ecc.). Un’altra importante barriera di natura economica è poi quella
legata agli ancora troppo alti costi iniziali di investimento per tali tecnologie che soffrono del loro
carattere innovativo e dell’attuale limitata diffusione sul mercato. A tutto questo si aggiungono poi
i consueti ostacoli di natura istituzionale e politica che, almeno fino al recente passato, hanno reso
difficile l’avvio dell’iniziativa privata nel mercato dell’energia, nonché l’interazione tra settori
diversi, come quello agricolo e quello energetico. Come diretta conseguenza di tutto ciò, la
diffusione delle bioenergie ha sofferto della mancanza di informazione e consapevolezza
sull’argomento, sia a livello di classe politica, sia a livello di opinione pubblica. È innegabile
comunque che, negli ultimi anni, dopo la Conferenza di Kyoto, l’elaborazione del PNERB6, la
Conferenza Nazionale Energia e Ambiente e la pubblicazione del Libro Verde e del Libro Bianco per
la Valorizzazione Energetica delle Fonti Rinnovabili, questo panorama stia lentamente mutando e
che, dunque, i tempi possano a breve essere maturi per un considerevole rilancio del settore
bioenergetico (Vivoli 2008).
Segue un breve aggiornamento in merito alle tariffe incentivanti la produzione di energia elettrica
da biomasse.
Il DM dello Sviluppo economico del 6 luglio 2012 “Incentivazione della produzione di energia
elettrica da impianti a fonti rinnovabili diversi dai fotovoltaici – Attuazione articolo 24 del Dlgs
28/2011”, rivede il sistema incentivante in vigore fino al 31 dicembre 2012 per gli impianti di
produzione di energia elettrica da biomasse solide e liquide e da biogas.
Nello specifico, per i nuovi impianti che entrano in esercizio nell’anno 2013, il valore delle tariffe
incentivanti è individuato per ciascuna fonte (prodotti di origine biologica, sottoprodotti di origine
biologica, rifiuti non provenienti da raccolta differenziata, rifiuti per i quali la frazione
biodegradabile è determinata forfettariamente, bioliquidi ) tipologia di impianto e classe di
potenza (1<P<20 kW, 20<P<200 kW, 200<P<1000 kW, 1000<P<5000 kW, P>5000 kW).
In particolare, la tariffa incentivante scende con l’aumentare della potenza elettrica e la più alta
nell’ambito della stessa classe di potenza si ha in corrispondenza dell’impiego di sottoprodotti
come biocombustibili. Tra i sottoprodotti utilizzabili si ricordano quelli di origine animale non
destinati al consumo umano, quelli provenienti da attività agricola, di allevamento, dalla gestione
del verde e da attività forestale (effluenti zootecnici, paglia, pula, stocchi, residui di campo,
6
Programma Nazionale Energia Rinnovabile da Biomasse del 24 giugno 1998.
32
sottoprodotti dalla lavorazione dei prodotti forestali, sottoprodotti dalla gestione del bosco e
potature, ramaglie e residui della manutenzione del verde pubblico e privato), quelli derivanti da
attività alimentari ed agroindustriali (buccette, bacche fuori misura, sanse, sanse di oliva disoleata,
acque di vegetazione, vinacce, graspi, pastazzo di agrumi, panelli) e quelli derivanti da attività della
lavorazione del legno per la produzione di mobili e relativi componenti.,
Ad esempio un impianto di combustione della potenza elettrica di 1 MW qualora alimentato a
cippato da SRF (pioppo, robinia) ha come incentivo 180 €/MWhe, mentre se viene alimentato con
cippato derivante dalla lavorazione del bosco (considerato sottoprodotto) riceve 209 €/MWhe. A
questa TARIFFA INCENTIVANTE BASE si possono quindi aggiungere dei premi qualora vengano
raggiunti determinati obiettivi in termini di emissioni in aria (30 €/MWhe), di cogenerazione ad
alto rendimento (40 €/MWhe) , di risparmio di CO2eq (10 €/MWhe).
Rimane comunque molto difficile raggiungere il livello incentivante previsto dalla vecchia tariffa
onnicomprensiva che, per gli impianti di potenza elettrica < 1 MW era pari a 280 €/MWhe.
33
2.6 LE BIOMASSE SOLIDE: CARATTERISTICHE, CRITICITÀ E PUNTI DI FORZA.
STRUTTURA DELLE BIOMASSE LIGNOCELLULOSICHE
La composizione chimica media di una biomassa legnosa consiste di circa un 25-30% di lignina e
75% di carboidrati, ovvero molecole di zucchero unite a formare lunghe catene polimeriche. I due
carboidrati più importanti sono la cellulosa e l’emicellulosa. I lunghi polimeri di cellulosa
costituiscono le fibre che danno alle piante la loro resistenza, mentre la lignina ha funzione di
collante per mantenere unite queste fibre. L’emicellulosa ha il ruolo fondamentale di tenere
associate cellulosa e lignina.
Tutto questo viene schematicamente riportato in figura 2.6.1.
Figura 2.6.1 - Interazione fra i principali componenti della biomassa
Fonte immagine a sinistra: ORNL (DeAngelis 2010)
Altri costituenti presenti nelle biomasse in quantità variabili sono i cosiddetti estratti, composti a
basso peso molecolare che possono essere separati attraverso solventi organici (terpeni, grassi,
cere, fenoli), o con acqua calda (tannini e sali inorganici). Il materiale inorganico, presente come
fase intimamente distribuita nel combustibile, comprende sali di Si, K, Na, S, Cl, P, Ca, Mg e Fe, che
danno luogo al deposito delle ceneri. La tabella 2.6.1 mostra la variabilità estrema che presenta la
struttura di alcune biomasse.
34
Tabella 2.6.1 - Analisi strutturale di alcune biomasse (% peso) (Faravelli 2006)
Biomassa
Emicellulosa
Gusci di nocciola
30,4
Paglia
39,4
Residui oliva
23,6
Legno di betulla
31,2
Legno di abete
20,7
Tutulo
31,0
Scarti del tè
19,9
Gusci di noce
22,7
Gusci di
28,9
mandorla
Girasole
34,6
Cellulosa
26,8
28,8
24,0
45,3
49,8
50,5
30,2
25,6
Lignina
42,9
18,6
48,4
21,9
27,0
15,0
40,0
52,3
Estratti
3,3
9,4
1,6
2,5
3,5
9,9
2,8
50,7
20,4
2,5
48,4
17,0
2,7
PRINCIPALI COMPONENTI DELLE BIOMASSE
• Cellulosa
La cellulosa è un polisaccaride naturale che ha la formula generale (C6H10O5)n, un peso molecolare
medio di 300-500 u.m.a e un grado di polimerizzazione che può variare da 3.000 fino a 10.000 a
seconda del vegetale. La cellulosa è insolubile in acqua, forma la struttura di sostegno di tutte le
biomasse presenti sulla terra e costituisce approssimativamente il 50% del materiale della parete
cellulare. Le molecole di cellulosa hanno come unità base un anello di β-D-glucopiranosio. Ogni
anello è ruotato di 180° rispetto al successivo pertanto l'unità ripetitiva è formata da due anelli
contigui uniti a mezzo di legami 1,4-β-glicosidici, figura 2.6.2.
Figura 2.6.2 - Struttura della cellulosa
Fonte: Faravelli 2006
La struttura è molto stabile a causa degli anelli a sei atomi di carbonio, dell'assenza di doppi legami
e della presenza di un sistema di ponti ad idrogeno interpolimerici.
I ponti ad idrogeno sono formati da un atomo di H di un gruppo alcolico parzialmente legato ad un
secondo atomo di ossigeno appartenente ad un polimero di una fibra parallela (figura 2.6.3).
Queste proprietà rendono il polimero cellulosa più resistente agli attacchi chimici e termici e fa sì
che si sviluppi in maniera più lineare, rendendolo così oltre che resistente, anche filabile. Per
questo motivo la cellulosa risulta essere la materia prima fondamentale per le fibre naturali.
35
Figura 2.6.3 - Formazione di ponti idrogeno fra le catene di cellulosa
• Emicellulosa
L’emicellulosa è formata da polisaccaridi complessi che si collocano in associazione con la cellulosa
nella parete cellulare. A differenza della cellulosa, l’emicellulosa è solubile in soluzioni alcaline
diluite. È formata da strutture ramificate, figura 2.6.4, che variano notevolmente a seconda che la
biomassa sia di tipo legnoso o erbaceo. L’emicellulosa non è formata da un’identica unità
monometrica ripetuta, bensì da diversi zuccheri tra i quali alcuni a cinque atomi di carbonio
(xylani), altri a sei (glucani, mannani, arabinani, acidi galatturonici). Le catene sono di solito
formate da 50-200 unità monometriche fra le quali, in generale, la più abbondante è lo xylano.
Figura 2.6.4 - Ramificazioni di emicellulosa s su una catena di cellulosa
36
• Lignina
La lignina è una molecola naturale complessa costituita da diverse unità di fenilpropano. Dopo i
polisaccaridi rappresenta la struttura organica più presente nei vegetali. La presenza relativa della
lignina, se da una parte si può ritenere circa costante all’interno di una stessa specie, è
considerevolmente variabile tra le diverse specie. Per esempio il legno delle gimnosperme
(conifere) ha un contenuto di lignina che può passare dal 27% al 37%, mentre il legno delle
angiosperme, mostra mediamente un contenuto che varia dal 16% al 29%. La lignina svolge
diverse funzioni fondamentali per la vita del vegetale. Il principale compito svolto dalla lignina è
quello di ridurre la permeabilità all’acqua intervenendo in tutti i processi di scambio di minerali,
nutrienti e metabolici.
Figura 2.6.5 - Tipica struttura della lignina
Inoltre, se la cellulosa fornisce la vera e propria resistenza meccanica caratteristica del legno, la
lignina opera da riempitivo e da collante tra le cellule vegetali, fornendo resistenza alla
compressione e agli urti. La lignina può considerarsi la molecola più complessa per quel che
riguarda la struttura della biomassa. Non è infatti possibile dare una composizione precisa, anche
37
se esistono diversi tentativi di fornire un modello di struttura media come nel caso della betulla in
figura 2.6.5.
Dal momento che le unità monomeriche di lignina presentano nella maggior parte dei casi un
insieme comune di nove carboni, sei nell’anello aromatico e tre nella parte alifatica, spesso i dati
analitici riguardanti le diverse lignine sono espressi rispetto alla formula C9, come nel caso della
Picea abies C9H8.3O2.7(OCH3)0.97, o dell’Eucalyptus regnans C9H8.7O2.9(OCH3)1.58. L’eterogeneità
della lignina è ben riconoscibile per le diverse piante di diverse famiglie, ordini, generi e classi così
come la struttura della lignina in una stessa specie può variare in base alla zona di provenienza ed
alla età della pianta.
In genere la lignina differisce per il diverso contenuto relativo di monomeri presenti nella
struttura. Si possono individuare due grandi gruppi di piante: le softwood e le hardwood. Tra le
prime si identificano principalmente le gimnosperme. Le lignine di queste piante sono
caratterizzate da una maggior abbondanza di alcol coniferilico, mentre le lignine di piante
hardwood, angiosperme, sono il prodotto di copolimerizzazione di alcol del siringolo, da cui
dipende la maggior abbondanza di gruppi metossile (-OCH3) sull’anello aromatico. Il contenuto
tipico di metossili in una hardwood è 1.20-1.52 gruppi metossile per unità di C9. La principale
differenza tra le due classi di lignine, consiste nella maggior presenza di ossigeno nelle hardwood,
ciò è strettamente correlato alla maggiore abbondanza di gruppi metossili nella struttura. Ciò si
traduce in una minore compattezza della struttura macromolecolare della hardwood rispetto alla
softwood che è in grado di formare un numero superiore di legami intramolecolari.
Osservando la struttura delle lignine, è possibile notare la predominanza del legame arilgliceroloβ-aril-etere detto anche β-O-4.
Figura 2.6.6 - Legame arilglicerolo-β-aril-etere (o β-O-4), predominante nelle lignine
Questo legame è il principale per entrambe le classi di lignina, anche se maggiormente presente
nelle hardwood.
38
ANALISI ELEMENTARE DELLE BIOMASSE
La composizione delle biomasse in termini di costituenti principali (cellulosa, emicellulosa e
lignina) è in realtà difficilmente ottenibile, data l’elevata complessità dell’analisi. È molto più
frequente una conoscenza della composizione elementare in termini di atomi costituenti, di cui un
esempio è riportato in tabella 2.6.2. Questa composizione elementare fornisce quindi informazioni
su precursori di emissioni inquinanti quali azoto, zolfo o cloro.
Tabella 2.6.2 - Composizione elementare (%peso di biomassa secca con ceneri) di alcune biomasse (Faravelli 2006)
Biomassa
Gusci di nocciola
Segatura
Grano
Pioppo
Pula
Sgranatura di cotone
Bagassa di zucchero da canna
Nocciolo di pesca
Erba medica
Legno di quercia
Paglia di frumento
Residui di oliva
Legno di faggio
Legno di abete
Tutulo
Scarti del tè
Guscio di nocciola
Guscio di mandorla
Girasole
Corteccia
C
53,6
46,9
49,4
48,4
47,8
42,8
44,8
53
45,4
50
42,8
49,9
49,5
51,9
49
48
50,8
47,9
47,4
53,9
H
6,6
5,2
5,6
5,9
5,1
5,4
5,4
5,9
5,8
6
5,5
6,2
6,2
6,1
5,4
5,5
5,6
6,6
5,8
5,8
N
1,5
0,1
0,6
0,4
0,1
1,4
0,4
0,3
2,1
0,3
0,7
1,6
0,4
0,3
0,4
0,5
1
1,1
1,4
0,4
S
0,04
0,04
0,1
0,01
0,5
0,001
0,05
0,09
0,05
0,2
0,06
0,1
0,06
0,05
0,03
Cl
0,2
nd
0,3
nd
nd
nd
nd
nd
nd
1,5
0,2
0,2
0,1
0,2
0,1
0,1
0,15
O (diff.)
41,7
37,8
42,5
39,6
38,9
35
39,6
39,1
36,5
42,4
35,5
42
41,2
40,9
44,2
44
41,1
41,7
41,3
38,3
Come si può osservare il contenuto di carbonio varia tra il 40 e il 55% e l’ossigeno tra il 35 e il 45%.
Molto varia anche la quantità di azoto che da 0.1 può arrivare fino al 2%, con un notevole impatto
sulla formazione di ossidi azoto. Minore il contenuto di zolfo.
La presenza di cloro segnala il rischio della formazione di diossine in combustioni non ben
controllate.
Come già accennato la presenza di sostanze inorganiche, generalmente definite come ceneri,
ovvero ciò che rimane dopo la combustione, gioca un ruolo determinante nel processo ossidativo.
La quantità di ceneri può variare sensibilmente a secondo della biomassa e questa, unitamente
alla presenza di umidità ed al tenore di ossigeno, condiziona il potere calorifico delle biomasse,
come si può evincere dalla tabella 2.6.3.
Come riportato nella tabella, queste informazioni costituiscono l’analisi approssimata della
biomassa. Su base umida o secca vengono quindi fornite le indicazioni sul materiale volatile, sul
residuo carbonioso fisso e sul tenore di ceneri.
39
Tabella 2.6.3 - Composizione (%peso secco) di alcune biomasse. L’umidità è assegnata in % in peso sul totale, mentre il
potere calorifico è in MJ/kg (Faravelli 2006)
Biomassa
Gusci di nocciola
Segatura
Grano
Pioppo
Bagassa di zucchero da canna
Nocciolo di pesca
Pula di riso
Erba medica
Corteccia di faggio
Legno di quercia
Paglia di frumento
Residui di oliva
Legno di faggio
Legno di abete
Tutulo
Scarti del tè
Guscio di nocciola
Guscio di mandorla
Girasole
Semi di colza
Corteccia di quercia
Nocciolo di oliva
Gusci di pistacchio
Ceneri
1,5
2,8
5,1
1,3
11,3
1,0
19,2
6,5
5,7
1,7
8,1
2,1
0,6
0,5
1,1
1,5
1,4
2,9
4,0
6,5
9,1
1,8
1,3
Volatili
76,3
82,2
84,0
61,0
76,1
65,0
77,6
66,3
77,5
82,5
80,2
87,4
85,5
59,3
74,0
76,2
78,1
nd
nd
nd
C fissato Umidità
21,2
nd
15,0
nd
10,9
nd
16,4
nd
15,0
nd
19,9
nd
16,7
11,2
17,4
nd
29,3
nd
21,9
6,0
21,4
6,4
18,4
6,8
17,0
6,5
18,1
6,7
11,5
nd
13,0
nd
37,9
7,2
22,7
7,5
19,8
nd
15,4
nd
nd
5,6
nd
7,0
nd
8,1
PC
nd
nd
nd
nd
nd
nd
18,7
nd
nd
19,8
19,3
21,8
19,6
20,5
nd
nd
19,5
19,8
nd
Nd
22,0
22,0
19,9
Il tipo, oltre alla quantità, di sostanze minerali interne al combustibile solido influenzano
l’andamento delle reazioni in gioco. Durante la combustione, i minerali, che sono presenti come
ioni o microparticelle, sono convertiti in cenere. Ad alta temperatura ed in funzione della
temperatura di fusione delle ceneri, si possono anche formare strutture vetrose, sferiche e vuote,
chiamate “cenosfere”. A temperatura inferiore la cenere tenderà a rimanere separata ed
influenzerà la capacità di trasferimento di calore.
40
CRITICITÀ E PUNTI DI FORZA
Le biomasse solide, in particolare quelle residuali, rappresentano una potenziale fonte rinnovabile
di energia la cui caratteristica principale è di essere diffusa sul territorio in qualità e quantità
variabili in funzione della tipologia di prodotto considerato. Vi sono, pertanto, alcuni aspetti che ne
rendono complesso l’impiego energetico (Bergman 2005, Sadaka 2009, Pimchuai 2010):
- la grande variabilità delle caratteristiche chimico-fisiche;
- la disponibilità spesso concentrata in particolari periodi dell’anno, in quanto legata alla
stagionalità dei processi produttivi che le generano, e che non sempre coincide con i
periodi di effettivo fabbisogno dell’energia da esse ottenibile;
- l’elevata umidità che ne riduce il contenuto energetico netto e la conservabilità nel tempo;
- le eterogenee caratteristiche meccaniche e dimensionali che rendono più complessi e
meno efficienti alcuni passaggi operativi durante la fase di approvvigionamento (raccolta,
trasporto e stoccaggio);
- la limitata concentrazione energetica rispetto ai combustibili tradizionali che rende meno
economiche le produzioni energetiche;
- i sistemi di combustione relativamente recenti che mancano di uno specifico sviluppo
tecnologico;
- le tecnologie di conversione disponibili che risultano meno performanti, in termini di
abbattimento di inquinanti, rispetto ai sistemi tradizionali della stessa classe di potenza;
- gli impianti che presentano generalmente costi specifici maggiori, rendimenti più bassi (per
le limitate dimensioni) e che risultano meno affidabili rispetto ai sistemi tradizionali.
Fra i diversi aspetti elencati ve ne sono alcuni particolarmente importanti e che meritano pertanto,
un approfondimento.
Contenuto di umidità elevato: le biomasse solide, ed in particolare certe biomasse residuali
fresche, sono spesso caratterizzate da un elevato contenuto di umidità (in certi residui
agroalimentari supera anche il 70 %). Ciò determina svantaggi da diversi punti di vista. Prima di
tutto la presenza di acqua assorbe parte dell’energia liberata dalla combustione stessa per via del
passaggio di stato da liquido a vapore (calore latente di evaporazione 2272 kJ/kg) e quindi riduce il
potere calorifico effettivo della biomassa (potere calorifico netto = PCN). Svantaggi si riscontrano
anche dal punto di vista della conservabilità. Si sa infatti che l’acqua è l’elemento essenziale allo
sviluppo della flora microbica responsabile di fenomeni di degradazione con conseguenze negative
sia sulla concentrazione energetica (legata alla perdita di sostanza secca) che sulla qualità generale
del biocombustibile.
Scarsa concentrazione energetica: la concentrazione energetica dei combustibili risiede nei
legami chimici che tengono uniti gli elementi che costituiscono la matrice organica. Gli elementi
che generalmente conservano un’elevata energia chimica nei legami che formano sono in
particolare il carbonio (C) e l’idrogeno (H). Per questo motivo la densità energetica di un
combustibile è tanto più elevata quanto più la sua struttura organica e di tipo idrocarburico
(CnHm). Nelle biomasse solide la struttura organica è prevalentemente di tipo lignocellulosico
(composta da emicellulosa, cellulosa e lignina) e le strutture organiche sono parzialmente ossidate
41
per le presenza di legami con altri elementi, con l’ossigeno in particolare (presente in una
percentuale mediamente compresa tra il 35 ed il 45 %). Ne consegue una concentrazione
energetica inferiore rispetto ai combustibili fossili tradizionali.
Scarsa densità di massa: molte biomasse residuali sono composte da elementi di pezzatura
varia e spesso grossolana che determinano un uso degli spazi decisamente inefficiente con
conseguenze negative soprattutto nelle fasi di trasporto e stoccaggio. La bassa densità di massa
complessiva delle biomasse non dipende solo da forma e dimensioni delle particelle che le
costituiscono ma anche dalla massa volumica specifica di ciascuna particella. Spesso, infatti, le
matrici organiche presentano un’elevata porosità dove, tra l’altro, si annida anche l’umidità.
Elevato contenuto di ceneri: La cenere, in cui ritroviamo la frazione inorganica delle biomasse, è
composta da una serie di elementi chimici presenti sotto varie forme, come sali in forma solida
oppure in soluzione all’interno dei tessuti della biomassa o, in altri casi, legati alla componente
organica. La loro presenza nei biocombustibili rappresenta un aspetto molto critico per tutte le
tecnologie di conversione energetica. Oltre a costituire un sottoprodotto della combustione che
deve essere costantemente rimosso e smaltito, con costi differenti in funzione delle sue
caratteristiche, le ceneri sono anche alla base di diverse problematiche di natura tecnica
(formazione di incrostazioni, corrosioni, produzione di agglomerati, ceneri leggere) e ambientale
(polveri). Le criticità si manifestano un po’ a tutti i livelli, dal bruciatore, al corpo caldaia, ai sistemi
di scambio termico (figura 2.6.7) con conseguenze più o meno gravi in funzione della loro
composizione chimica e, quindi, del loro comportamento termico. Le temperature di fusione e di
volatilizzazione sono i parametri più importanti per definire l’attitudine delle ceneri a causare i
problemi sopra citati. Gli elementi chimici che condizionano maggiormente il comportamento
delle ceneri sono gli elementi alcalini ed alcalino-terrosi, ma può essere determinante anche la
presenza di alcuni metalli ed elementi anfoteri. In genere, gli elementi di maggiore interesse sono:
Si, Al, Fe, Ca, Mg, Mn, Na, K, P, S, e Cl.
Figura 2.6.7 - Fenomeni di “slagging and fouling” in una caldaia della potenza di 17 MWt
Fonte: Laboratorio biomasse.
Le problematiche conseguenti alle alte temperature di combustione non dipendono, però, solo
dalla composizione chimica delle ceneri, sono influenzate anche dalla concentrazione dei vari
elementi ed dai rapporti con cui sono associati tra loro.
42
Vi sono, tuttavia, ragioni di convenienza più generali che spingono nella direzione di un utilizzo
energetico più esteso delle biomasse. Prima fra tutte il ruolo positivo ai fini del bilancio della CO 2,
particolarmente importante se si fa riferimento a materiali residuali e di scarto (generalmente
conferiti in discarica o, in alcuni contesti, combusti senza alcun controllo delle emissioni).
Sebbene questa classe di prodotti mostri spesso caratteristiche qualitative inferiori rispetto a
biomasse di maggiori pregio, come i materiali legnosi di derivazione forestale, sono state
sviluppate delle tecniche di trattamento meccanico e/o termochimico dei materiali al fine di
ottenere prodotti combustibili più omogenei e standardizzabili (vedere capitolo 3).
43
3- TRATTAMENTI DELLE BIOMASSE RESIDUALI
3.1 INTRODUZIONE
In questo capitolo verranno approfonditi alcuni trattamenti utili a migliorare le proprietà delle
biomasse solide residuali al fine di consentirne un utilizzo energetico vantaggioso, in particolare
attraverso una loro valorizzazione in sistemi di combustione.
I diversi trattamenti possono essere classificati in funzione della loro azione. La classificazione è
tuttavia molto teorica perché spesso i trattamenti determinano sui materiali la sovrapposizione di
azioni di natura diversa. Può comunque essere individuata una distinzione in funzione dell’azione
che prevale. Abbiamo quindi:
• trattamenti di tipo “meccanico”: appartengono a questa categoria trattamenti per la
riduzione della pezzatura delle biomasse solide (cippatura, macinazione) ma anche
trattamenti per la separazione di componenti diverse (vagliatura, estrazione meccanica oli,
separazione pneumatica) o per la densificazione dei materiali (pellettizzazione,
bricchettatura);
• trattamenti di tipo “chimico”: appartengono a questa categoria sia quei trattamenti che
determinano modificazioni a livello delle strutture chimiche che costituiscono la
componente organica, o la frazione inorganica, delle biomasse, sia quei trattamenti che
prevedono l’utilizzo di sostanze chimiche, come ad esempio solventi, per l’estrazioni di
componenti di interesse (molecole ad alto valore aggiunto o componenti oleiche) o di
frazioni indesiderate (ceneri).
• trattamenti di natura “termica”: sono quei trattamenti che si ottengono per effetto
della temperatura. Ponendo infatti le biomasse in condizione di temperatura più o meno
elevata e di atmosfera ossidante o riducente si possono ottenere modificazioni diverse che
coinvolgono in particolare la struttura organica determinando conseguenze in termini di
concentrazione energetica ma anche di stabilità e conservabilità (trattamenti “termochimici”).
• trattamenti di natura “biologica”: ne fanno parte quei trattamenti nei quali si
innescano meccanismi biologici, generalmente ad opera di microrganismi di vario genere
(funghi, batteri, lieviti) o enzimi, che determinano delle modifiche a carico della
componente organica favorendo la stabilizzazione della biomassa (compostaggio,
digestione anaerobica) o addirittura la formazione di biocombustibili (biogas dalla
digestione anaerobica, bioetanolo di seconda generazione dall’idrolisi/fermentazione di
carboidrati più o meno complessi presenti nelle biomasse lignocellulosiche).
I più comuni trattamenti meccanici a cui sono sottoposte le biomasse solide servono
generalmente a risolvere quelle problematiche legate alle caratteristiche dimensionali e, quindi,
connesse alle fasi di raccolta, trasporto e stoccaggio. Ne sono un esempio classico la cippatura, la
pellettizzazione e la bricchettatura (Stelte 2011, Holm 2007).
44
I trattamenti che si basano invece su processi termo-chimici, come la gassificazione, la pirolisi e la
torrefazione, si rivelano utili soprattutto per quelle biomasse che hanno una composizione
prevalentemente lignocellulosica. I materiali vengono sottoposti a temperature elevate in
presenza di un’atmosfera a concentrazione ridotta o nulla di ossigeno. Il calore determina la
rottura dei legami chimici delle molecole organiche (cellulosa, emicellulosa e lignina)
modificandone la struttura o determinando la formazione di composti volatili. I prodotti solidi che
si ottengono presentano vantaggi in termine di omogeneizzazione della componente organica, di
concentrazione energetica, di stabilità e conservabilità (Pimchuai 2010).
Questi ultimi trattamenti coinvolgono prevalentemente la frazione organica delle biomasse
mentre non risolvono il problema dell’elevata concentrazione della componente inorganica e,
quindi, di quegli elementi chimici indesiderati, spesso responsabili di criticità durante il processo di
combustione. A tale scopo possono rivelarsi utili trattamenti di lavaggio delle biomasse (Xinliang
2011, Arvelakis 2001). In funzione del solvente che si utilizza è possibile rimuovere per
solubilizzazione parte degli elementi ritenuti indesiderati.
Le biomasse residuali hanno una composizione estremamente variabile e spesso, oltre a
componenti lignocellulosiche, sono costituite anche da matrici oleose. Ne sono un esempio i semi
presenti in certi residui agroalimentari (vinaccioli nelle vinacce, semi nei residui della lavorazione
industriale del pomodoro) i quali possiedono un contenuto lipidico variabile. La presenza di questi
oli non deve essere necessariamente considerato un aspetto negativo. Anzi, la loro estrazione e
raffinazione potrebbe comportare vantaggi legati ad un loro utilizzo in ambiti particolari
(farmaceutico, alimentare, ma anche energetico con la produzione di biocombustibili liquidi) e
potrebbe conferire alla filiera stessa un maggior valore aggiunto (Bail 2008, Fernàndez 2010,
Giannelos 2005, Maier 2009).
L’estrazione di queste matrici oleose può essere ottenuta sia mediante trattamenti meccanici –
estrazione per pressione – che per mezzo di trattamenti chimici – estrazione mediante solventi.
Segue un approfondimento dei trattamenti delle biomasse solide ritenuti più interessanti ai fini del
presente studio.
45
3.2 CIPPATURA
Il cippato è un biocombustibile ottenuto mediante sminuzzatura del legno effettuata da macchine
dotate di lame o coltelli che tagliano il materiale e lo trasformano in scaglie parallelepipede
omogenee.
Questo combustibile sotto forma di scaglie, in inglese “chips” (da qui il termine “cippato”), viene
generalmente prodotto utilizzando legname di qualità medio bassa, come i residui delle potature
boschive, agricole e urbane (ramaglie, cimali), o gli scarti provenienti dalle industrie di lavorazione
del legno.
Figura 3.2.1 - Cippatrice semovente
Fonte: Direct Industry (www.directindustry.it)
L’operazione di cippatura è effettuata con delle macchine dette appunto scippatrici (figura 3.2.1),
presenti sul mercato in diversi modelli, e distinguibili in funzione del sistema di taglio che può
essere o a disco o a tamburo. Il taglio a disco è generalmente realizzato nelle macchine di piccola
potenza, che hanno una capacità di lavoro di qualche tonnellata l’ora e che vengono portate da
trattori agricoli; i sistemi a tamburo sono invece installati in versioni molto più pesanti e potenti,
quasi sempre automotrici e in grado di lavorare legname con dimetri fino a 30 cm. L’operazione di
sminuzzatura, attuata quasi sempre nel sito di raccolta, presenta sia aspetti positivi che negativi.
Tra i principali vantaggi vi è senz’altro la possibilità di ottimizzare l’impiego della biomassa
legnosa disponibile, in quanto si può cippare anche quel materiale che non potrebbe essere
trasformato in alcun assortimento convenzionale perché piccolo o difettoso. In pratica quindi la
sminuzzatura consente di recuperare un 15–20% di biomassa che altrimenti sarebbe abbandonata
in bosco come residuo; cippare anche questo materiale non solo aumenta la resa a ettaro, ma
risolve lo spinoso problema dei residui di utilizzazione, che le misure di prevenzione degli incendi
boschivi impongono tra l’altro di asportare o eliminare.
46
Un altro aspetto sicuramente positivo legato all’operazione di cippatura è che, grazie ad essa, è
possibile ridurre sensibilmente il volume apparente degli scarti forestali, facilitandone così la
movimentazione e il trasporto: una tonnellata di cippato fresco infatti occupa circa 3 m3, contro i
10 m3 necessari per contenere la stessa quantità di ramaglia non lavorata. Ovviamente ciò vale
solo per il materiale minuto in quanto il volume occupato dal cippato è comunque superiore, quasi
doppio, all’ingombro di un peso equivalente di legname tondo; la logica conclusione, quindi, è che
conviene sminuzzare ramaglia, scarti e piante di piccole dimensioni, mentre è meglio ridurre in
ciocchi le piante medio–grosse, soprattutto se la distanza di trasporto è elevata.
A questi aspetti positivi si contrappongono però alcuni svantaggi: uno tra tutti ad esempio è
quello legato alla notevole richiesta di potenza delle attuali cippatrici, inconveniente che si
ripercuote inevitabilmente sia sul costo della macchina che sul consumo di combustibile da parte
di quest’ultima. Nonostante questo però il mercato del cippato offre prezzi di acquisto non
particolarmente elevati che tuttavia però non sono riusciti a sviluppare sufficientemente questa
risorsa e a renderla una vera alternativa ai combustibili tradizionali. Tra i problemi relativi
all’utilizzo del cippato spicca poi quello legato alla sua scarsa conservabilità particolarmente
accentuata per tenori di umidità superiori al 35–40%. Il legno umido infatti è un substrato
eccellente per la crescita di vari microrganismi xylofagi, funghi e batteri da cui la pianta
normalmente si protegge grazie alla presenza della corteccia; in seguito alla sminuzzatura però
viene prodotta un’enorme quantità di legno non protetto, e pertanto, moltiplicandosi la superficie
ricettiva all’attacco dei microrganismi, si innesca un processo di rapido deterioramento che è bene
tenere sotto controllo evitando ad esempio al cippato lunghi periodi di stoccaggio. Generalmente
l’attacco microbiologico inizia già poche ore dopo che il legno è stato cippato e può andare avanti
per diverse settimane, fino a che la temperatura generata dalla respirazione microbica non diventa
talmente elevata da inibire l’ulteriore proliferazione dei microrganismi che ne sono la causa. Una
delle conseguenze di questo processo di deterioramento è innanzitutto la perdita di una notevole
quantità di sostanza secca che, venendo divorata dai microrganismi, non è più disponibile per la
produzione di energia. Con uno stoccaggio prolungato in condizioni sfavorevoli si può arrivare
infatti a riduzioni di massa superiori anche al 20% con evidente danno economico per il
proprietario dell’impianto. Per meglio rendersi conto dell’importanza del problema basti pensare
che, essendo il valore del cippato funzione del calore prodotto, perdere un 20% del potere
calorifico sul materiale consegnato in deposito significa innalzarne di fatto il suo costo di un
quinto. Altri inconvenienti conseguenti all’attacco microbico sono poi: l’enorme sviluppo di spore,
che possono indurre reazioni allergiche nei soggetti sensibili rendendo così il deposito del cippato
un ambiente di lavoro particolarmente insalubre, nonché il rischio di autocombustione a cui può
andare incontro la catasta di chips per effetto delle alte temperature dovute all’azione dei
microrganismi. Quest’ultimo problema, abbastanza raro in realtà negli impianti di riscaldamento
per uso civile, tende a verificarsi quasi esclusivamente nei depositi di grosse dimensioni,
contenenti diverse migliaia di tonnellate di materiale legnoso, e nei quali lo stoccaggio si prolunga
oltre i 6–10 mesi. A parità di condizioni (umidità e pezzatura) tutte le specie sono attaccate in
modo più o meno grave: pioppo e salice sono quelle più vulnerabili, mentre in generale le conifere
hanno una maggiore resistenza grazie soprattutto alla resina che garantisce loro una limitata
protezione.
47
A seconda delle caratteristiche possedute dalla massa legnosa che viene sottoposta al processo di
cippatura, è possibile distinguere tre tipologie di cippato:
 cippato bianco, che deriva dalla sminuzzatura di solo legno, ovvero di fusti o tronchetti
preventivamente scortecciati;
 cippato marrone, che contiene anche porzioni di corteccia le quali, frantumandosi in
particelle di piccole dimensioni, riempiono parte degli interstizi tra i cips creando così un
aggregato più compatto e a maggior massa volumica rispetto alla categoria precedente;
questa tipologia di cippato è quella più frequente, sia nella produzione forestale sia in
quella industriale;
 cippato verde, che, essendo ottenuto dalla riduzione in chips di piante intere o di porzioni
di chioma, contiene anche fogliame e soprattutto aghi i quali conferiscono all’ammasso
una maggiore umidità che può creare fenomeni indesiderati di compattamento all’interno
delle strutture di stoccaggio.
La geometria e la dimensione dei chips, che dipendono dal tipo di cippatrice impiegata e da
parametri operativi quali velocità di rotazione dell’organo di taglio o velocità di avanzamento del
pezzo di legno, vengono definite in funzione del tipo di caldaia utilizzata ma soprattutto, in
funzione del suo sistema di alimentazione che ha il compito di introdurre in camera di
combustione il cippatto proveniente dal sito di stoccaggio.
Questi chips presentano tipicamente una lunghezza compresa tra i 15 e i 50 mm, una larghezza
pari a circa la metà della lunghezza e uno spessore variabile da un quinto a un decimo della
lunghezza; pertanto una dimensione tipica è ad esempio 40 x 20 x 3 mm. La granulometria del
cippato e ancor più la sua omogeneità (ottenuta con la calibratura tramite vagli) sono parametri
estremamente importanti ai fini dell’impiego negli impianti di riscaldamento ad alimentazione
automatica, in quanto particelle disomogenee in dimensioni e forma possono causare
inconvenienti nel funzionamento e blocchi del sistema di alimentazione della caldaia. Un altro
parametro da tenere in considerazione è il tenore di umidità: attualmente infatti le tecnologie
disponibili per la combustione del cippato accettano solamente biomassa con un’umidità massima
del 50%; dei limiti si hanno anche per quanto riguarda il materiale legnoso di partenza, il cui livello
di umidità deve essere compreso tra il 25% e il 50% dato che valori al di sotto o al di sopra di
queste soglie possono causare problemi al funzionamento della cippatrice.
48
3.3 TRATTAMENTI PER LA RIMOZIONE DELLA FRAZIONE INORGANICA
Come già anticipato nel capitolo 2.6, la presenza delle ceneri nei biocombustibili rappresenta un
aspetto molto critico per tutte le tecnologie di conversione energetica. Oltre a costituire un
sottoprodotto della combustione che deve essere costantemente rimosso e smaltito, con costi
differenti in funzione delle sue caratteristiche, le ceneri sono anche alla base di diverse
problematiche di natura tecnica (formazione di incrostazioni, corrosioni, produzione di
agglomerati, ceneri leggere) ed ambientale (polveri).
La rimozione della frazione inorganica dalla biomassa prima della conversione energetica si rende
quindi necessaria ove le problematiche da essa indotte siano particolarmente sentite. È da tener
presente come la componente inorganica è distribuita nella biomassa in maniera non omogenea.
Si è osservato, da alcune esperienze di laboratorio, che la quantità di ceneri è in molti casi più
elevata nelle frazioni granulometriche di minore dimensione (dell’ordine del millimetro o
inferiore). Tramite azioni meccaniche sulla biomassa (setacciatura con aria forzata o vibrovagliatura) è possibile separare le componenti con minor contenuto in ceneri da quelle con un
contenuto più elevato (Report Ambientalia 2012). Nell’ambito di questo tipo di trattamento,
inoltre, non va trascurata la presenza di inerti, spesso principali responsabili dell’elevato
contenuto di ceneri nelle biomasse residuali. Si tratta di materiali di varia natura e dimensioni,
esterni alla biomassa. La loro presenza è spesso legata alle modalità con cui vengono condotte le
operazioni di raccolta (es. paglia dal terreno, residui agro-alimentari dalla linea di produzione),
conservazione (es. a terra, in locali chiusi, all’aperto) trasporto e di gestione in generale. Tuttavia,
si è osservato che, se la separazione meccanica può consentire la rimozione della frazione di
biomassa più ricca in ceneri, non sembra avere effetti sulla composizione chimica delle ceneri che
rimangono nella biomassa così trattata. In altri termini, il modo con cui si distribuisce la
composizione chimica delle ceneri nella biomassa appare indipendente dalla separazione delle
frazioni di piccola, media e grande dimensione (Report Ambientalia 2012).
Un altro metodo che può essere utilizzato per rimuovere la componente inorganica dalle biomasse
solide, consiste nel lavare ciascun materiale con acqua allo scopo di favorire la solubilizzazione dei
composti chimici più solubili (Turn 1997, Liu 2011). Si tratta di un’estrazione solido-liquido che
prende il nome di lisciviazione (water leaching). Questo processo è da tempo utilizzato in campi
diversi (es. lavorazione dei minerali, estrazione zucchero dalle barbabietole) adottando, per
ciascuna applicazione, condizioni operative specifiche (es. frantumazione della parte solida, uso di
solventi diversi dall’acqua, applicazione di condizioni termiche differenti) (Arvelakis 2001, Dayton
1999, Jenkins 1996).
Nell’ambito del trattamento delle biomasse, in considerazione delle problematiche delle ceneri
sopra descritte, c’è interesse soprattutto alla rimozione di alcuni sali solubili di potassio, sodio e
cloro, oltre che a ridurre il carico inorganico complessivo del biocombustibile. Sono diversi i fattori
che possono influire sull’efficienza del processo di lisciviazione. Tra questi: la temperatura della
soluzione acquosa o estrattiva; la granulometria della biomassa trattata (che condiziona la
superficie specifica di contatto tra biomassa e acqua); la tipologia di soluzione lisciviante (acida,
basica e neutra); il tempo di contatto tra le due fasi, solida e liquida, e la turbolenza della miscela
determinata da eventuali sistemi di agitazione.
49
L’efficienza di lisciviazione varia, in ogni caso, in base alla composizione chimica della frazione
inorganica. Da precedenti esperienze nell’utilizzo di questo trattamento, sono state osservate
riduzioni in termini di contenuto di ceneri molto variabili. Al netto degli effetti legati al
trattamento meccanico di separazione delle componenti di dimensione inferiore (generalmente
più ricche in ceneri), il trattamento di lisciviazione con acqua ha determinato riduzioni del
contenuto in ceneri comprese tra il 20% ed il 60% (Report Ambientalia 2012).
In generale, la variazione di concentrazione dei diversi elementi pre- e post-trattamento è variabile
e dipende, oltre che della loro diversa solubilità nel mezzo acquoso (i metalli alcalini ed il cloro, ad
es., tendono a passare in soluzione facilmente, con valori superiori anche all’80%), anche dal pH
della soluzione (influenza l’equilibrio del processo di solubilizzazione). Alla luce di ciò, l’utilizzo di
soluzioni acide diluite (HCl, HF, HNO3 e H2SO4) è in grado di incrementare il passaggio in soluzione
anche di certi composti meno solubili. La letteratura mostra alcuni dati ricavati da test su specifici
materiali, sopratutto legname, cortecce e paglie (Jenkins 1996, Liu 2011). Su queste ultime il
fenomeno della lisciviazione è stato osservato anche sul materiale lasciato in campo, in quanto
determinato per effetto della pioggia caduta su di esso. Questa, infatti, può rimuovere elementi
chimici dalla matrice organica determinandone, tra l’altro, il rilascio in campo in qualità di
nutrienti.
Attorno al tema della lisciviazione, intesa come trattamento di lavaggio per ridurre il contenuto di
ceneri nei biocombustibili solidi, vi sono anche alcuni aspetti collaterali che non vanno
sottovalutati, in quanto sono spesso causa di dubbi e perplessità. Tra le questioni più rilevanti vi
sono:
• le problematiche di gestione e/o smaltimento dell’acqua/soluzione di trattamento, carica
di residui inorganici ed organici;
• la perdita di sostanza organica dalla biomassa, a seguito ad esempio dell’idrolisi
dell’emicellulosa e della cellulosa, che comporta inevitabilmente anche una certa perdita di
energia;
• la necessità di essiccare il materiale sottoposto a lavaggio prima di una sua eventuale
valorizzazione energetica.
50
3.4 TORREFAZIONE
I più comuni trattamenti che si basano su processi termochimici sono la gassificazione, la pirolisi, e
la torrefazione. La biomassa viene sottoposta a temperature elevate in presenza di un’atmosfera a
concentrazione ridotta o nulla di ossigeno. Il calore determina la rottura dei legami chimici delle
molecole organiche (cellulosa, emicellulosa e lignina) modificandone la struttura o determinando
la formazione di composti volatili.
Attualmente, nel campo dei biocombustibili solidi ad uso energetico, vi è molto interesse attorno
alla torrefazione, sia per l’efficienza energetica del processo che per i vantaggi che questa
comporta a livello qualitativo (Uslu 2008).
Il processo industriale di torrefazione nasce con la tostatura dei chicchi di caffè, anche se in questo
caso il trattamento viene eseguito in presenza di ossigeno e a temperature relativamente basse.
L’applicazione si è poi estesa anche al settore dei materiali del legno con finalità diverse (es. per la
produzione di materiali da costruzione o per la produzione di botti per l’invecchiamento dei vini).
Solo in tempi più recenti si è acceso l’interesse in ambito energetico per la produzione di
biocombustibili solidi ma, in questo contesto, il processo avviene in assenza di ossigeno, a
pressione atmosferica e a temperature dell’ordine dei 200 – 300°C (Chen 2010).
In effetti, il processo di torrefazione determina sul legno, e in generale su tutti i prodotti a base
ligno-cellulosica, cambiamenti molto interessanti ai fini della combustione:
- la riduzione dell’umidità;
- l’aumento della densità energetica (Bridgeman 2008);
- la forte diminuzione dell’igroscopicità (Felfli 2005);
- la modifica delle proprietà meccaniche (>porosità, >fragilità, <resistenza meccanica) con
conseguente miglioramento della macinabilità (Phanphanich 2010, Arias 2008).
Sono queste alcune delle principali caratteristiche che avvicinano il prodotto torrefatto ai
combustibili solidi tradizionali (Chen 2010; Sadaka 2009)(figura 3.4.1).
È stato notato anche un vantaggio energetico della torrefazione nel pretrattamento della
biomassa da utilizzare in gassificazione (Prins 2006; Couhert 2009).
Figura 3.4.1 - Confronto visivo tra cippati di legno trattati in condizioni di torrefazione via via più severe
Fonte: Report ECN (Bergman 2005)
In virtù di queste migliori proprietà energetico-meccaniche (rispetto al prodotto tal quale di
origine) con la torrefazione si possono configurare una serie di vantaggi:
- miglioramento della fase di conservazione/stoccaggio delle biomasse per la maggiore
stabilizzazione biologica;
51
-
riduzione dei costi specifici di quelle fasi di lavorazione dei materiali in cui gli oneri sono
funzione dei volumi in gioco (trasporto, stoccaggio, ecc…) (Felfi 2005, Shang 2012);
possibilità di densificare il materiale mediante pellettizzazione (con un consumo energetico
minore rispetto alla pellettizzazione diretta) (Stelte 2011);
possibilità di mescolare il prodotto torrefatto al carbone fossile per l’alimentazione di
impianti energetici (co-combustione) (Bergman 2005, Li 2012);
significativo aumento complessivo del potere calorifico inferiore (es. su matrice legnosa si
passa da 17-19 a 18-23 MJ/kg su base secca) (Bergman 2005).
Nel corso del processo di torrefazione giocano un ruolo importante gli aspetti dei bilanci di massa
e di energia (figura 3.4.2) (Chen 2011; Felfli 2005; Chen 2010; Sadaka, 2009). Le trasformazioni
termochimiche a carico della biomassa di partenza comportano, attraverso la produzione di
volatili, una perdita di materia solida che può raggiungere valori anche del 30% in peso (Bridgeman
2008). La perdita di questa componente determina inevitabilmente anche una perdita di energia di
circa un 10-15% del contenuto energetico totale presente nel combustibile di partenza. La minore
perdita di energia, rispetto alla perdita di massa, è dovuta al fatto che avviene principalmente a
carico di ossigeno e in parte di idrogeno per la perdita di gruppi –OH. La perdita di tali gruppi
funzionali, nel legno in particolare, ma in generale in tutte le matrici lignocellulosiche, è anche
responsabile del minore assorbimento di umidità, e quindi della minore igroscopicità, dei torrefatti
rispetto al materiale non trattato.
Figura 3.4.2 - Bilancio di massa ed energetico del processo di torrefazione
Gas di
torrefazione
Biomassa
Torrefazione
200-300 C
Biomassa
Torrefatta
Fonte: Report ECN (Bergman 2005) modificato
La torrefazione apporta notevoli vantaggi qualitativi ai combustibili solidi ma non risolve uno degli
aspetti più importanti, il problema dell’alto contenuto di ceneri.
52
La fisica del processo
Le biomasse solide considerate dal processo di torrefazione sono costituite principalmente da
emicellulosa, cellulosa e lignina. In relazione alle condizioni termiche a cui sono sottoposte le
matrici, la emicellulosa è quella più reattiva andando incontro a termoconversione a più basse
temperature. Nel range di temperatura tipico del processo di torrefazione (200 - 300°C) è proprio
questa componente a subire le maggiori conversioni e degradazioni.
Il torrefatto che si produce è di fatto il risultato del riarrangiamento dei polimeri della matrice di
partenza in nuovi polimeri (con struttura non ordinata) e char; la frazione inorganica di partenza
rimane inalterata.
I prodotti volatili che si producono nel processo sono formati sostanzialmente da CO, CO2, tracce
di H ed organici volatili (CxHy - aromatiche e non). Alcuni di questi prodotti possono trovarsi allo
stato liquido a temperatura ambiente (terpeni, alcoli, zuccheri, acidi grassi). La conversione
termica della biomassa di partenza, oltre a dipendere dalla temperatura di torrefazione, dipende
anche dalla dura del trattamento (in genere si considera il tempo di permanenza al di sopra dei
200°C, “tempo di residenza”) e dalla velocità del processo. Nella fase iniziale il processo è lento e
determina la perdita di umidità: si rimuove dapprima l’acqua libera presente nelle porosità e poi
quella legata chimicamente alla matrice solida. Una volta eliminata l’acqua dalla biomassa si
avviano processi di termoconversione a carico della matrice organica (Bergman 2005).
Figura 3.4.3 - Stadi della torrefazione di biomassa umida. Sono riportati i profili della temperature del sistema di
torrefazione, del contenuto di umidità della biomassa, della massa e della richiesta di energia nel corso del tempo
53
Più nel dettaglio sono state individuate cinque fasi principali (figura 3.4.3):
• riscaldamento iniziale: la biomassa viene portata alla temperatura idonea alla
deumidificazione che inizia nella parte finale di questa fase;
• pre-essiccamento: si mantiene la temperatura raggiunta affinché l’acqua libera evapori
costantemente raggiungendo la percentuale di umidità critica (umidità alla quale la cinetica
di essiccamento passa da costante a decrescente; per la biomassa si parla del 5-10%);
• post-essiccamento e riscaldamento intermedio: la temperatura è portata a 200°C
consentendo il rilascio dell’acqua legata più specificamente; è possibile anche una leggera
perdita di peso dovuta alla volatilizzazione di una minima percentuale di composti di
natura diversa (terpeni, flavonoidi, acidi grassi a corta catena);
• torrefazione: fase che inizia a 200°C (per convenzione) e che generalmente non supera i
300°C. La massima temperatura raggiunta (temperatura di torrefazione) viene stabilita e
mantenuta (tempo di torrefazione) in funzione degli obiettivi previsti dal processo. In
questa fase la perdita di peso è legata alla degradazione termica della sostanza organica;
• raffreddamento solidi: questa fase si avvia quando la temperatura scende al di sotto dei
200°C.
Principali proprietà del prodotto torrefatto
Le modifiche chimiche indotte dal processo di torrefazione sulla biomassa possono essere
misurate attraverso la variazione della composizione elementare (principalmente C, H, O). In
particolare, attraverso l’analisi dei rapporti H/C e O/C si osserva come le termoconversioni
determinino una forte riduzione di O e in parte di H rispetto al C (Bergman 2005, Couhert 2009,
Chew 2011). Il diagramma di Van Krevelen rende in grafica questi aspetti (figura 3.4.4). Dal punto
di vista della composizione elementare i materiali torrefatti si avvicinano alle caratteristiche di una
torba. Tuttavia, ciò dipende dalla biomassa di partenza e dalle condizioni di processo.
Figura 3.4.4 – Diagramma di Van Krevelen per legno torrefatto (TW), prodotto a differenti condizioni, a confronto con
legno non trattato (Wood dry), carbone (coal), residuo solido di pirolisi (Charcoal) e torba (Peat)
54
L’effetto della variazione in composizione elementare è misurabile anche:
- dalla variazione del Potere Calorifico Inferiore (PCI) (con incrementi fino al 30% rispetto alla
biomassa di partenza) che nel torrefatto può avvicinarsi a quello di un carbone (25 - 30
MJ/kg);
- dalla variazione del comportamento igroscopico, spiegato dalla distruzione dei gruppi –OH
che determina una maggiore resistenza a formare legami ad idrogeno con l’acqua e, di
conseguenza, una riduzione dell’adsorbimento (Svoboda 2009).
Infine, la perdita di umidità e le modifiche strutturali della biomassa dopo trattamento di
torrefazione si possono evidenziare anche dalla variazione di massa volumica. Tipicamente un
materiale torrefatto presenta una massa volumica compresa tra 150 e 300 kg/m3 partendo da una
biomassa che allo stato secco può essere caratterizzata da una massa volumica di 250 – 400 kg/m3
e allo stato umido raggiungere valori di 500 – 800 kg/m3 (Wang 2011).
55
3.5 PELLETTIZZAZIONE
Un aspetto importante, che caratterizza tutte, o quasi, le biomasse residuali, riguarda, come già
detto, la loro disponibilità nel corso dell’anno. Essendo la loro origine legata alla stagionalità dei
processi produttivi che le generano, la loro disponibilità è inevitabilmente concentrata in
particolari periodi dell’anno che, tra l’altro, non sempre coincidono con i periodi di effettivo
fabbisogno dell’energia da esse ricavabile. Ne consegue la necessità di prevedere opportune
strutture per lo stoccaggio e la conservazione.
La torrefazione è certamente un trattamento interessante se applicato alle biomasse residuali ma,
se da un lato migliora la concentrazione energetica dei materiali, le caratteristiche di
conservabilità e l’attitudine alla macinazione, dall’altro non ne migliora (per lo meno non lo fa
direttamente) la densità di massa. Ne consegue un uso non efficiente degli spazi adibiti allo
stoccaggio dei materiali. Inoltre, le eterogenee caratteristiche meccaniche e dimensionali delle
biomasse, rendono complessi e meno efficienti anche tutti quei passaggi operativi durante la fase
di approvvigionamento (raccolta, trasporto e stoccaggio). Un possibile trattamento in grado di
apportare benefici da questo punto di vista è sicuramente il trattamento di pellettizzazione (o
pellettatura). Questo processo porta alla produzione del famoso pellet.
Il termine “pellet”, di per sé, non identifica un combustibile alternativo ed ecologico, bensì la
forma cilindrica di un prodotto compatto, di piccole dimensioni, ottenuto tramite un processo di
estrusione. Tale termine, infatti, è utilizzato anche nel processo di compattazione/densificazione
nel settore mangimistico ed agro-alimentare in genere. Il pellet esiste come frutto di tale processo
da decine di anni ed è nato per soddisfare l’esigenza di trasportabilità e stoccabilità dei mangimi
per animali d’allevamento.
Figura 3.5.1 - Pellettatrice
Fonte: Laboratorio Biomasse
56
La produzione di pellet da legno o da agro-residui esiste, quindi, grazie allo sviluppo di tali
tecnologie nel settore agroalimentare e zootecnico. I canadesi sembra siano stati tra i primi ad
adottare il processo di "pellettatura" nel settore mangimistico (fin dagli anni ’60). Solo in seguito, a
partire dagli anni ‘80, sono state create le prime macchine per cercare di densificare la segatura di
legno – cioè lo scarto di lavorazione dei tronchi, e di legname in genere, prodotto da segherie ed
aziende correlate – con il principale obiettivo di ridurne i costi di stoccaggio e trasporto e favorirne
lo smaltimento attraverso un utilizzo energetico.
I vantaggi che si possono ottenere con la produzione di pellet, in particolare da residui agricoli ed
agroalimentari, sono molteplici e riguardano diversi aspetti (Toscano 2011):
Logistica e trasporto: la forma geometrica cilindrica e l’aumento di massa volumica del prodotto
pellettizzato (fino anche a 5-6 volte rispetto alla matrice di partenza) contribuisce a migliorare
significativamente la movimentazione del combustibile, sia sotto un profilo di resa energetica che
di minori costi. I costi di trasporto si abbassano anche come conseguenza del minor contenuto di
umidità del pellet. Le tecnologie di stoccaggio e di movimentazione del prodotto sono
ampiamente diffuse e consolidate.
Stabilità del prodotto: il residuo pellettizzato, a differenza del materiale umido originale, ha un
basso contenuto di umidità e, quindi non va incontro a processi fermentativi che possono
comportare perdite in contenuto energetico e favorire pericolosi fenomeni di autocombustione.
Standardizzazione: la pellettizzazione dei residui conferisce alla materia prima una elevata
uniformità chimico-fisica. Ciò permette di stabilire delle specifiche di prodotto. Di fatto, si passa da
un prodotto indefinito (la biomassa grezza) ad un prodotto con peculiarità da combustibile (il
pellet).
Mercato e commercio: non esiste un mercato vero e proprio degli agripellet. Tuttavia, è
presente un settore di operatori industriali attorno alle filiere della pellettizzazione (costruttori di
macchine, sistemi di combustione, trasporto ecc.). L’industria del pellet di legno, che ha
beneficiato di questa condizione, rappresenta un riferimento importante anche per l’agripellet.
Combustione: la combustione del prodotto pellettizzato è nettamente superiore, in termini di
efficienza energetica ed ambientale, rispetto alla materia prima grezza. Pertanto, la
pellettizzazione rappresenta un’opportunità per valorizzare in modo più sostenibile le diverse
biomasse, soprattutto quelle residuali che in alcuni casi, peraltro vietati, vengono combuste in aria
libera con effetti negativi in termini di inquinamento ambientale.
La produzione del pellet
Sul mercato esistono diverse tipologie di macchine per la produzione di pellet che utilizzano
tecniche differenti. Il processo di pellettizzazione, inoltre, viene notevolmente influenzato dalle
caratteristiche del materiale di partenza, sia per quanto riguarda la natura stessa del materiale (o
dei materiali, qualora si tratti di miscugli o miscele) impiegato, sia per quanto concerne le
condizioni fisiche in cui esso si trova al momento della sua lavorazione. Fra le varie caratteristiche
giocano un ruolo di fondamentale importanza il contenuto di umidità e il contenuto di lignina del
materiale. Quest’ultimo è importante dal momento che la lignina “lega insieme i pellet” (Stelte
2011). Per assicurare un contenuto di lignina omogeneo la materia prima pulita è spesso un mix di
vari tipi di legno. Per la fabbricazione del pellet da legno, ad esempio, viene generalmente usato
57
sia legno di conifere che di latifoglie. La quantità di lignina varia infatti tra le differenti specie di
alberi, così che i legni duri (“hardwood”, o latifoglie), quali ad esempio il faggio, normalmente
hanno un contenuto di lignina più basso di quelli soffici (“softwood”, o conifere) come il comune
abete rosso. In un singolo processo produttivo tipicamente il legno di conifere costituisce dal 70 al
95% della materia prima, mentre la restante parte proviene dalle latifoglie. È davvero importante
assicurarsi che il mix sia quanto più omogeneo possibile. L'uso di materiale non omogeneo
aumenta il rischio di interruzioni durante il processo di pressatura (Kallio 2011).
Il processo di produzione di pellet può prevedere, in alcuni casi, anche l’ausilio di additivi che
servono a migliorare il legame tra le particelle di biomassa. L’additivo più comunemente usato è
l’amido che è in grado di aggregare le particelle tra di loro e, al contempo, non lascia residui
“nocivi” nel prodotto finale.
Dal momento in cui la materia prima arriva all’impianto di pellettizzazione, al momento in cui il
pellet è pronto per essere consegnato, il materiale va incontro ad una serie di operazioni:
Macinazione di sgrossatura (cippatura): è un’operazione che viene eseguita, sulla tutta quella
biomassa che si presenta, prima della fase di essiccazione, in forma grossolana; in questo caso
infatti i tronchetti di legno o le ramaglie, subiscono, mediante l’ausilio di un rotore a coltelli, una
vera e propria riduzione volumetrica in scaglie.
Pulitura (deferrizzazione): alla consegna della materia prima all’impianto di pellettizzazione,
prima dell’introduzione nel macinatoio, il materiale grezzo viene solitamente separato, tramite
l’azione di appositi magneti, da eventuali elementi ferrosi che, se introdotti nella trafila di
produzione, potrebbero causare ingenti danni.
Essiccamento: con le tecnologie oggi più diffuse, il materiale legnoso di partenza non può essere
utilizzato per la produzione di pellet se presenta un contenuto di umidità superiore in media al
12%: è quindi necessario, dopo la macinazione primaria, eseguire un’essiccazione attraverso
l’esposizione ad aria calda, vapore e acqua. In questo modo si raggiunge il grado di umidità
desiderato e viene data possibilità alla lignina, contenuta nella materia prima, di svolgere nella
successiva fase di pressatura il ruolo di legante tra le diverse particelle di legno.
Le tecnologie per l’essiccamento della biomassa maggiormente utilizzate prevedono per lo più
l’utilizzo di essiccatoi rotativi, in equicorrente o in controcorrente e con riscaldamento che può
essere diretto o indiretto. Negli essiccatoi a riscaldamento diretto il materiale umido entra
direttamente in contatto con un gas caldo che può essere costituito o da prodotti di combustione
(essiccazione a fumi diretti) o semplicemente da aria riscaldata (essiccazione ad aria calda). Nei
sistemi a riscaldamento indiretto invece, il materiale grezzo non entra in contatto con nessuna
sostanza, ma anzi rimane all’interno del tamburo rotativo che, montato su una cassa rivestita con
mattoni refrattari, viene riscaldato esternamente.
Macinazione: una volta essiccato il materiale grezzo (trucioli, segatura o i chips precedentemente
lavorati) viene poi sottoposto ad un processo di triturazione con riduzione in piccoli granuli di
dimensioni omogenee (circa 3 mm) che consentono sia l’alimentazione a flusso continuo della
pellettizzatrice, che la possibilità, eventualmente, di miscelare differenti specie legnose e scarti di
lavorazione. Questa fase viene spesso realizzata impiegando mulini a martello (figura 3.5.2). Il
materiale così triturato viene quindi avviato alla sezione di condizionamento, dove viene
preparato per entrare nella trafila della pellettizzatrice.
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Figura 3.5.2 - Schema di un mulino a martelli
Fonte: The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing
Pressatura: prima che i pellets siano pressati, l’1-2% di acqua sotto forma di vapore è fornita alla
materia prima che viene così riscaldata fino a 70° C. Il riscaldamento assicura che la lignina venga
rilasciata e questo contribuisce ad aumentare il legame delle particelle nel prodotto finale. Il mix
così ottenuto di soffice lignina e segatura viene poi trasportato alla pressa. Nonostante per la
produzione di questo combustibile non sia richiesto l’utilizzo di leganti, che addirittura sono vietati
da diverse normative, durante la fase di condizionamento è comunque possibile miscelare al
materiale legnoso alcune sostanze naturali come ad esempio amido, melassa, oli vegetali o
sulfonato di lignina, che permettono di migliorare la consistenza finale dei cilindretti densificati.
Il processo di pellettizazione è illustrato nelle figure 3.5.3 (a) e (b). La materia prima giace su un
piano di fronte ad un rullo compressore il quale pressa la stessa all'interno di fessure cilindriche.
Quando il rullo passa di nuovo sopra la fessura, del nuovo materiale viene pressato, ottenendo
così l’estrusione dei tipici cilindretti.
Sei condizioni sono importanti per ottenere una buona pressatura e quindi una discreta qualità di
pellet (Pelletsatlas 2007):
1. la correlazione tra la qualità delle materie prime, la capacità di compressione della
macchina ed il processo di compressione stesso;
2. la capacità di frizione della matrice;
3. la superficie ed il materiale della matrice ed il rullo compressore;
4. la lunghezza ed il diametro delle fessure nella matrice – figure 3.5.3 (b);
5. lo spessore dello strato di materia prima sopra la matrice, così come lo spessore del
materiale che viene pressato nel blocco;
6. la frequenza di compressione – ovvero la velocità di rotazione del rullo.
59
Figura 3.5.3 –Schemi del processo di formazione del pellet (a) e del rapporto di compressione [=d/(L+2l)] (b)
Fonte: Technical Research Centre of Finland, 2002
La distanza tra il blocco ed il rullo compressore influenza la qualità del pellet, l’usura del
macchinario ed il consumo di energia nel processo. Le prove hanno mostrato che un aumento
della distanza fra 0 e 1 mm provoca un consumo di energia del 20% superiore, ma allo stesso
tempo riduce il volume della polvere del 30% (Pelletsatlas 2007).
La pellettizzazione può essere effettuata sia usando una macchina con una matrice a forma di
anello (figura 3.5.4), sia di tipo piano (figura 3.5.5). La materia prima viene posizionata nel
tamburo, dove uno o più rulli la pressano all'interno delle fessure cilindriche nella matrice. Quando
i pellets sono passati attraverso il block, vengono tagliati o rotti nella lunghezza desiderata.
Le matrici possono essere cambiate, così che il diametro delle fessure cilindriche può variare, in
modo da poter produrre pellets di differenti lunghezze. In ogni caso tutte le unità di produzione
dovranno avere lo stesso diametro. In Danimarca il diametro tipico è di 8 mm.
Figura 3.5.4 - Pellettizatrice con matrice ad anello. La materia prima viene portata nel tamburo. Dove una o più presse
spingono il materiale attraverso i fori cilindrici. All’esterno della matrice i pellet vengono tagliati secondo la lunghezza
desiderata
Fonte: Pelletsatlas 2007
60
Figura 3.5.5 - Schema di una matrice piana. La material prima viene trasportata al tamburo, dove una o più presse
spingono il materiale attraverso i fori cilindrici. All’esterno i pellet vengono tagliati seconda la lunghezza desiderata
Il processo di pressatura (che raggiunge pressioni fino a 200 atmosfere, ≈ 200 × 105 Pa) produce, a
causa dall’attrito che si sviluppa, un aumento di temperatura della materia prima (con valori
prossimi ai 90°C). Il calore che si sviluppa disidrata il materiale e rende possibile i fenomeni di
bachelizzazione7.
Il livello di pressione necessario alla matrice dipende, tra le altre cose, dal tipo di materiale. In
generale, aumentando il contenuto di legno duro nella materia prima, aumenterà la pressione
necessaria per il processo di pellettizzazione. Un materiale che richiede una pressione più elevata
di quella effettivamente usata può intasare le fessure nella matrice e così interrompere il processo
di pellettizzazione.
L’estruso, che fuoriesce dai fori delle matrici, si presenta come un materiale compresso e
bachelizzato in superficie; esso viene quindi tagliato, da apposite lame, alla lunghezza voluta e
ridotto nei tradizionali cilindretti dai quali deriva appunto il nome di pellet.
Figura 3.5.6 - Vari schemi di raffreddamento, (a) normale e (b) trasversale
7
Il fenomeno di bachelizzazione deriva dalle proprietà termoindurenti dei composti fenolici e di
alcuni polisaccaridi, come la lignina, ma anche dell’amido (usato come agente legante naturale),
che rendono compatta, dura e quasi vetrosa la superficie dei pellet.
61
Raffreddamento: i pellet ancora caldi ed elastici sono trasportati ad una periferica di
raffreddamento per essere portati ad una temperatura di poco superiore a quella ambiente. Il
raffreddamento aumenta la durata del pellet e, di conseguenza, la formazione di polvere durante il
successivo trasporto e manipolazione.
Durante il processo di raffreddamento i pellets e l'aria raffreddata vengono fatti scontrare l'una
contro gli altri, così che l'aria meno calda è usata per raffreddare I pellet più caldi e viceversa –
vedi figura 3.5.6. Tale processo produce un graduale raffreddamento dei pellets che riduce la
quantità di stress da calore alla quale i pellets sono esposti (tale stress può inficiare la qualità del
prodotto).
Rimozione polvere: dopo il raffreddamento, i pellets sono analizzati al fine di rimuovere la
polvere e le particelle fini formatesi durante il processo. I pellets sono poi stoccati sciolti oppure
impacchettati in sacchi ed il residuo viene riciclato nel processo di produzione.
Figura 3.5.7 - Schema di un impianto di pellettizzazione
Fonte: The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing
Ad oggi il mercato del pellet è a esclusivo appannaggio della biomassa legnosa, in particolare di
quella proveniente dai comparti di prima e seconda lavorazione del legno; diversi però sono anche
gli studi rivolti a sviluppare la filiera del pellet da colture erbacee o da una miscela di queste con
biomasse legnose. La diversa qualità della biomassa di partenza, soprattutto in termini di potere
calorifico e contenuto in ceneri, porterà però inevitabilmente a un prodotto densificato con
caratteristiche differenti da quelle del pellet di legno, caratteristiche che ne modificheranno di
conseguenza anche la destinazione d’uso ma non la tecnologia e la filiera di produzione che invece
rimarranno invariate a prescindere dal tipo di biomassa utilizzata.
In Europa è la Svezia il più grande produttore e utilizzatore di questa tipologia di prodotto, che è
comunque diffuso in molti altri paesi europei. In Italia l'utilizzo del pellet non è particolarmente
esteso anche se negli ultimi anni si sta registrando un trend di crescita decisamente positivo. Oggi
la produzione italiana è stimata intorno alle 500 tonnellate annue, valore comunque non
62
comparabile a quello di paesi come la Svezia, dove si superano le 500.000 tonnellate, la Danimarca
(≈ 150.000 ton) o l’Austria (≈35.000 ton). Per non deludere nel nostro paese le aspettative di un
mercato sempre più in espansione è necessario garantire standard opportuni sia sulla qualità del
pellet (dimensione, umidità, densità, contenuto delle ceneri, potere calorifico, ecc), che sugli
apparati utilizzatori; introducendo allo scopo specifiche norme tecniche.
Il Comitato Termotecnico Italiano (CTI), anticipando il legislatore nella definizione di una specifica
normativa di regolamentazione, ha fornito una raccomandazione (R 04/5) proprio sulla
caratterizzazione del pellet a fini energetici. Questo documento si pone come obbiettivo sia il
miglioramento delle condizioni di commercio di questo prodotto, da realizzarsi attraverso
l’intensificazione del confronto tra tutti gli attori del sistema pellet (costruttori di impianti di
pellettizzazione, produttori di pellet, costruttori di impianti di combustione, commercianti e utenti
finali), sia la definizione di riferimenti tecnici utili al legislatore per facilitare l’implementazione
della normativa in materia.
Il CTI fornisce una caratterizzazione del pellet mediante l’individuazione di 4 categorie distinte,
definite in funzione della materia prima d’origine e delle caratteristiche fisiche e chimiche del
prodotto finito. La raccomandazione, nelle categorie B e C, contempla anche l’uso di biomassa
derivante da colture e residui erbacei, nonché agroindustriali; non è invece previsto l’utilizzo,
come materia prima, degli scarti dell’industria agroalimentare che invece sono considerati in
ambito europeo dalle direttive n. 2000/76 e n. 2001/80 CEN/TC 335.
Rispetto alle biomasse non densificate, come la segatura, il cippato, le ramaglie, ecc., il pellet
presenta notevoli vantaggi che gli permettono di essere molto più apprezzato sul mercato,
rispetto al materiale di partenza. Tra i più importanti ricordiamo i seguenti:
 elevata densità apparente (bulk density); questo fattore, che può variare tra i 650 e i 780
kg/m3, dipende dalla forma e dalle dimensioni del materiale, dall’umidità e dalla porosità. Il
pellet presenta mediamente una densità 7 volte superiore alla segatura e 3 volte superiore
al cippato, e ciò ne ottimizza il trasporto e lo stoccaggio;
 basso contenuto in umidità; le normative austriaca e svedese prescrivono un limite
massimo del 10% da calcolarsi sul secco; tale valore è stato preso come riferimento anche
dal Comitato Termotecnico Italiano (Raccomandazione CTI R04/05) sulla qualità del pellet;
il basso contenuto idrico migliora il rendimento della combustione e contribuisce a ridurre i
costi di trasporto; un ulteriore vantaggio si ha nello stoccaggio del combustibile che non
rischia di incorrere in fenomeni fermentativi con la formazione di muffe e batteri;
 alto potere calorifico per unità di peso; il potere calorifico del pellet è determinato dalla
composizione e dalla struttura della biomassa impiegata per la sua fabbricazione. Il pellet
di legno ha un PCI di circa 4.000 kcal/kg, valore energetico particolarmente elevato nel
campo dei biocombustibili;
 omogeneità del materiale sia dal punto di vista delle caratteristiche fisiche che qualitative;
granulometria ridotta e omogeneità di forma garantiscono una estrema facilità nella
movimentazione del prodotto che avviene generalmente mediante coclee, nastri
trasportatori o sistemi pneumatici di aspirazione; si ha quindi la possibilità di utilizzo in
caldaie automatizzate con tutti i vantaggi che ne conseguono in termini di regolazione,
dosatura e alimentazione continua del combustibile; il grande interesse nei confronti del
63
pellet, forse, risiede proprio nel fatto che esso si comporta, nella movimentazione,
similmente ai fluidi; ciò permette un elevato grado di automazione degli apparecchi e degli
impianti di combustione, al punto che nelle modalità di impiego essi si avvicinano agli
impianti alimentati con olio combustibile, kerosene o GPL; questo combustibile gode poi di
una elevata regolarità nella sua composizione e ciò permette di avere una migliore
regolazione del processo combustione e un miglior controllo delle emissioni. Inoltre il
vantaggio di avere un prodotto standardizzato, quale si vuol far diventare il pellet facendo
rispettare precise norme qualitative e riportando le informazioni sulle caratteristiche
chimico–fisiche in etichetta, riduce di fatto il rischio di incorrere in materiale di scarsa
qualità dotato ad esempio di eccessiva umidità, di una pezzatura disomogenea o di un alto
contenuto di impurità e di ceneri.
Un ulteriore aspetto qualificante è rappresentato dal ridotto quantitativo di ceneri prodotto
durante il processo di combustione; in relazione proprio al contenuto in ceneri, i combustibili a
pellet sono differenziabili in tre classi: classe “premium” con produzione di ceneri inferiore al 1%,
classe “standard” con livelli compresi tra l’1 e il 2% e classe “industriale”, non utilizzata di fatto
nelle comuni caldaie commerciali, e avente un contenuto in ceneri pari o addirittura superiori al
3%.
UN’ALTRA FORMA DENSIFICATA: I BRIQUETTES
I briquettes sono un’altra forma densifcata di biocombustibile ottenuta dalla pressatura di residui
legnosi più grossolani rispetto a quelli utilizzati nella produzione del pellet, essi si presentano
generalmente o come dei tronchetti cilindrici, aventi una lunghezza di 30 cm e un diametro di 7–8
cm, o come elementi di forma parallelepipeda più facili da utilizzare e da stoccare.
Figura 3.5.8 - Varie tipologie di bricchetti
Fonte: DIPIÙ macchine impianti
64
La densificazione della biomassa in bricchetti, presenta gli stessi vantaggi e svantaggi della
trasformazione in pellet, in seguito al processo di bricchettatura si ottiene infatti: un
miglioramento delle caratteristiche fisiche del materiale di partenza (densità, omogeneità, ecc.),
una riduzione dei volumi, una riduzione dei costi di stoccaggio e trasporto e un miglioramento del
comportamento durante la combustione. Al contempo però l’operazione di bricchettatura, al pari
della pellettizzazione, necessita di un preventivo condizionamento del materiale legnoso di
partenza che deve essere essiccato fino a raggiungere valori di umidità intorno all’8–10%, così da
produrre bricchetti con umidità del 6–8%, i quali mostrano buona resistenza, non si fessurano e
garantiscono un processo di produzione ad alta efficienza. Successivamente è necessaria anche
una fase di triturazione della biomassa, sino ad ottenere una granulometria di 6–8 mm, che possa
così garantire il migliore grado di compattazione del materiale e le migliori rese produttive.
In linea generale quindi i pretrattamenti necessari per eseguire una corretta bricchettatura sono
molto simili a quelli attuati nell’ambito della pellettizzazione, sebbene comunque le tecnologie
impiegate siano relativamente più semplici. Definita la granulometria e il contenuto d’acqua
ottimale il materiale grezzo viene quindi convogliato alla bricchettatrice mediante un sistema di
alimentazione costituito da un tubo mantenuto in depressione o da un nastro trasportatore. A
seconda della pressione applicata i sistemi di bricchettatura si distinguono in sistemi a bassa,
media e alta pressione. Mentre i primi due prevedono la miscelazione delle biomasse con una
sostanza legante, quelli ad alta pressione vengono applicati alla biomassa tal quale in quanto le
forze di coesione tra le particelle, quindi l’effetto legante, si sviluppano in seguito alle elevate
pressioni esercitate. Tra i sistemi ad alta pressione, le tecnologie più utilizzate sono: la
bricchettatura a vite e la bricchettatura a pistone (meccanica e oleodinamica).
Nel primo caso, la biomassa viene estrusa in continuo per effetto della rotazione di una o più viti
senza fine all’interno di una camera tronco conica, dove l’effetto combinato di pressione e
temperatura (la camera viene riscaldata durante il processo) garantisce l’adesione tra le particelle.
Figura 3.5.9 - Bricchettatura a vite
Fonte: DIPIÙ macchine impianti
65
La parziale carbonizzazione della superficie esterna del bricchetto poi, dovuta alla elevata
temperatura, e la presenza di un foro centrale, tipico delle estrusioni realizzate con sistemi a vite,
garantiscono una facile accensione di questo combustibile all’interno delle caldaie nonché
un’efficace processo di combustione. Con la bricchettatura a pistone meccanico, invece, la
compattazione della biomassa viene condotta per mezzo di un pistone alternativo mosso da un
motore elettrico attraverso un manovellismo. I bricchetti prodotti in questo caso hanno
mediamente un diametro di 60 mm. Infine si ha anche la bricchettatura oleodinamica: essa
prevede un sistema a due pistoni che comprimono il materiale in direzioni ortogonali e che
vengono azionati dall’olio mantenuto in pressione all’interno di un circuito chiuso. Quest’ultimo
sistema è quello in realtà maggiormente utilizzato in quanto consente sia di trattare biomasse con
elevati livelli di umidità, che di realizzare un migliore controllo sulla pressione di bricchettatura. In
commercio esistono diverse soluzioni tecnologiche a circuito oleodinamico che vanno da una
produzione di 30–50 kg/h a circa 1.000–1.200 kg/h. I bricchetti realizzati presentano un diametro
variabile da 50 a 90 mm e lunghezze da 50 a 300 mm.
Tabella 3.5.1 - Principali tipologie di biomasse bricchettabili
Biomassa
Segatura
Paglia
Cippato
Pula di riso
Gusci di noco
Cotone
Gusci di caffè
Granulometria
Umidità
Ceneri
Idoneità
fine
irregolare
irregolare
fine
grossolana
irregolare
regolare
< 10
10 – 15
10 – 20
10
< 10
10 – 20
10
1,3
1,5
22,4
6,0
4,6
4,3
ottima
ottima
buona
buona
ottima
buona
ottima
Fonte: AREA Science Park
Eseguita come detto la bricchettatura si hanno quindi: la fase di taglio, solo per i sistemi a vite
dove il materiale esce in continuo (in quelli a pistone vengono invece prodotti blocchetti di
lunghezza predefinita), la fase di raffreddamento, anche in questo caso solo dopo la bricchettatura
a vite in cui si realizza un riscaldamento (nel caso di bricchettatrice a pistone il bricchetto subisce
infatti solo un lieve aumento della temperatura), e infine il confezionamento e lo stoccaggio finale
dei bricchetti. Nella tabella 3.5.1 vengono presentate alcune caratteristiche di biomasse
bricchettabili e il grado di idoneità alla bricchettatura.
I bricchetti possono essere utilizzati in sostituzione della legna da ardere e del carbone adeguando
opportunamente alcuni parametri operativi del generatore termico, come ad esempio la
distribuzione dell’aria primaria e secondaria. Rispetto a questi due combustibili, infatti, i bricchetti
richiedono una maggior quantità di aria secondaria e una minore quantità di aria primaria. I
bricchetti sono poi considerati in generale un combustibile “migliore” rispetto alla comune legna
non compattata, ciò è dovuto al fatto che essi presentano una maggiore capacità termica, ossia
trattengono il calore per un maggior periodo di tempo, e questo gli consente di mantenere,
all’interno della caldaia, una temperatura particolarmente elevata che facilita e velocizza l’intero
processo di combustione. Le applicazioni più frequenti di questo tipo di combustibile sono sia di
carattere domestico che industriale.
66
3.6 ESTRAZIONE DELLE MATRICI OLEOSE
La fonte principale di oli e grassi naturali è rappresentata dal mondo vegetale, dove la produzione
di olio - commestibile e non commestibile - è ottenuta da oltre 350 specie. Ai fini della produzione
di biocombustibili, di maggior peso a livello mondiale sono, tra le arboree, la palma da olio (Elaies
guineensis) e, tra le erbacee, soia (Glicine max), colza (Brassica napus) e girasole (Eliantus annuus).
A fianco di queste coltivazioni principali, le cui estensioni si valutano ormai in milioni di ettari, ci
sono anche altre colture, per ora di relativa minore importanza, quali, ad esempio, la jatropha
(Jatropha curcas) o la brassica carinata (Brassica carinata), che generalmente si adattano ad ambiti
agronomici più difficili, quali possono essere le aree agricole marginali, oppure tecniche
agronomiche a “ridotto input”. In genere, l’olio è contenuto nei semi o nei frutti ed è presente,
nelle specie di maggiore interesse, in percentuale variabile tra il 17 e il 50%.
La biomassa di partenza utilizzata per ottenere biocombustibili (oli naturali o biodiesel) può essere
prodotta attraverso coltivazioni erbacee o arboree dedicate (come avviene ad esempio nelle filiere
agroenergetiche “olio-energia”) o può essere generata, sotto forma di residuo, da altri processi
produttivi e, in particolare, dal settore agroindustriale. Secondo il C.R.P.A. l’agroindustria produce
ogni anno circa 12 milioni di tonnellate di biomassa di scarto. In molti casi i residui sono costituiti
anche da matrici oleose (fra queste semi, frutti) che potrebbero essere separate e sottoposte a dei
trattamenti di estrazione per il recupero delle sostanze grasse. Da queste, infatti, dopo
un’opportuna raffinazione, è generalmente possibile ottenere un certo valore aggiunto dall’utilizzo
nel mercato alimentare (es: olio di vinaccioli), nel settore farmaceutico/cosmetico o anche in
ambito energetico (produzione diretta di energia elettrica e/o calore in sistemi di combustione o
produzione di biocombustibili, quali ad esempio il biodiesel).
Le sostanze grasse sono presenti nelle cellule - sia vegetali che animali - e sono sempre
accompagnate da una matrice proteica che le supporta. Mediante opportuni processi di estrazione
si ottiene la separazione di queste componenti, tra loro non miscibili, con il maggior grado di
purezza possibile, evitando l’insorgere di reazioni collaterali che potrebbero influire
negativamente sulla qualità del prodotto finale.
Le tecnologie di estrazione degli oli hanno livelli di complessità che dipendono dalla materia prima
e, in termini generali, si distinguono tecniche di estrazione meccaniche (attraverso
l’applicazione di una pressione) e/o tecniche di estrazione chimica (mediante l’utilizzo di un
solvente, di solito l’esano). Nella pratica industriale i due sistemi sono quasi sempre combinati ma
nelle realtà aziendali di piccole dimensioni (aziende agricole, piccole cooperative o piccoli consorzi
di produttori) spesso si ricorre alla sola estrazione meccanica, per motivi di economicità e di
minore complessità del processo e degli impianti.
Spesso, soprattutto nel caso di estrazione chimica, la biomassa, prima di subire il processo di
estrazione vero e proprio, viene sottoposta a dei trattamenti preparatori che hanno lo scopo di
migliorare la qualità e l’efficienza del processo.
L’olio estratto viene a sua volta sottoposto a dei trattamenti – depurazione, ed eventualmente
raffinazione – diversi in funzione del tipo di estrazione effettuata e del destino a cui l’olio andrà
incontro (uso alimentare, utilizzo energetico) (figura 3.6.1).
67
Figura 3.6.1 - Schema del processo di estrazione/raffinazione dell’olio
Fonte: ASSAM 2010
ESTRAZIONE MECCANICA
L’estrazione meccanica degli oli vegetali può essere effettuata con due modalità: utilizzando
presse discontinue o presse continue. Le prime hanno scarso utilizzo per la bassa capacità
operativa e, in genere, vengono utilizzate per l’estrazione di oli pregiati.
Le presse continue sono più comuni (figura 3.6.2) e sono generalmente costituite da una gabbia
sagomata al cui interno è inserita una vite senza fine. Tra vite e gabbia lo spazio diminuisce in
modo da comprimere la materia prima contro le pareti della gabbia stessa facendo fuoriuscire
l’olio. Per regolare il grado di spremitura a cui il seme è sottoposto, nella parte terminale della vite
è applicato un cono d’acciaio che, può scorrere lungo l’asse della pressa e variare lo spessore
dell’intercapedine tra gabbia e cono.
68
Figura 3.6.2 -Schema della vite senza fine di una pressa continua con indicazione delle zone di compressione
I fattori che influenzano la spremitura sono: l’effetto drenaggio (relativo alla presenza di parti
solide rigide nel materiale sottoposto ad estrazione); il grado di dispersione dei costituenti
colloidali (dovuto ai trattamenti di preparazione del seme); il contenuto in acqua (legato
all’umidità del seme); la granulometria e la forma della particelle; la durata e i cicli di
compressione.
Figura 3.6.3 - Schema di un impianto per l’estrazione meccanica dell’olio
Fonte: ASSAM 2010
Al termine della spremitura si ottengono due prodotti: l’olio e il panello. Il primo viene sottoposto
a processi di decantazione e filtrazione allo scopo di allontanare le particelle in sospensione. I
69
panelli di semi possono essere inviati all’estrazione con solvente, oppure utilizzati tal quale. La
percentuale di olio che residua nel panello, a parità di capacità di lavoro, è inversamente
proporzionale al tempo di estrazione per unità di seme processata e quindi all’assorbimento
energetico della pressa. Normalmente il contenuto di sostanze grasse è dell’8 – 15 % (figura 3.6.4).
Figura 3.6.4 - Schema del bilancio di massa dell’estrazione meccanica dell’olio di girasole (valori medi in base ad un
contenuto di olio nei semi del 42%)
Fonte: ASSAM 2010
ESTRAZIONE CHIMICA
L’estrazione chimica può essere condotta con metodi diversi: per percolazione (si ottiene facendo
cadere il solvente sulla massa per gravità - figura 3.6.5); per immersione (si immerge la massa da
disoleare nel solvente – figura 3.6.6).
La frazione di olio fuoriuscita dalle cellule oleifere rotte durante i precedenti processi di
macinazione e laminazione è estraibile mediante diluizione diretta con il solvente. La rimanente
parte, più legata alla matrice vegetale, richiede un’estrazione per diffusione perché rimasta nelle
cellule integre. In una prima fase, quindi, la quantità di olio estratta è direttamente proporzionale
al tempo di processo mentre, successivamente, si ha un rallentamento progressivo, con
andamento di tipo asintotico. La maggior parte di olio, comunque, viene estratto nei primi 30
minuti. Per esempio, nel girasole, con questo tempo di estrazione il residuo grasso si riduce a circa
il 2,5 %. Per ridurre il residuo a meno dell’1%, invece, occorre superare l’ora di tempo.
70
Figura 3.6.5 - Estrattori a percolazione: 1) verticale, più antico e adatto per piccole potenzialità; 2) orizzontale “Lurgi”,
il suo utilizzo è piuttosto diffuso
Fonte: ASSAM 2010
Figura 3.6.6 - Estrattori ad immersione: 1) “Bernardini”; 2) “Anderson
Fonte: ASSAM 2010
L’olio estratto con questa tecnica è disciolto nel solvente stesso e deve necessariamente essere
sottoposto ad operazioni di separazione e di raffinazione prima di essere destinato ad un utilizzo
energetico.
71
4- PARTE SPERIMENTALE: INTRODUZIONE, PIANO DI
LAVORO, MATERIALI E METODI.
4.1 INTRODUZIONE
L’attività sperimentale oggetto di questo lavoro di dottorato ha come obiettivo principale quello di
verificare l’effetto di alcuni trattamenti fisici (meccanici e termo-chimici) sulle proprietà di
biomasse residuali, prodotte da alcuni comparti del settore agricolo ed agroindustriale italiano,
per rendere possibile una loro valorizzazione in ambito energetico.
Le biomasse solide, infatti, in particolare quelle residuate dall’industria agroalimentare,
presentano un’elevata variabilità in termini di proprietà fisiche e chimiche. L’alto tasso di umidità,
l’eterogeneità della frazione inorganica e la variabilità della componente organica sono tra i
principali aspetti che possono rendere complesso l’uso energetico di queste matrici, soprattutto in
sistemi basati sul processo di combustione. Per questi motivi si sono studiate e sviluppate alcune
tecniche di trattamento dei materiali al fine di ottenere prodotti combustibili più omogenei e
standardizzabili.
A tale scopo, sulla base anche dei risultati dell’indagine territoriale riportata nel capitolo 2.4, sono
state individuate alcune filiere ritenute importanti e rappresentative a livello nazionale e sono stati
prelevati alcuni campioni dei principali residui produttivi.
I diversi materiali reperiti sono stati sottoposti ad analisi preliminari di caratterizzazione (umidità)
e sono stati quindi stabilizzati e opportunamente preparati per essere sottoposti ad una
caratterizzazione chimico-fisica più approfondita.
Sulla base delle caratteristiche stesse di ciascuna biomasse sono stati definiti dei piani sperimentali
per verificare gli effetti di alcuni trattamenti termo-chimici e meccanici.
Complessivamente i trattamenti testati sono quattro:
1) Trattamento di estrazione meccanica dell’olio: sono state sottoposte a questo
trattamento quelle componenti dei residui costituite da matrici oleose (es: vinaccioli, semi
di pomodoro). Sulla base del contenuto in olio totale precedentemente analizzato sono
state determinate le rese di estrazione per ciascun campione testato. L’olio ed il panello di
estrazione prodotti con il trattamento meccanica sono stati quindi sottoposti ad indagine
analitica.
2) Trattamento di torrefazione: le biomasse residuali tal quali, e alcune loro componenti
lignocellulosiche opportunamente separate (es: buccette di pomodoro), sono state
utilizzate per verificare gli effetti del trattamento di torrefazione sulla loro concentrazione
energetica, sulla composizione organica e sul comportamento igroscopico. La definizione
dei rispettivi piani sperimentali si è basata sui risultati dell’analisi termogravimetrica
precedentemente condotta su ciascun campione.
72
3) Trattamenti di rimozione della componente inorganica (ceneri) : per verificare la
possibilità di ridurre l’elevato contenuto di ceneri, che generalmente contraddistingue le
biomasse di scarto, sono stati condotti dei test, sia fisico-meccanici che fisico-chimici, allo
scopo di rimuovere, seppur parzialmente, la componente inorganica dalle biomasse. Un
primo trattamento meccanico, attraverso un semplice soffiaggio di aria compressa, è
servito ad eliminare le impurità e gli inerti presenti sulla superfici delle particelle dei diversi
campioni. Successivamente le matrici sono state sottoposte a trattamento di lavaggio con
acqua – “water leaching” – per la rimozione mediante solubilizzazione di quegli elementi
chimici, spesso indesiderati nella prospettiva di un utilizzo energetico, presenti all’interno
della struttura stessa dei materiali.
4) Trattamento di pellettizzazione: sono stati sottoposti a questo trattamento sia residui
tal quali che i rispettivi prodotti torrefatti con l’obiettivo di verificare la possibilità di
ottenere pellet anche da materiali di scarto di composizione non prettamente
lignocellulosica. Dei pellet ottenuti sono state analizzate le caratteristiche di resistenza
meccanica.
Nello schema proposto in figura 4.1.1 si riassumono i possibili percorsi sperimentali seguiti dalle
biomasse oggetto di questa ricerca. Esse, infatti, per ragioni diverse (legate in parte alle differenti
caratteristiche intrinseche delle biomasse stesse e in parte al diverso interesse suscitato), sono
state sottoposte a sperimentazioni differenti e, di conseguenza, anche a diverse analisi di
caratterizzazione, con l’obiettivo di ottenere i risultati desiderati.
73
Figura 4.1.1 - Schema di trattamento generale delle biomasse
74
4.2 REPERIMENTO DEI MATERIALI
Tutte le biomasse oggetto dell’attività di ricerca sono rappresentate da scarti e residui del settore
agricolo ed agro-industriale. Per il reperimento dei materiali si è attinto dal bacino del
Mediterraneo. Più nello specifico, le biomasse selezionate sono state individuate sia in funzione
della disponibilità contingente che sulla base della rappresentatività di certe categorie di
residui/sottoprodotti:
SCARTI DI FILIERE AGROALIMENTARI TRADIZIONALI: per rappresentare questa categoria di residui
sono state scelte le vinacce – sono stati prelevati campioni di vinaccia vergine 8 e vinaccia
fermentata9 presso cantine di dimensioni medio-piccole situate nella Regione Marche – e le sanse
– per la precisione è stata reperita sansa esausta, già utilizzata come biocombustibile e valorizzata
energeticamente, presso un grande impianto di cogenerazione situato nella provincia di
Campobasso.
Figura 4.2.1 - Immagini di vinaccia (a) e sansa (b)
a)
b)
SCARTI DELLA GRANDE INDUSTRIA AGROALIMENTARE: sono stati campionati residui della
trasformazione industriale del pomodoro presso tre grandi aziende italiane situate
rispettivamente in provincia di Ferrara, Cuneo e Salerno.
8
Le “vinacce vergini” si originano dalla vinificazione in bianco, sono costituite da bucce, vinaccioli e generalmente
raspi e non hanno subito la fermentazione.
9
Le “vinacce fermentate” derivano dalla vinificazione in rosso, sono composte prevalentemente da bucce e vinaccioli
e hanno subito la fermentazione (generalmente finalizzata alla colorazione del vino rosso per la cessione degli
antociani contenuti nelle bucce)
75
Figura 4.2.2 - Immagini della biomassa di scarto del processo di trasformazione del pomodoro
SCARTI DI FILIERA AGRO-ENERGETICA (fase di campo): è stato possibile reperire stocchi di girasole
e paglia di colza da bacini produttivi regionali.
Figura 4.2.3 - Immagini di stocchi di girasole (a) e paglia di colza (b)
a)
b)
SCARTI DI FILIERA AGRO-ENERGETICA (fase di trasformazione): campionati panelli di estrazione
dell’olio di girasole prodotti nel laboratorio pesante dell’Area di Ingegneria Agraria del
Dipartimento di Scienze Agrarie, Alimentari ed Ambientali (D3A) dell’Università Politecnica delle
Marche. Il seme sottoposto all’estrazione meccanica è stato reperito nella provincia di Ancona.
Figura 4.2.4 - Immagini dell'estrazione meccanica di olio di semi di girasole (a) e dei panelli di spremitura (b)
a)
b)
76
Per poter trarre considerazioni oggettive a proposito dell’attitudine di tali biomasse all’utilizzo
energetico, e per verificare gli eventuali benefici ottenibili mediante specifici trattamenti, è stato
sempre fatto un confronto con biomasse legnose di riferimento: legno di faggio (essenza pura),
rappresentativo della classe delle latifoglie, reperito presso una falegnameria e di provenienza
italiana, e cippato di abete, rappresentativo delle conifere, reperito presso il Department of
Chemical and Biochemical Engineering of Technical University of Denmark (DTU) e di provenienza
Nord Europea.
Figura 4.2.5 - Immagini di legna di faggio (a) e cippato di abete (b)
a)
b)
L’attività sperimentale è stata condotta prevalentemente presso il Laboratorio Biomasse
(www.laboratoriobiomasse.it) del D3A dell’Università Politecnica delle Marche e in parte presso i
laboratori e le officine del Biomass Gasification Group (BGG) nel Department of Chemical and
Biochemical Engineering of Technical University of Denmark (DTU) (www.kt.dtu.dk), durante
l’esperienza all’estero.
La preparazione dei campioni è stata particolarmente accurata ed adattata di volta in volta alle
caratteristiche stesse dei materiali oggetto di studio e alle specifiche esigenze di analisi e/o
trattamento.
L’elevata eterogeneità che caratterizza le biomasse residuali, legata sia a caratteristiche
intrinseche delle matrici che alle differenze nei processi di produzione/trasformazione, ha inoltre
determinato:
- la necessità di adattare la metodologia di indagine alle caratteristiche delle biomasse e
delle rispettive filiere da cui si originano;
-
la necessità di adeguare, di volta in volta, il programma sperimentale;
-
l’adozione di un diverso grado di approfondimento nell’affrontare lo studio delle differenti
biomasse/filiere considerate, in funzione e dell’importanza ricoperta a livello nazionale (in
termini di disponibilità e attitudine alla valorizzazione in ambito energetico) e dell’interesse
suscitato a livello della filiera produttiva stessa.
Si riportano di seguito degli schemi che riassumono i trattamenti effettuati e le analisi condotte
per ciascun materiale oggetto di questo studio.
I campioni di vinaccia (figura 4.2.6) hanno subito una caratterizzazione completa e sono anche
stati sottoposti a tutti i trattamenti studiati in questo lavoro di ricerca. Le vinacce, infatti, oltre a
77
rappresentare una classe di residui produttivi molto diffusi e rappresentativi a livello nazionale,
sono molto interessanti anche per via della loro composizione estremamente eterogenea. Sono
infatti costituite sia da matrici tendenzialmente lignocellulosiche, come raspi e bucce, che da
componenti oleose, come i vinaccioli. Di conseguenza si è ritenuto utile verificare la possibilità di
estrarre meccanicamente l’olio che, tra l’altro, potrebbe determinare un certo valore aggiunto
legato sia ad un possibile destino nel mercato alimentare (Bail 2008) che alla possibilità di una
maggiore valorizzazione energetica attraverso la produzione di biocombustibili liquidi (Fernàndez
2010).
La vinaccia esausta viene già utilizzata, soprattutto nelle grandi centrali termiche, come biomassa
per la produzione di energia. Le vinacce vergini e fermentate, fino a poco tempo fa, dovevano
essere invece destinate alla distillazione obbligatoria in distilleria. Attualmente, con la recente
approvazione del Decreto Ministeriale n.7407, del 4 agosto 2010 che modifica la normativa
sull’utilizzo dei sottoprodotti della vinificazione, viene contemplata la possibilità di un utilizzo
alternativo dei prodotti di scarto della vinificazione. Uno dei destini consentiti, oltre a quello
agronomico e farmaceutico/cosmetico, è proprio quello energetico. Il decreto assume notevole
valenza in quanto consente, per la prima volta, l’utilizzo dei sottoprodotti della vinificazione,
aprendo nuove ed interessanti opportunità economiche, ambientali ed agronomiche.
Quello che si intende approfondire in questo lavoro è:
- la possibilità di estrarre meccanicamente olio di vinaccioli;
- la possibilità di migliorare le proprietà energetico-meccaniche delle vinacce mediante
trattamento di torrefazione;
- la possibilità di ridurre il contenuto di ceneri mediante trattamenti meccanici e fisicochimici;
- la possibilità di ottenere pellet da vinacce tal quali e torrefatte.
78
Figura 4.2.6 - Schema di analisi e trattamenti condotti su “vinacce” tal quali e alcune sue componenti
Anche la sansa è un residuo interessante alle finalità di questo lavoro. È infatti prodotto ogni anno
in quantità elevate e una sua valorizzazione energetica è possibile (Unal 2007, Celma 2007).
Quello che si intende verificare è:
- la possibilità di ottenere vantaggi con la torrefazione;
- l’effetto dei trattamenti di rimozione delle ceneri sul contenuto di certi elementi inorganici
indesiderati.
79
Figura 4.2.7 - Schema di analisi e trattamenti condotti su "sansa esausta"
Il residuo della trasformazione industriale del pomodoro, come la vinaccia, è composto da matrici
con caratteristiche diverse (Mangut 2006, Giannelos 2005, Kaur 2005, Strazzullo 2003). Vi è la
presenza di semi – che rappresenta circa il 44 % della massa secca del residuo (Kaur 2005, Sogi
1998) e ha un discreto contenuto in olio che potrebbe essere estratto (Giannelos 2005, Sogi 2003)
– e di bucce e frammenti di polpa residua – che rappresentano complessivamente il restante 56 %
(Kaur 2005, Sogi 1998) – che attualmente hanno un certo interesse legato alla possibilità di
estrarre molecole ad alto valore aggiunto come fenoli, carotenoidi, licopene e acido ascorbico
(Toor 2005, George 2004, Knoblich 2005, Reboul 2005, Benakmoum 2008, Tommonaro 2007).
In questo lavoro il residuo di pomodoro e le sue componenti sono stati sottoposti a trattamenti ed
analisi diversi, riassunti nello schema riportato in figura 4.2.8, per verificare nello specifico:
- la quantità di olio contenuto nei semi e la possibilità di estrarlo meccanicamente;
- la possibilità di migliorare le proprietà energetico-meccaniche del residuo originale e delle
sole bucce mediante trattamento di torrefazione;
- la possibilità di ottenere pellet dal residuo tal quale e torrefatto a diverse condizioni.
80
Figura 4.2.8 - Schema di analisi e trattamenti condotti su "residuo della trasformazione industriale del pomodoro" tal
quale e sue componenti
Le paglie in generale sono uno dei residui colturali più noti e più diffusi (Atwell 2001). Numerosi
sono gli usi che se ne fanno e tra i tanti anche l’utilizzo energetico diretto come combustibile (Sun
2010) o la sintesi di biocombustibili di seconda generazioni (Panagiotopoulos 2013). Quello che si
intende fare in questo lavoro è verificare la possibilità di migliorarne le caratteristiche di
combustione sia attraverso il trattamento di torrefazione, finalizzato soprattutto ad
incrementarne la concentrazione energetica, che il trattamento di rimozione delle ceneri,
generalmente presenti in alte quantità nelle paglie (Toscano 2008) e responsabili di fenomeni
indesiderati a livello dei sistemi di trasformazione energetica (Sippula 2008, Pedersen 2010).
A tale scopo sono state prelevate paglie derivanti da filiere agroenergetiche, nello specifico stocchi
di girasole e paglia di colza, che sono state trattate seguendo rispettivamente gli schemi in figura
4.2.9 e 4.2.10.
81
Figura 4.2.9 - Schema di analisi e trattamenti condotti su "stocchi di girasole"
Figura 4.2.10 - Schema di analisi e trattamenti condotti su "paglia di colza"
82
Tra le filiere agroenergetiche principali la filiera olio-energia è ritenuta una delle più interessanti e
compatibili con le caratteristiche territoriali della Regione Marche, in particolare quella incentrata
sulla produzione di olio da seme di girasole (Bordoni 2010). Nel contesto regionale, caratterizzato
spesso da realtà produttive agricole di estensione limitata, la fase di trasformazione prevista dalla
filiera potrebbe servire a conferire allo stesso settore agricolo un maggior valore aggiunto, legato
o alla produzione di olio direttamente in azienda (o in piccoli consorzi) mediante sistemi
semplificati (estrazione meccanica) o addirittura alla trasformazione energetica diretta dell’olio in
energia elettrica e calore. Per la sostenibilità economica di queste filiere corte è di fondamentale
importanza la collocazione dei residui produttivi, sia di campo (stocchi, vedi sopra) che della fase
di trasformazione (panello di estrazione). Il panello di girasole è già utilizzato in campo zootecnico
come alimento proteico per gli animali (Singh 1979, Nagalakshmi 2011). In questo lavoro si sono
volute valutare le caratteristiche fisico-chimiche di questo residuo nell’ottica di un utilizzo
energetico. Considerata la composizione eterogenea del materiale, si è inoltre stabilito di
sottoporlo a dei trattamenti di torrefazione e di rimozione delle ceneri (figura 4.2.11)
Figura 4.2.11 - Schema di analisi e trattamenti condotti su "panello di girasole"
83
4.3 TRATTAMENTI (PIANI SPERIMENTALI ADOTTATI E TEST CONDOTTI)
PREMESSA
In questo capitolo vengono descritte le metodologie relative a ciascuna delle tecniche di
trattamento testate in questo studio. Obiettivo principale dei trattamenti è, come già detto, quello
di migliorare le proprietà delle biomasse residuali e renderne possibile una valorizzazione in
ambito prevalentemente energetico.
Prima di descrivere i trattamenti si riporta, sinteticamente, l’elenco degli strumenti utilizzati.
“ESTRAZIONE MECCANICA” DI MATRICI OLEOSE
I test sono stati condotti presso il Laboratorio Pesante del D3A utilizzando una pressa continua
della ditta Bracco s.r.l. (2,27 kW). Le prove sono state effettuate variando i parametri di
temperatura di esercizio (95 ÷ 175° C) e modificando il diametro degli anelli spingi pasta, o
bussole, (14, 15 e 16 mm) con l’obiettivo di verificare le rese di spremitura ottenibili. Dal processo
si è ottenuto olio grezzo e panello di estrazione. Entrambe le matrici sono state sottoposte ad
indagine analitica per identificare la migliore via di valorizzazione possibile. All’olio, oltre all’analisi
del potere calorifico superiore (PCS), è stata fatta anche un’analisi della composizione in acidi
grassi. Si è voluto infatti verificare se il profilo acidico lo rende interessante anche da un punto di
vista alimentare oltre che energetico.
Le prove sono state condotte su campioni di 5 kg.
I materiali sottoposti al test sono:
- vinaccioli separati da residui di vinificazione (vinacce) di tre differenti varietà
(Montepulciano, Lacrima, Verdicchio) reperiti presso cantine della Regione Marche e
vinaccioli prelevati in una distilleria del Centro Italia (mix di varietà ignote);
- mix di semi di pomodoro separati da residui produttivi reperiti presso note industrie
agroalimentari Italiane.
TRATTAMENTO DI “TORREFAZIONE”
Preparazione dei campioni
• Trattamento condotto in Italia
I test sono stati condotti presso il Laboratorio Biomasse, nel D3A dell’Università Politecnica delle
Marche, utilizzando un dispositivo (reattore 4575 HT/HP, Parr) capace di processare quantità
relativamente piccole di campione (comprese tra 5 e 20 g). Essendo le biomasse oggetto di questo
studio piuttosto eterogenee, si è rivelato di fondamentale importanza preparare adeguatamente i
campioni da sottoporre ai test di torrefazione. Nello specifico, i materiali sono stati stabilizzati in
stufa a 45°C per un tempo compreso tra 24 e 48 ore e poi macinati mediante mulino a coltelli
dotato di griglia da 2-4 mm. Successivamente si è intervenuti con un’ulteriore macinazione con
mulino da laboratorio (mod. A11 Basic, IKA). Il campione è stato quindi setacciato per mezzo di
vagli (Test Sieve 200 mm x 25 mm, Retsch) con diametro delle maglie rispettivamente di 1,0 mm e
84
250 μm. Per i test di torrefazione al reattore è stata selezionata la frazione di dimensione
compresa tra i 250 μm ed 1,0 mm.
I materiali utilizzati nella sperimentazione condotta in Italia sono:
- legno di faggio (materiale di riferimento);
- bucce di pomodoro;
- sansa esausta (disoleata);
- vinaccia vergine di verdicchio (bucce, vinaccioli e raspi);
- paglia di colza;
- stocco di girasole;
- panello di girasole.
• Trattamento condotto in Danimarca
Per i test condotti durante l’esperienza all’estero presso l’officina del CHEC Research Centre del
DTU si è utilizzato un sistema in grado di processare quantitativi di biomassa superiori di un ordine
di grandezza (circa 200-300 g) rispetto al reattore Parr di cui sopra. Di conseguenza non si è
ritenuto necessario intervenire con la macinazione dei materiali. La preparazione dei campioni ha
previsto, in questo caso, la sola fase di stabilizzazione, condotta a 105°C per 24 ore.
I materiali utilizzati nella sperimentazione condotta in Danimarca sono:
- cippato di abete (materiale di riferimento), reperito presso il DTU;
- residuo industriale del pomodoro (bucce + semi) prelevato in Italia;
- residuo del processo di vinificazione in rosso (vinaccia fermentata di differenti varietà di
uva a bacca rossa, costituita essenzialmente da bucce, vinaccioli e pochi frammenti di
raspi) prelevato in Italia.
Piano sperimentale
• Trattamento condotto in Italia
Per ogni test sono stati impiegati circa 10 g di materiale opportunamente preparato. All’inizio di
ogni test è stato mantenuto un flusso costante di azoto per qualche minuto per eliminare l’aria
residua nello spazio di testa della camera di reazione. In seguito il reattore è stato riscaldato
rispettando le temperature ed i tempi stabiliti nel piano sperimentale di ciascun materiale (vedere
tabella 4.3.1, nella quale si riportano le condizione operative identificate sulla base
dell’elaborazione delle DTG dei materiali). Alla fine di ogni prova, il reattore è stato raffreddato ed
il campione torrefatto è stato prima pesato, per il calcolo della resa, e successivamente
caratterizzato.
85
Tabella 4.3.1 - Condizioni operative di torrefazione adottate per i diversi materiali trattati in Italia. Per ogni test sono
state fatte 2 ripetizioni
Bucce di
Vinaccia
Stocchi di
Panello di
Faggio
Sansa esausa
Paglia di colza
pomodoro
vergine
girasole
girasole
Temp.
(°C)
240
275
Time
(min)
0
30
60
0
30
60
Temp.
(°C)
214
248
282
316
Time
(min)
Temp.
(°C)
30
60
30
60
30
60
30
60
200
230
260
Time
(min)
30
60
30
60
30
60
Temp.
(°C)
Time
(min)
30
60
30
60
30
60
180
220
260
Temp.
(°C)
210
230
250
Time
(min)
Temp.
(°C)
30
60
30
60
30
60
195
215
235
Time
(min)
30
60
30
60
30
60
Temp.
(°C)
200
230
260
Time
(min)
30
60
30
60
30
60
NB: I criteri di scelta delle condizioni operative verranno approfonditi nel capitolo dei risultati dell’analisi termogravimetrica.
• Trattamento condotto in Danimarca
Ciascun materiale, dopo essere stato stabilizzato, è stato pesato all’interno di un vessel di
alluminio e poi alloggiato in un cassetto di acciaio a chiusura ermetica, costruito presso l’officina
del DTU. Tale contenitore funge, di fatto, da camera di reazione. Il coperchio è dotato di ingresso
ed uscita dei gas che vengono fatti flussare al fine di mantenere un’atmosfera inerte all’interno. A
tale scopo si è utilizzato azoto. Per condurre i test di torrefazione, la scatola di reazione è stata
posta all’interno di una muffola programmabile (mod. S 90, Lyngbyovnen). Ogni materiale è stato
sottoposto a tre prove adottando, per ognuna, le medesime condizioni di temperatura e tempo di
residenza (vedi tabella 4.3.2). Le diverse condizioni di torrefazione sono state impostate mediante
un adeguato settaggio dei parametri del controller collegato alla muffola. Per mezzo di
termocoppie opportunamente posizionate, è stato possibile monitorare, e registrare, l’andamento
di tre differenti temperature: la temperatura all’interno della muffola, la temperatura all’interno
della camera di reazione e la temperatura all’interno del campione stesso. Ciò ha consentito poi di
confrontare la differente inerzia termica delle biomasse oggetto della sperimentazione.
Al termine di ciascuna prova si è atteso il raffreddamento del reattore, dopo di che si è proceduto
alla pesata del campione torrefatto per il calcolo delle rese del processo. Successivamente i
torrefatti sono stati sottoposti ad indagine analitica e quindi destinati agli ulteriori test
programmati nel piano sperimentale.
Tabella 4.3.2 - Condizioni operative di torrefazione adottate per ciascun materiali nei test condotti in Danimarca. Per
ogni test è stata fatta una ripetizione
Residuo
Vinaccia
Cippato di abete
pomodoro
fermentata
Temp.
Time
Temp.
Time
Temp.
Time
(°C)
(min)
(°C)
(min)
(°C)
(min)
220
60
220
60
220
60
260
60
260
60
260
60
300
60
300
60
300
60
86
Analisi dei dati
Per studiare il comportamento dei diversi materiali in torrefazione sono stati determinati i
seguenti indici di processo:
- Resa in massa (Rm): indice percentuale che si ottiene dal rapporto della massa di materiale
torrefatto (mtor) sulla massa di biomassa iniziale (mbiom); rappresenta la quantità di sostanza persa
a seguito della degradazione termica e successiva volatilizzazione della sostanza organica.
- Indice di concentrazione energetica (Ice): si ottiene dal rapporto tra potere calorifico inferiore del
torrefatto (PCItor) e potere calorifico inferiore della biomassa di partenza (PCIbiom); questo indice
esprime la “densificazione energetica” del materiale sottoposto al processo di torrefazione.
- Resa energetica (Re): esprime il prodotto della resa in massa per l’indice di concentrazione
energetica e viene espresso in percentuale. Questo indice fornisce informazioni sulla quantità di
energia persa dal materiale a seguito della torrefazione.
Tutti i valori ed i risultati relativi allo studio del processo di torrefazione sono espressi su base
secca e al netto del contenuto in ceneri (dry-ash free, “daf”).
TRATTAMENTO DI “RIMOZIONE DELLE CENERI” DELLE BIOMASSE SOLIDE
I test di rimozione delle ceneri attraverso il metodo della lisciviazione sono stati condotti presso il
Laboratorio Biomasse dell’Università Politecnica delle Marche. L’attività sperimentale è consistita
in una successione di fasi diverse: in un primo momento si è provveduto ad un’adeguata
preparazione dei campioni di analisi; è poi seguita una fase mirata a verificare l’eventuale presenza
di contaminanti inorganici e ceneri sulla superficie delle particelle che compongono il campione
attraverso un semplice trattamento di rimozione meccanica con aria compressa; i campioni puliti
dei contaminanti superficiali sono stati quindi sottoposti a dei lavaggi in acqua distillata per la
rimozione delle ceneri effettivamente contenute all’interno delle matrici organiche.
Non tutti i materiali sottoposti al trattamento di torrefazione sono stati utilizzati in questa
sperimentazione ma solo i seguenti:
- sansa esausta/disoleata;
- vinaccia vergine di verdicchio (bucce, vinaccioli e raspi);
87
- paglia di colza;
- stocco di girasole;
- panello di girasole.
La preparazione dei campioni è stata molto simile a quella adottata per i test di torrefazione
condotti in Italia. Il prodotto è stato inizialmente stabilizzato in stufa a 45°C per un tempo
compreso tra 24 e 48 ore e poi macinato mediante mulino a coltelli dotato di griglia da 2 mm
(Retsch SM 2000 – 1500 rpm). Successivamente si è intervenuti con un’ulteriore macinazione con
mulino da laboratorio (mod. IKA A11 Basic). Il campione è stato quindi setacciato con stacci
Retsch, Test Sieve, 200 mm x 25 mm (figura 4.3.1) con diametro delle maglie differenti per ciascun
tipo di materiale:
- sansa: 500 μm e 2,0 mm;
- vinaccia: 500 μm e 2,0 mm;
- paglia di colza: 500 μm e 2,0 mm;
- stocco di girasole: 500 μm e 2,8 mm;
- panello di girasole: 1,0 mm e 2,8 mm.
La frazione selezionata per i successivi test di lisciviazione è stata quella di pezzatura intermedia.
Figura 4.3.1 - Alcune fasi relative alla setacciatura del materiale e alla separazione delle diverse frazioni
Fonte: Laboratorio Biomasse.
Rimozione meccanica delle ceneri
Circa 50 g di ogni campione, dopo essere stato macinato e setacciato, è stato sottoposto ad un
flusso di aria compressa per un tempo compreso tra i 30 e i 60 secondi. A tale scopo si è rivelato
utile l’uso di un passino con maglie sottili, da 600 μm (vedere figura 4.3.2). Dopo questo
trattamento una parte del campione trattato, unitamente a del campione non trattato, è stata
destinata all’analisi del contenuto in ceneri al fine di verificare la presenza di contaminanti
superficiali.
88
Figura 4.3.2 - Rimozione meccanica delle ceneri superficiali mediante flussaggio di aria compressa
Test di lisciviazione
I campioni, dopo aver subito il trattamento meccanico di cui sopra, sono stati sottoposti ai test di
lisciviazione a due differenti temperature: 30 e 70°C.
Per ogni materiale si è proceduto nel modo seguente:
- si è posta all’interno di ciascuno di tre becker da 1000 ml, una quantità di acqua distillata
RO paria 600;
- i tre becker sono stati messi a bagnomaria alla temperatura prestabilita (1° test a 30°C e 2°
test a 70°C) e l’acqua al loro interno è stata posta in agitazione;
- durante il riscaldamento dell’acqua fino alla temperatura desiderata, si è pesata una
quantità di campione pari a 30 g;
- raggiunta la temperatura prestabilita, si è proceduto alla miscelazione della biomassa con
l’acqua (diluizione 1:20) mantenendo in agitazione il sistema;
- Si è quindi provveduto a 6 prelievi di campione (corrispondenti a circa 4-5 g di s.s.) a diversi
intervalli di tempo: 1, 2, 4, 8, 16 e 32 minuti;
- i campioni, prelevati di volta in volta, sono stati essiccati in stufa a 105°C per circa 6 ore.
Figura 4.3.3 - Fasi del test di rimozione delle ceneri mediante lisciviazione in acqua distillata (diluizione 1:20). A
sinistra: fase di lavaggio dei campioni posti a bagnomaria alla temperatura prestabilita e mantenuti in agitazione. A
destra: campioni trattati per
89
Analisi del materiale di partenza e dei prodotti trattati
Circa 1 g di ogni campione trattato (lavato ed essiccato) è stato sottoposto all’analisi dell’umidità
di correzione e del contenuto in ceneri (figura 4.3.4). È stata utilizzata a tale scopo la bilancia
termogravimetrica (mod. TGA701, LECO).
I risultati ottenuti sono stati poi elaborati al fine di poter esprimere graficamente l’andamento del
fenomeno della lisciviazione.
Infine, con l’aiuto del software TableCurve 2D v5.01, sono state individuate per ciascun materiale,
e per ogni condizione del test, le funzioni che meglio descrivono il fenomeno stesso.
Figura 4.3.4 - Campioni che hanno subito il trattamento di lisciviazione ad intervalli di tempo differenti, sono stati
essiccati e sono quindi pronti per la determinazione del contenuto in ceneri
90
TRATTAMENTO DI “PELLETTIZZAZIONE” DELLE BIOMASSE E DEI PRODOTTI TORREFATTI
I test di pellettizzazione sono stati condotti utilizzando la Single Pellet Press disponibile in uno dei
laboratori del Biomass Gasification Group presso il CHEC Research Centre del DTU. I test sono stati
eseguiti sia sui materiali originali che sui prodotti del trattamento di torrefazione. Dopo alcuni test
preliminari, effettuati allo scopo di prendere dimestichezza con lo strumento, è stata definita la
modalità di preparazione del campione e sono state scelte le condizioni operative da testare nel
programma sperimentale.
Per i test di pellettizzazione sono stati utilizzati i seguenti materiali:
- cippato di abete (materiale di riferimento reperito presso il DTU), sia prima che dopo
trattamento di torrefazione a condizioni differenti;
- residuo industriale del pomodoro (bucce + semi, prelevato in Italia), sia prima che dopo
trattamento di torrefazione a condizioni differenti;
- residuo del processo di vinificazione in rosso (vinaccia fermentata di differenti varietà di
uva a bacca rossa, costituita essenzialmente da bucce, vinaccioli e pochi frammenti di raspi
- prelevato in Italia), sia prima che dopo trattamento di torrefazione a condizioni differenti;
- scarto della prima fase (di trattamento biochimico) del processo di sintesi del bioetanolo
dalla paglia (composto da lignina quasi in purezza), sia da solo che miscelato al residuo di
pomodoro in differenti percentuali.
Ciascuna biomassa è stata sottoposta alla medesima procedura di preparazione subita dai
materiali destinati alla torrefazione. Inoltre, i campioni sono stati macinati e setacciati in modo da
ridurne la pezzatura ed eliminarne le particelle di dimensione superiore a 4 mm (ad eccezione
della lignina che aveva già una granulometria adatta). Il contenuto di umidità è stato poi
aggiustato, mediante aggiunta di acqua distillata, e mantenuto stabile al 10%.
Figura 4.3.5 - Campioni di abete opportunamente preparati e pronti per essere pellettati
91
Piano sperimentale
Per eseguire i test di pellettizzazione si è utilizzata la “Single pellet press unit”, strumento ideato e
realizzato presso l’officina del CHEC Research Centre del DTU. L’apparecchio non è altro che una
pressa idraulica manuale, sulla cui base è posto un ripiano con dei sensori in grado di rilevare la
forza di compressione. Sul ripiano è fissato un cilindro di acciaio, di 7,8 mm di diametro, avvolto da
una resistenza termostatata. Inserendo le giuste quantità di campione all’interno del cilindro, e
applicando una certa pressione per mezzo di un pistoncino, è possibile produrre un singolo pellet.
La macchina, di conseguenza, consente di impostare alcuni parametri, quali: massa (secca) del
pellet, pressione e temperatura di pellettizzazione.
Nello specifico, la quantità di campione utilizzata per ciascun test è stata di 1 g di s.s. e la
temperatura di pellettizzazione adottata è stata di 100°C.
Per simulare il reale processo di pellettizzazione, la produzione di ogni singolo pellet è avvenuta, in
realtà, in quattro fasi successive (figura 4.3.6): per ciascuna si sono utilizzati 0,25 g (in s.s.) di
campione che sono stati pressati sul fondo del cilindro applicando, per cinque secondi, la
pressione stabilita nel piano sperimentale (riassunto nella tabella 4.3.3). Per ciascun materiale
sono stati condotti test applicando due differenti livelli di pressione: 200 MPa e 400 MPa.
Terminata la produzione di ogni singolo pellet, si è proceduto, di volta in volta, alla sua rimozione
dal cilindro. Durante tale operazione è stata registrata la pressione massima applicata (Px =
pressione provocata dall’attrito del pellet con le superfici del cilindro).
Tabella 4.3.3 - Piano sperimentale adottato per i test di pellettizzazione condotti presso il CHEC Research Centre del
DTU mediante utilizzo della Single pellet press
Cippato di abete
Materiale
-
220 x 60
260 x 60
Residuo pomodoro
300 x 60
-
220 x 60
Pressione (MPa) 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200
Temperatura (°C)
Repliche
100
3
100
3
3
100
3
3
100
3
3
100
3
3
-
220 x 60
260 x 60
3
3
Repliche
100
3
100
3
3
300 x 60
100
3
3
200
100 200
100
3
3
100
3
3
3
100% Rp 75%Rp+25%Lg 25%Rp+75%Lg 100% Lig
100
3
100
300 x 60
Mix “Residuo pomodoro + Lignina”
Pressione (MPa) 100 200 100 200 100 200 100 200 100 200
Temperatura (°C)
200
100
Vinaccia fermentata
Materiale
100
260 x 60
3
100
100
3
92
2
200
100
2
2
100
2
2
200
100 200
100
100
2
2
2
Figura 4.3.6 - Schema del processo di produzione del singolo pellet mediante la “Single pellet press unit” (sinistra) e
immagine del dispositivo (destra)
93
4.4 CARATTERIZZAZIONE CHIMICO-FISICA DEI MATERIALI (MATERIE PRIME E
PRODOTTI FINITI )
PREMESSA
Le analisi di caratterizzazione sono essenziali per individuare le potenzialità ed i limiti dei materiali
che si intende destinare ad una valorizzazione in ambito energetico. Ci consentono, infatti, di
valutarne l’attitudine alla conversione energetica e di fare ipotesi sulle possibili vie da seguire per
ottenere una valorizzazione efficiente.
La caratterizzazione è altrettanto fondamentale a valutare gli effettivi benefici, in termini di
migliori proprietà energetiche e di conservabilità, che gli eventuali trattamenti sono in grado di
apportare alle biomasse stesse.
Di fatto l’approccio sperimentale prevede una fase di caratterizzazione dei materiali di partenza,
seguita da una fase di test e sperimentazione delle tecniche di trattamento oggetto di studio e da
un’ulteriore caratterizzazione dei prodotti ottenuti. Per esigenze di sintesi si riporta in un unico
capitolo la descrizione di tutte le analisi di caratterizzazione – condotte sia sulle biomasse di
partenza che sui prodotti ottenuti con i trattamenti – e l’elenco della strumentazione utilizzata.
M ETODICHE D ’ ANALISI
La caratterizzazione dei materiali è stata condotta seguendo le attuali normative del settore
(riassunte brevemente in tabella 4.4.1, dove viene riportata la tipologia di analisi, il riferimento
normativo e la strumentazione utilizzata). Per l’analisi di alcuni parametri particolari sono state
adottate procedure sviluppate ad hoc (“metodo interno”), facendo riferimento a quanto suggerito
in letteratura.
Tabella 4.4.1 - Metodologia e strumentazione utilizzata per la caratterizzazione dei materiali
Operazione/Analisi
Norma/metodologia
Strumento
Preparazione del campione
UNI EN 14780
Mulino macinatore
Contenuto di umidità
UNI EN 14774
Stufa per T = 105°C – Bilancia termogravimetrica
Contenuto in ceneri
UNI EN 14775
Muffola per T = 550°C - Bilancia termogravimetrica
C,H,N,O
UNI EN 15104
Analizzatore elementare
Potere calorifico superiore
UNI EN 14918
Calorimetro
Potere calorifico inferiore
UNI EN 14918
Calorimetro - Analizzatore elementare
Contenuto in olio
Estrattore Soxhlet
Profilo termogravimetrico
UNI EN ISO 659
UNI EN ISO 5508
UNI EN ISO 5509
Metodo interno
Energia macinazione
Metodo interno
Macinino da caffè
Distribuz. granulometrica particelle
Metodo interno
Vibrovaglio
Hardgrove grindability index (HGI)
ASTM D409-51 (1961)
Standard Hardgrove grinder
Igroscopicità
Metodo interno
Essiccatore - Igrometro - Stufa/Contenitore termo-isolato
Attrito di pellettizzazione
Metodo interno
Single pellet press - misuratore di compressione
Resistenza del pellet a compressione
Metodo interno
Misuratore di compressione
Composizione in acidi grassi
Gascromatografo
Analizzatore termogravimetrico
94
Si riportano di seguito brevi descrizioni delle procedure adottate per la caratterizzazione fisicoenergetica dei campioni:
• Analisi del contenuto di umidità
Un’aliquota di campione viene posta in una stufa a ventilazione forzata alla temperatura di 105°C
fino a completa essiccazione del materiale (peso costante). La differenza in peso del campione
prima e dopo il trattamento termico, rapportata al peso iniziale, rappresenta la percentuale di
umidità contenuta nel materiale. I risultati ottenuti vengono espressi in percentuale in peso sul
campione tal quale, con una precisione dello 0,1%. Anche per i campioni stabilizzati a 45°C viene
determinata l’umidità (umidità di correzione) in modo da poter esprimere i risultati delle analisi su
base secca.
• Analisi del contenuto in ceneri
Viene pesato circa 1 g di materiale, portato poi alla temperatura di 550°C in atmosfera ossidante
(aria), vi viene mantenuto fino al raggiungimento del peso costante. A questo punto la massa che
rimane rappresenta la frazione inorganica (le ceneri), del materiale di partenza. Come previsto
dalla vigente normativa tecnica relativa al settore delle biomasse, per ciascuna analisi sono state
condotte due ripetizioni. Il contenuto in ceneri viene espresso in percentuale in peso su base secca
con una precisione dello 0,1%. Lo strumento adottato dal Laboratorio Biomasse è un modello di
TGA automatizzato che consente di minimizzare gli errori legati alla pesata dei materiali.
• Analisi elementare: contenuto di carbonio, idrogeno, azoto ed ossigeno
Per la determinazione del contenuto in CHNO vengono pesati circa 4 mg di campione che vengono
posti all’interno di un apposito analizzatore elementare; lo strumento restituisce direttamente i
risultati (contenuto di CHN) espressi in percentuale. Il contenuto di ossigeno viene calcolato come
complemento a 100, su base secca, della somma del contenuto di CHN e ceneri del materiale. Nel
capitolo dei risultati i contenuti di C, H, N e O sono stati espressi in percentuale in peso su base
secca e al netto delle ceneri (dry-ash free, “daf”).
• Analisi del potere calorifico superiore e del potere calorifico inferiore
Per la determinazione del potere calorifico superiore (PCS), circa 1 g di biomassa viene inserito nel
calorimetro. Dall’analisi si ottiene il contenuto di energia per unità di massa, espresso in kcal/g o in
J/g, che un materiale può sprigionare se sottoposto ad una combustione completa. Poiché il
sistema di misura è chiuso, non è possibile tenere conto del calore sottratto dall’evaporazione
dell’acqua, fenomeno che avviene quando la combustione si svolge in un sistema aperto.
Sottraendo il calore di evaporazione dell’acqua di combustione (determinato matematicamente a
partire dal contenuto di H del materiale di partenza) al valore del PCS, si ottiene il potere calorifico
inferiore (PCI). Nel capitolo dei risultati i poteri calorifici sono stati espressi in MJ/kg su base secca
e al netto delle ceneri (dry-ash free, “daf”).
95
• Determinazione del contenuto in olio
Al fine di valutare la possibilità di estrarre e valorizzare l’olio eventualmente presente in certe
componenti delle biomasse residuali (ad es. nei semi presenti negli scarti industriali di pomodoro,
nei vinaccioli presenti nelle vinacce, nei panelli di estrazione meccanica dell’olio), si rivela utile
valutarne prima l’effettivo contenuto.
Nello specifico, per determinare il contenuto di olio nelle matrici si è proceduto adottando il
metodo Soxhlet e seguendo la procedura qui sotto schematizzata:
- essiccazione dei campioni a 45° C per 48 ore;
- macinazione di 25 g di campione con mulino analitico IKA A 11 Basic fino a ridurne le
particelle a dimensioni inferiori di 1 mm;
- utilizzo di sistema di estrazione Soxhlet (solvente: esano al 95% di purezza) e manto
riscaldante multiplo FALC;
- tempo di estrazione di 24 ore;
- velocità di estrazione compresa tra 4 e 6 cicli orari;
- recupero del solvente tramite distillazione con evaporatore rotante e quantificazione
dell’olio estratto;
- calcolo del contenuto d’olio del campione (in % su peso secco):
O% = PO/PC *100
dove: O% = contenuto di olio del campione in percentuale sul peso
Po = peso dell’olio estratto
Pc = peso secco del campione sottoposto ad estrazione
• Determinazione della composizione in acidi grassi
Per questa analisi si è proceduto con la preparazione del campione, rispettando la metodica UNI
EN ISO 5509:2001. Più in particolare è stato seguito il metodo che utilizza il tricloruro di boro (BF3).
Per l’analisi vera e propria si è osservato quanto stabilito dalla normativa UNI EN ISO 5508:1998 e
si è utilizzato un gascromatografo SHIMADZU GC 2010 con colonna polare Stabilwax (60,0 m x 0,25
mm x 0,25 µm), fase stazionaria rappresentata da glicole polietilenico e fase mobile da elio,
sistema di iniezione “on column”, rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID). Le condizioni di analisi
impostate sono state le seguenti: pressione in colonna pari a 213,0 kPa, flusso in colonna costante
a 1,76 ml/min, regime crescente di temperatura (60°C, 20°C/min, 180°C; 1,5°C/min, 235°C),
rivelatore a 250°C. Tempo complessivo di analisi pari a 70 min. È stato utilizzato uno standard
esterno (SupelcoTM 37 Component FAME Mix).
Per l’elaborazione dei risultati è stato sviluppato un foglio di calcolo elettronico dedicato, in grado
di semplificare le operazioni di conversione dei dati al fine di poter esprimere i risultati rispettando
quanto stabilito dalla normativa specifica.
• Analisi termogravimetrica (TGA)
L’analisi termogravimentrica è un’analisi in grado di fornire informazioni estremamente utili,
soprattutto quando si ha a che fare con materiali lignocellulosici che devono essere sottoposti a
trattamenti termochimici. Ai fini del presente studio questa tecnica è stata utilizzata per ottenere i
96
così detti profili termogravimetrici delle biomasse da sottoporre ai test di torrefazione che si sono
poi rivelati utili alla definizione dei rispettivi piani sperimentali. Se ne ritiene pertanto doverosa
una trattazione più approfondita.
La termogravimetria è una metodica di analisi nella quale si effettua la registrazione continua delle
variazioni di massa di un campione, in atmosfera controllata (ossidante, in aria UP, o inerte, in
azoto) e in funzione della temperatura o del tempo. Il risultato dell’analisi viene espresso
solitamente con un termogramma (anche detto termogravigramma) che riporta in ascissa la
temperatura o il tempo e sulle ordinate la variazione di massa come valore assoluto o percentuale;
tale grafico viene anche definito curva di decomposizione termica. Il campo applicativo della
termogravimetria è limitato ai campioni solidi e in maniera minore ai liquidi. Le variazioni di massa,
che vengono registrate in queste condizioni dipendono dalle trasformazioni del campione. Questa
tecnica fornisce anche informazioni sulla stabilità termica dei composti che costituiscono il
prodotto, permette di valutare la velocità di reazione, i processi di reazione e la composizione del
campione. Il riscaldamento provoca delle modificazioni chimiche nei polimeri, con scissione dei
legami che di solito portano alla formazione di prodotti volatili.
Per i campioni solidi si sviluppa la reazione:
Reagente
Prodotto + Gas
Di questa tecnica interessano principalmente due aspetti: il primo è l’andamento del
termogramma e il secondo sono le temperature a cui si hanno variazioni di massa. Con queste
informazioni si possono identificare i singoli componenti in condizioni specificate, anche se non è
semplice riprodurre sempre le stesse condizioni. In tutte le analisi TG si misura la massa in
funzione della temperatura. Una reazione ha inizio quando la massa passa da uno stato iniziale a
uno finale. La temperatura iniziale e finale, così come l’andamento della curva, dipendono da molti
fattori:
•
•
•
•
•
•
•
la velocità di riscaldamento;
il calore di reazione;
l’atmosfera del forno;
la quantità di campione;
la natura del contenitore del campione;
le dimensioni delle particelle;
l’impaccamento del campione.
La TGA è molto usata nella determinazione esatta delle variazioni di massa per un certo numero di
reazioni successive.
Nel presente lavoro, le analisi termogravimetriche dei campioni sono state eseguite, da un lato,
con l’obiettivo di caratterizzare i differenti materiali da un punto di vista strutturale (composizione
lignocellulosica) e, dall’altro, al fine di identificare le più consone condizioni di torrefazione da
adottare nei successivi test al reattore.
97
Figura 4.4.1 - Comportamento termogravimetrico di una classica biomassa lignocellulosica (legno di faggio). Si riporta
in nero il termogramma (TG), che esprime la massa registrata all’aumentare della temperatura, e in rosso la derivata
del termogramma (DTG), che esprime la velocità del processo di degradazione in funzione della temperatura.
Quest’ultima produce dei picchi (rivolti verso il basso), caratteristici del materiale, che ne descrivono la composizione
in termini di emicellulosa, cellulosa e lignina. Il riquadro grigio identifica l’intervallo delle temperature, compreso tra il
punto di “onset” (230°C) ed il punto di “shoulder” (290°C), generalmente adottato nei processi di torrefazione. Si può
notare come tale processo coinvolga prevalentemente la degradazione della componente emicellulosica
Lignina
Emicellulosa
Cellulosa
TG
DTG
Fonte Laboratorio Biomasse.
Una parte del campione, circa 10-25 mg, è stata sottoposta ad un incremento di temperatura di
4°C/min in atmosfera inerte (azoto, N2) fino alla temperatura di 700°C
La scelta di utilizzare un tasso di riscaldamento pari a 4°C/min, e quindi relativamente basso, è
dipesa dall’esigenza di studiare il comportamento termico dei materiali alle condizioni di
trattamento che il reattore è poi effettivamente in grado di consentire.
La perdita di peso – ΔM(%) – in funzione della temperatura è stata costantemente registrata dallo
strumento (ad intervalli di un secondo) per tutta la durata della prova.
Il termogramma (TG) prodotto dall’analisi di ciascun materiale è stato rielaborato mediante l’uso
di un software specifico (Linseis Data Evaluation) per mezzo del quale è stata ricavata la derivata
prima (DTG) che esprime la velocità del processo di degradazione/volatilizzazione – dM(%)/dT(°C)
– alle diverse temperature. Riportando graficamente l’andamento della DTG in funzione della
temperatura raggiunta in condizioni di atmosfera inerte, è possibile osservare un certo numero di
picchi, caratteristici per ciascun materiale. Questi sono infatti strettamente legati alla
composizione stessa del materiale (figura 4.4.1).
Sulla base, quindi, del comportamento termico associato a ciascuna matrice oggetto del presente
lavoro, sono state selezionate le temperature da adottare in torrefazione. La logica che ha guidato
la scelta di tali temperature è basata, essenzialmente, sul compromesso tra perdita di massa (e
inevitabilmente di energia ad essa legata) e miglioramento qualitativo in termini di
omogeneizzazione strutturale e concentrazione energetica. Inoltre, per l’individuazione delle
temperature si è fatto spesso riferimento a punti caratteristici del profilo termogravimetrico,
meglio identificabili nelle curve DTG: il punto di “onset”, che corrisponde alla temperatura in cui si
98
inizia a registrare una certa decomposizione della sostanza organica, ed il punto di “shoulder”,
associato alla temperatura in cui si registra la massima degradazione della componente
emicellulosica.
• Analisi del consumo energetico unitario della macinazione
Analisi condotta sia sulle biomasse di partenza che su quelle torrefatte al fine di verificare l’effetto
di tale trattamento in termini di risparmio energetico nelle operazioni di macinazione. A tale scopo
una quantità di campione opportunamente preparato (essiccato e con dimensione delle particelle
tra 0.6 e 10 mm), compresa fra 50 g (per campioni difficili da macinare) e 100 g (per campioni di
più facile macinazione), viene macinata utilizzando un mulino da caffè commerciale (Kenia,
Mahlkönig) collegato ad un dispositivo in grado di registrare l’assorbimento di potenza nel tempo.
Utilizzando un opportuno software si calcola il consumo energetico complessivo e, rapportandolo
per la quantità di campione macinata, si determina il consumo energetico unitario della
macinazione, espresso in (J g-1). Il mulino da caffè è dotato di un sistema di regolazione in grado di
consentire 7 differenti livelli di macinazione. Nei test condotti si è selezionato il grado di finezza
più grossolano.
• Analisi della distribuzione granulometrica delle particelle
Un campione di peso noto viene sottoposto a setacciatura utilizzando un certo tipo di setacci
predefinito. Per aumentare la ripetibilità dell’analisi si utilizza un vibrovaglio che consente di
impostare la durata ed il livello dell’oscillazione. Questa analisi segue generalmente le operazioni
di macinazione e ne fornisce informazioni utili circa l’efficienza. Nel presente lavoro sono stati
utilizzati 7 setacci, con diametro delle maglie rispettivamente di: 0.075, 0.125, 0.25, 0.6, 1.18, 1.4,
2.0 mm, ed è stata adottato un livello di vibrazione del 40% per 30 minuti.
• Analisi dell’indice di macinabilità (HGI = Hardgrove Grindability Index)
L’indice di macinabilità è un parametro originariamente utilizzato per la caratterizzazione del
carbone. Esso viene determinato seguendo quanto stabilito nella normativa di riferimento (ASTM
D409-51, 1961) ed utilizzando uno strumento standard, l’Hardgrove grinder (3200LB, AUBEMA),
che di fatto è un piccolo mulino a sfere. Il test consiste nel separare, mediante setacci, la frazione
granulometrica di campione compresa tra 0.6 e 1.18 mm e nel prelevarne esattamente 50 cm3
utilizzando un matraccio di pari volume. Il campione viene inserito nel matraccio e quindi percosso
vigorosamente e ripetutamente su di una tavola di legno. L’operazione si ripete fino a quando non
è più possibile aggiungere materiale nel matraccio senza oltrepassare i 50 cm3 di volume. Il
campione così selezionato viene pesato e posto nell’Hardgove grinder. La macinazione avviene
impostando un carico di 290 N per 3 minuti. A questo punto occorre determinare il peso della
frazione di dimensione inferiore a 75 μm – si usa il setaccio corrispondente – dopo di che è
possibile definire l’indice di macinabilità (HGI) utilizzando la formula seguente:
HGI = 13 + 6.93 x mH
dove mH è il peso (g) del prodotto macinato che attraversa il setaccio da 75 μm.
99
L’HGI esprime, di fatto, l’attitudine del materiale ad essere polverizzato con la macinazione e, di
conseguenza, l’idoneità ad essere utilizzato in impianti di conversione energetica predisposti alla
combustione del carbone. Quando applicato a biomasse solide da un indicazione dell’attitudine
del materiale alla così detta “co-combustione” (= combustione di miscele di carbone e biomassa in
percentuale variabile)
• Analisi dell’igroscopicità
Questa analisi fornisce indicazioni circa la capacità dei materiali di assorbire umidità ed è quindi
utile a dare un’idea della conservabilità del materiale durante lo stoccaggio. L’analisi consiste nel
porre una quantità nota di campione, preventivamente essiccata, in condizioni di umidità e
temperatura stabili. Durante tale test è possibile monitorare l’assorbimento di umidità pesando di
tanto in tanto i campioni e registrandone l’aumento di peso. Il test termina al raggiungimento
della costanza di peso. L’incremento di peso raggiunto rappresenta l’assorbimento di umidità
caratteristico per quel materiale alle condizioni di umidità e temperatura prestabilite. Nel presente
lavoro tale analisi è stata condotta su differenti materiali (bucce di pomodoro tal quali e torrefatte,
residui di pomodoro tal quali e torrefatti, vinaccia tal quale e torrefatta, cippato di abete tal quale
e torrefatto, carbone fossile) e adottando differenti condizioni di umidità e temperatura (100% e
30°C; 92,5% e 23°C; 75,5% e 23°C).
• Analisi dell’attrito di pellettizzazione
Utilizzando la “Single pellet press unit”, strumento ideato e realizzato presso l’officina del CHEC
Research Centre del DTU, è possibile produrre un singolo pellet impostando determinati
parametri, quali pressione e temperatura di pellettizzazione. Una determinata quantità di
campione (corrispondente, nel nostro caso, ad 1 g di s.s.) viene inserita all’interno di un cilindro di
7,8 mm di diametro, precedentemente riscaldato e mantenuto ad una certa temperatura. Il
campione viene quindi pressato sul fondo del cilindro mediante un pistoncino mosso da un
sistema idraulico. Per simulare il reale processo di pellettizzazione, la produzione del singolo pellet
avviene, in realtà, in quattro fasi successive: per ciascuna si utilizzano 0,25 g (in s.s.) di campione
che si pressano applicando sempre la stessa forza/pressione (precedentemente stabilita).
Terminata la produzione del singolo pellet, si procede alla sua rimozione dal cilindro. Durante tale
operazione viene registrata la forza applicata. Il massimo picco raggiunto rappresenta la massima
resistenza (o forza di attrito) che si sviluppa tra la superficie del pellet e le pareti del cilindro.
Questa viene poi espressa come pressione (“Px” = pressione di pellettizzazione, espressa in MPa).
• Analisi della resistenza a compressione del pellet
Al fine di verificare la stabilità dei pellet prodotti con la single pellet press si procede all’analisi
della loro resistenza a compressione. A tale scopo si utilizza una macchina universale per la
determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali (nello specifico: Mod. 88 R 1332,
Instron). Il pellet viene posizionato orizzontalmente (poggiato su di un fianco) su di un cilindro
meccanico di 50 mm di diametro. Un secondo cilindro metallico di pari diametro – collegato ad
una cella di carico di 10 kN – viene posizionato immediatamente sopra il pellet da testare (ad una
distanza dal cilindro sottostante pari al diametro del pellet) e viene poi fatto avanzare ad un tasso
100
di compressione di 20 mm/min fino alla rottura del pellet stesso. Durante l’avanzamento del
pistone viene costantemente registrata la resistenza opposta dal pellet. La massima resistenza a
compressione (espressa in N) viene rilevata immediatamente prima della sua rottura.
4.5 GLI STRUMENTI DI LABORATORIO E GLI APPARATI SPERIMENTALI
Nel corso della sperimentazione è stata impiegata la seguente strumentazione di laboratorio:
• Pressa continua della ditta Bracco s.r.l. (2,27 kW) per test di estrazione meccanica dell’olio
Per l’estrazione dell’olio dalle matrici oleose (semi) è stata utilizzata una pressa continua della
ditta Bracco s.r.l. da 2,27 kW di potenza nominale (figura 4.5.1).
Le pressa è dotata di sistemi che consentono di variare i principali parametri operativi:
temperatura e pressione di esercizio. È infatti munita di una resistenza elettrica utile, soprattutto
nella fasi iniziali dei test, a portare la camera di spremitura alla temperatura desiderata così da
ridurre gli attriti, rendere l’olio meno viscoso e, di conseguenza, migliorare le rese operative.
Modificando inoltre il diametro degli anelli spingi pasta, o bussole (14, 15 e 16 mm), di cui la
pressa è dotata, è possibile ottimizzare la resa di estrazione e la capacità operative a seconda dei
materiali processati o di esigenze specifiche.
Figura 4.5.1 - Pressa continua Bracco s.r.l. (2,27 kW) per l’estrazione meccanica dell’olio
Pre-compressione
Tramoggia
Coclea di
trasporto
Avanzamento
del SEME
Compressione
Max compressione
Vite senza fine
Filettatura di
regolazione
Gabbia
Cono di
spremitura
Anello
spingipasta
Uscita OLIO
Uscita PANELLO
• Reattore da tavolo (4575 HT/HP, Parr)
Il Laboratorio Biomasse del D3A è munito di un reattore bench top (mod. 4575 HT/HP, Parr –
Figura 4.5.2) in grado di operare ad elevata pressione e temperatura (fino a 345 bar e 500°C) e
capace di processare quantitativi di campione di circa 5-20 g. Il reattore è costituito da due parti:
una parte fissa, la testata, su cui sono collocate le valvole di entrata ed uscita dei gas, la serpentina
di raffreddamento a liquido ed il sistema di misura per temperatura e pressione; una parte mobile,
il vessel in acciaio inox del volume di 500 ml, che si inserisce sulla testata mediante una flangia così
da consentire una tenuta ermetica del sistema anche ad elevate temperature di esercizio.
101
Una resistenza mobile esterna abbraccia il corpo del vessel e fornisce calore al reattore. Una linea
di gas dedicata, collegata direttamente ad una bombola, permette di caricare gas inerte nel
reattore. Un controllore collegato al reattore consente l’impostazione delle condizioni di esercizio
ed il monitoraggio della prova; tutti i dati, inoltre, sono salvati su computer.
Questo dispositivo è stato utilizzato per condurre parte dei test di torrefazione.
Figura 4.5.2 - Reattore da banco per i test di torrefazione
• Muffola programmabile (S90, Lyngbyoven) per test di torrefazione
Si tratta di una muffola collegata ad un sistema di controllo PID (Proportional-Integral-Derivative
controller) che consente di preimpostare delle programmate di temperatura e, quindi, di rendere
possibili anche particolari trattamenti termici (es: torrefazione) su materiali diversi. A tale scopo la
muffola è stata munita di un sistema in grado di mantenere quantitativi di biomassa di circa 100300 g (e quindi superiori di un ordine di grandezza rispetto al reattore Parr di cui sopra) in
condizioni di atmosfera inerte. Si tratta di un cassetto di acciaio a chiusura ermetica costruito
presso l’officina del Dipartimento di Ingegneria Chimica dell’Università Tecnica della Danimarca
(CHEC Research Centre of Risø-DTU). Tale contenitore funge, di fatto, da camera di reazione. Il
coperchio è dotato di ingresso ed uscita dei gas (generalmente azoto) che vengono fatti flussare al
fine di mantenere all’interno l’atmosfera inerte. La scatola di reazione viene posta all’interno di
una muffola. Per mezzo di termocoppie opportunamente posizionate, è possibile registrare e
monitorare l’andamento di tre differenti temperature: la temperatura all’interno della muffola, la
temperatura all’interno della camera di reazione e la temperatura all’interno del campione stesso.
Ciò, oltre a consentire il monitoraggio dei test, permette anche di confrontare la differente inerzia
termica delle biomasse oggetto della sperimentazione.
102
Figura 4.5.3 - Muffola programmabile per test di torrefazione
•
Agitatore magnetico riscaldante (mod. ARE, VELP) e non riscaldante (mod. AGE, VELP) per
test di lisciviazione
Per la conduzione delle prove di rimozione delle ceneri mediante lisciviazione in acqua sono stati
utilizzati quattro agitatori magnetici di cui tre riscaldanti (agitatori magnetici riscaldanti VELP,
mod. ARE), utilizzati per riscaldare e mantenere in agitazione i campioni posti nei tre rispettivi
becker riempiti d’acqua, e uno con la sola funzione di agitazione (agitatore magnetico VELP, mod.
AGE), usato per mantenere in agitazione il bagnomaria e favorire quindi lo scambio termico con i
campioni sottoposti al trattamento.
• Single Pellet Press Unit per test di pellettizzazione
Per eseguire i test di pellettizzazione si è utilizzata la “Single pellet press unit”, strumento ideato e
realizzato presso l’officina del CHEC Research Centre del DTU. L’apparecchio non è altro che una
pressa idraulica manuale, sulla cui base è posto un ripiano con dei sensori in grado di rilevare la
forza di compressione. Su tale ripiano è fissato un cilindro di acciaio, di 7,8 mm di diametro,
avvolto da una resistenza termostatata. Inserendo le giuste quantità di campione all’interno del
cilindro, e applicando una certa pressione per mezzo di un pistoncino, è possibile produrre un
singolo pellet. La macchina, di conseguenza, consente di impostare alcuni parametri, quali: massa
(secca) del pellet, pressione e temperatura di pellettizzazione.
Terminata la produzione di ogni singolo pellet, si procede alla sua rimozione dal cilindro. Durante
tale operazione è possibile registrare la pressione massima applicata (Px) che corrisponde
pressione provocata dall’attrito del pellet con le superfici del cilindro.
103
Figura 4.5.4 - Single Pellet Press Unit per test di pellettizzazione
• Stufa a ventilazione forzata (M 120-VN, MPM Instruments)
L’analisi del contenuto di umidità del campione tal quale e la stabilizzazione termica dei materiali
oggetto della sperimentazione sono state ottenute utilizzando una stufa a ventilazione forzata e a
convezione naturale PID System (mod. M 120-VN, MPM Instruments). La ventilazione forzata
assicura un’omogeneità nel riscaldamento consentendo il controllo della temperatura in ogni
punto della camera interna. Inoltre il continuo ricambio d’aria facilita l’evaporazione dell’acqua dal
materiale velocizzando il processo di essiccazione.
•
Mulini macinatori (mulino da banco mod. A11 Basic, IKA e mulino a coltelli mod. SM 200,
RETSCH)
La preparazione dei campioni per le analisi strumentali o prima dell’esecuzione di alcuni
trattamenti ha previsto l’utilizzo di mulini macinatori. A seconda del grado di finezza da ottenere e
della quantità di campione da processare, sono stati utilizzati mulini differenti. Nel caso di quantità
ridotte ed elevato grado di finezza si è utilizzato il mulino da banco IKA (mod. A11 Basic).
Per materiali più grossolani e quantitativi elevati si è fatto ricorso all’uso di un mulino macinatore
di maggiori dimensioni della RETSCH (mod. SM 2000). Si tratta di un mulino a coltelli predisposto
per macinare materiali di diverse tipologie (anche rifiuti) e con capacità di regolare la velocità del
rotore. Inoltre dispone anche di griglie sostituibili con diversa dimensione delle maglie. Ciò ci
consente di effettuare una prima selezione della granulometria del materiale.
•
Bilancia termogravimetrica (TGA701, LECO) per analisi delle ceneri e dell’umidità di
correzione
La bilancia termogravimetrica (mod. TGA701, LECO – figura 4.5.5) consente di determinare
umidità, sostanza volatile e ceneri dei campioni in maniera completamente automatizzata e per
104
più campioni contemporaneamente. All’interno dello strumento si trova una muffola contenente
un carosello a 20 posti (di cui uno riservato al riferimento) che, ruotando, posiziona
sequenzialmente altrettanti crogiuoli sulla bilancia per la pesata. Tramite software viene
impostato uno specifico programma di riscaldamento durante il quale il peso dei campioni è
continuamente monitorato. Le variazioni in peso relative al solo crogiolo, per effetto delle alte
temperature (effetto Buoyancy), sono valutate e compensate da un crogiolo di riferimento vuoto
posizionato all’interno della muffola insieme ai campioni. Le programmate di temperatura e
l’atmosfera all’interno della muffola (aria-ossidante o azoto-inerte) sono scelte in base al tipo di
analisi da eseguire.
Figura 4.5.5 - Bilancia termogravimetrica per la determinazione del contenuto di ceneri e dell’umidità di correzione
• Calorimetro isoperibolico (C2000 Basic, IKA) per analisi del PCS
La misura del Potere Calorifico Superiore (PCS) è stata eseguita utilizzando un calorimetro
isoperibolico (mod. C2000 Basic, IKA). Una quantità nota di materiale viene pesata in uno speciale
crogiuolo inserito poi all’interno di una bomba di Mahler. Il sistema, immerso in una quantità
definita di acqua termostata a 25°C, viene riempito con ossigeno puro in pressione (25 bar) e
successivamente viene innescata la combustione mediante scarica elettrica. Tutto il calore
sviluppato dalla completa combustione del materiale viene registrato da un sensibilissimo
termometro come innalzamento della temperatura dell’acqua circostante. Poiché il sistema è
chiuso l’analisi permette di determinare la massima energia che potenzialmente un materiale può
sprigionare quando sottoposto a combustione.
•
Analizzatore elementare (Analyzer Series II 2400, Perkin Elmer)
L’analisi del contenuto in C, H ed N è stata eseguita con un analizzatore elementare (mod.
Analyzer Series II 2400, Perkin Elmer). Alcuni milligrammi di biomassa vengono completamente
ossidati all’interno di una speciale colonna (colonna di ossidazione) ad elevate temperature, in
atmosfera ricca di ossigeno ed in presenza di un opportuno catalizzatore. I gas ossidati che si
producono, nello specifico CO2, H2O ed NOx, vengono inviati in una seconda colonna (colonna di
105
riduzione) che ha il compito di ridurre l’ossigeno in eccesso, proveniente dalla fase precedente, e
convertire tutto l’NOx a N2. La miscela gassosa così composta viene poi separata e rilevata da un
detector a termoconducibilità.
• TGA/DTA – Analizzatore termogravimetrico (STA PT1600, LINSEIS)
Lo studio del comportamento termico dei materiali è stato eseguito con una bilancia
termogravimetrica (mod. STA PT1600, LINSEIS - Figura 4.5.6): lo strumento è costituito da una
bilancia ad elevata sensibilità, con una scala di misura nell’ordine dei microgrammi, inserita
all’interno di una muffola. Una volta caricato il campione sulla bilancia (poche decine di
milligrammi), ed impostata la programmata di temperatura (temperatura da raggiungere, velocità
di riscaldamento e tempi di mantenimento) lo strumento monitora ed acquisisce l’andamento
gravimetrico del materiale in funzione della temperatura impostata. L’atmosfera all’interno della
muffola è uno dei parametri che può essere impostato nell’analisi: la scelta può ricadere tra
un’atmosfera ossidante (aria ultrapura) o una inerte (azoto o altre tipologie di gas), in funzione del
tipo di analisi.
Figura 4.5.6 - Analizzatore termogravimetrico TGA-DTA
• Gascromatografo SHIMADZU GC 2010
Il gascromatografo è uno strumento dotato di un piccolo forno accuratamente termostatabile, in
cui viene alloggiata la così detta colonna cromatografica. Essa è sommariamente formata da un
avvolgimento costituito da un sottile tubo capillare in vetro, lungo alcuni metri, sulle cui pareti
interne è stato deposto un sottile strato della fase fissa (una sostanza sufficientemente stabile per
cui la miscela da analizzare mostri un certo grcado di affinità). Il campione viene introdotto con un
flusso di gas inerte (He, H2, N2) ad una sua estremità (dell'iniettore) e, dopo un certo tempo, i
componenti separati fuoriescono col flusso di gas dall'estremità opposta (del detector), ove è
posto un opportuno rivelatore in grado di segnalarli. Il campione, posto in testa alla colonna e
sottoposto al flusso costante del gas di trasporto, viene separato nelle sue componenti in funzione
106
di quanto queste siano affini (di solito per polarità) alla fase stazionaria presente lungo tutta la
colonna cromatografica; un'ulteriore variabile su cui si agisce spesso per migliorare la separazione
è la temperatura della colonna stessa, che può essere tenuta costante ("isoterma") o fatta variare
secondo un gradiente desiderato (programmata di temperatura).
Quando il campione esce dall'estremità finale della colonna (si dice che è stato eluito) viene
raccolto da un rivelatore. Il diagramma che rappresenta il segnale generato dal rivelatore in
funzione del tempo - fissato a zero l'istante in cui il campione è stato immesso nella colonna - è il
cromatogramma del campione. Il cromatogramma si presenta come una sequenza di picchi di
varia ampiezza ed altezza distribuiti lungo l'asse del tempo. Dal tempo di ritenzione di ogni picco è
possibile dedurre l'identità del composto eluito; dall'area o dall'altezza dei picchi è possibile
dedurre le concentrazioni o le quantità assolute dei vari composti presenti nel campione
analizzato, a seconda del rivelatore impiegato.
Nello specifico un gascromatografo SHIMADZU GC 2010 con colonna polare Stabilwax (60,0 m x
0,25 mm x 0,25 µm), fase stazionaria rappresentata da glicole polietilenico e fase mobile da elio,
dotato di sistema di iniezione “on column” e rivelatore a ionizzazione di fiamma (FID) – figura 4.5.7
– è stato utilizzato per determinare la composizione in acidi grassi degli oli estratti
meccanicamente dalle componenti oleose (semi) delle biomasse residuali oggetto di questo
studio.
Figura 4.5.7 - Gascromatografo per la determinazione della composizione in acidi grassi degli oli
• Standard Hardgrove grinder (3200LB, AUBEMA) per analisi dell’indice di macinabilità (HGI)
Lo Standard Hardgrove grinder è un piccolo mulino a sfere. Si tratta si uno strumento standard che
serve a misurare l’indice di macinabilità dei materiali (HGI = Hardgrove Grindability Index – vedere
paragrafo “Metodiche d’analisi”). Esso è dotato di un vessel sul quale viene posto un determinato
volume di materiale opportunamente preparato. Vengono posate su di esso 8 sfere di acciaio e,
sopra di queste, un disco che serve a metterle in movimento. Tale disco, infatti, è dotato di un foro
quadrato che funge da sede per l’asse di rotazione. Il sistema viene posto all’interno di un
basamento, quindi collegato ad un carico di 290 N (che preme le sfere sul campione) e reso
107
solidale con l’asse di rotazione mosso ad una velocità fissa da un motore elettrico. Un contagiri
consente inoltre di monitorare il numero di giri.
Figura 4.5.8 - Standard Hardgrove grinder per analisi dell’indice di macinabilità
•
Macinino da caffè (Kenia, Mahlkönig) per analisi del consumo energetico della macinazione
Per analizzare il consumo energetico del processo di macinazione di quantitativi limitati di
campione è possibile utilizzare questo strumento. Si trova in commercio come macinino da caffè
professionale e di fatto è un mulino in grado di macinare, oltre al caffè, anche materiali
lignocellulosici, sia tal quali che torrefatti. Nella figura 4.5.9 è possibile osservare in dettaglio le
parti che costituiscono lo strumento. Il mulino è dotato di un pomello regolatore per selezionare il
grado di macinatura. Collegando la macchina ad un dispositivo per la misurazione della potenza
assorbita e registrando il segnale nel tempo è possibile determinare l’energia utilizzata.
Conoscendo il quantitativo del campione trattato è anche possibile determinarne il consumo
energetico unitario.
Figura 4.5.9 - Macinino da caffè per analisi del consumo energetico della macinazione
Fonte: http://www.mahlkoenig.com/
108
• Vibrovaglio (Retsch) per determinazione della distribuzione granulometrica delle particelle
Si tratta di uno strumento munito di un piatto vibrante sul quale vengono posti setacci di
dimensioni standard (200 mm), impilati l’uno sull’altro e bloccati avvitando direttamente sul piatto
vibrante un apposito coperchio a tenuta stagna (figura 4.5.10). L’oscillazione è determinata da un
motore elettrico. Il dispositivo consente di regolare manualmente la frequenza e la durata del
trattamento.
Figura 4.5.10 - Vibrovaglio per determinazione della distribuzione granulometrica delle particelle
•
Macchina Universale per la determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali (Mod.
88 R 1332, Instron) per l’analisi delle caratteristiche dei pellet
Si tratta di un dispositivo in grado di condurre numerosi test meccanici su diversi materiali per
verificarne le proprietà fisico-meccaniche (figura 4.5.11). Possiede una base fissa ed una mobile
mossa da un sistema idraulico. È possibile collegare alle due basi componenti diverse allo scopo di
eseguire differenti test come ad esempio test di compressione o di trazione. La macchina è
collegata ad un computer che tramite un software dedicato consente di impostare i diversi
parametri della prova (es. velocità di avanzamento, direzione, distanza, oscillazioni). Il software ha
anche la funzione di monitorare i test, registrando ad intervalli di tempo prestabiliti i dati acquisiti
dai diversi sensori di cui la macchina è munita.
Figura 4.5.11 - Macchina Universale per la determinazione delle proprietà meccaniche dei materiali
109
5- RISULTATI E CONSIDERAZIONI
5.1 ESTRAZIONE MECCANICA DELL’OLIO E CARATTERIZZAZIONE
Estrazione da vinaccioli
Le analisi del contenuto in olio nei vinaccioli hanno confermato risultati differenti per le diverse
varietà di vite. I valori oscillano mediamente fra il 10.0% ed il 17.0% in peso su base secca e sono
riportati in maniera più dettagliata nella tabella 5.1.1.
Dalle prove di estrazione meccanica effettuate sui campioni di vinacciolo prelevati in distilleria
(mix di varietà ignote), aventi un contenuto in olio mediamente compreso tra 10.0% e 12.0% su
peso secco, si sono ottenute rese di spremitura variabili in funzione degli anelli spingipasta
utilizzati e delle temperature di esercizio adottate. Tali risultati oscillano mediamente tra il 9.0%
ed il 10.0% sul peso secco del seme.
Le prove condotte con bussola da 14 mm di diametro si sono dimostrate piuttosto critiche in
quanto si sono verificati problemi di inceppamento della pressa stessa, in particolare adottando
temperature comprese tra 140 e 145°C. Miglioramenti sono stati osservati con temperature di
esercizio intorno a 148-149°C. Le rese di spremitura per l’anello da 14 mm, in definitiva, hanno
raggiunto circa il 9.0%.
Le prove effettuate con anello da 15 mm hanno determinato le rese migliori in assoluto, 9.510.0%. La temperatura ottimale per questa prova si è dimostrata essere 150°C. Questo test è
stato, quindi, in grado di estrarre fino a circa 90% dell’olio presente nel vinacciolo.
Con la bussola da 16 mm di diametro si sono ottenute rese di spremitura leggermente inferiori
rispetto all’anello da 15 mm. Mediamente intorno al 9.5% con temperature di circa 150-152°C.
Il profilo acidico, risultato dall’analisi gascromatografica dell’olio grezzo ottenuto dalle prove di
spremitura, viene riportato in tabella 5.1.2. Dall’analisi risulta una percentuale preponderante di
acidi grassi insaturi ma con un contenuto maggiore di acido linoleico e minore di acido oleico
rispetto all’olio di semi di girasole convenzionale.
Il potere calorifico superiore (PCS) dell’olio di vinaccioli è mediamente pari a 37,0 MJ × kg-1.
Un campione rappresentativo dei panelli di estrazione prodotti con i test di spremitura è stato
sottoposto ad indagine analitica. I risultati della caratterizzazione sono riportati nella tabella 5.1.3.
Estrazione da seme di pomodoro
La misura del contenuto d’olio, effettuata su 10 differenti campioni di seme di pomodoro, ha
mostrato risultati compresi tra il 19.5% ed il 25.7% in peso su base secca (tabella 5.1.1), con media
del 22.3% e deviazione standard del 2.0%. Per mezzo del processo di estrazione meccanica
dell’olio grezzo, condotta in laboratorio, è stato possibile ottenere una resa media di estrazione
superiore al 12.0% su peso secco del seme. Di conseguenza il trattamento di spremitura meccanica
è in grado di estrarre fino al 60% dell’olio contenuto nei semi.
Il profilo acidico dell’olio grezzo ottenuto dalle prove di estrazione meccanica è riportato in tabella
5.1.2.
Anche per quest’olio si osserva, nel complesso, una percentuale preponderante di acidi grassi
insaturi. Il contenuto di acido palmitico, saturo, è però più del doppio rispetto all’olio di vinaccioli e
110
girasole. Il contenuto di acido linoleico è in linea con l’olio di girasole mentre la concentrazione di
acido oleico si colloca in una posizione intermedia rispetto a quella degli oli di riferimento.
Il potere calorifico superiore (PCS) dell’olio di semi di pomodoro è pari a circa 39,7 MJ × kg-1.
Un campione rappresentativo dei panelli di estrazione prodotti con i test di spremitura è stato
sottoposto ad indagine analitica. I risultati della caratterizzazione sono riportati nella tabella 5.1.3.
Tabella 5.1.1 - Contenuto di olio nei vinaccioli di differenti varietà e nei semi di pomodoro. Analisi condotte nel
Laboratorio Biomasse dell’Università Politcnica delle Marche
Tipologia di seme
% olio su s.s.
Vinacciolo Montepulciano
13.5 – 15.0
Vinacciolo Lacrima
15.5 – 17.0
Vinacciolo Verdicchio
13.0 – 15.5
Vinacciolo (mix da distilleria)
10.0 – 12.0
Semi di pomodoro
19.5 – 25.7
Tabella 5.1.2 - Risultati dell’analisi della composizione in acidi grassi dell’olio di vinaccioli e dell’olio di semi di
pomodoro, ottenuti dalla spremitura meccanica, e confronto con il profilo acidico dell’olio di semi di girasole
convenzionale
Olio di vinaccioli
Olio di semi
di pomodoro
Olio di semi
di girasole1
% (m/m)
% (m/m)
% (m/m)
Acido Palmitico C16:0
6.6 %
14.3
6.2 %
Acido Stearico C18:0
4.1 %
4.6
3.4 %
Acido Oleico C18:1
17.0 %
21.4
35.6 %
Acido Linoleico C18:2
71.2 %
57.3
54.2 %
Altro
1.1 %
2.4
0.6 %
Composizione acidica
1 = Fonte: database Laboratorio Biomasse del D3A
Tabella 5.1.3 - Risultati dell’analisi di caratterizzazione del panello di vinaccioli e del panello di semi di pomodoro
prodotti con i test di estrazione meccanica
Parametro
Unità di misura
Panello vinaccioli
Panello semi pomodoro
Umidità
% t.q.
3,6
3,7
Ceneri
% s.s.
3,1
5,1
-1
22,7
24,2
-1
MJ kg daf
21,5
22,6
C
% daf
56,0
55,3
H
% daf
6,1
8,0
O
% daf
35,8
30,8
N
% daf
2,1
5,9
PCS
PCI
MJ kg daf
111
5.2 TRATTAMENTI DI TORREFAZIONE CONDOTTI PRESSO L’UNIVPM
I test di torrefazione condotti in Italia hanno rispettato il programma sperimentale stabilito, per
ciascun materiale, sulla base dello specifico comportamento termico, messo in evidenza dalle
analisi termogravimetriche in TGA. Queste analisi, infatti, si sono rivelate propedeutiche
all’individuazione delle condizioni di temperatura adottate nei test di torrefazione su reattore. Il
risultato finale dell’analisi TGA, il termogramma, può essere definito per mezzo della curva
termogravimetrica (TG) o tramite la sua derivata prima (DTG). Molte delle informazioni relative
alla cinetica del processo sono meglio evidenziate proprio da quest’ultima curva, il cui profilo,
caratteristico del tipo di materiale in esame, esprime la velocità della perdita di peso (dovuta alla
volatilizzazione delle sostanze) in funzione della temperatura.
Prima di mostrare i risultati dei test di torrefazione condotti su ciascuna biomassa, si ritiene utile
riportare e commentare le funzioni TG e DTG ottenute dall’elaborazione dei risultati di queste
analisi preliminari.
RISULTATI DELLE ANALISI TERMOGRAVIMETRICHE

Faggio
Figura 5.2.1 - Curva TG (nera tratteggiata) e DTG (rossa continua) prodotte dall’analisi termogravimetrica di un
campione di legno di faggio (essenza pura)
Per il faggio, che presenta il profilo di un tipico materiale lignocellulosico (figura 5.2.1), sono
evidenti due picchi parzialmente sovrapposti: il primo da sinistra, basso e con forma allargata,
corrisponde alla degradazione delle emicellulose, mentre per le cellulose si ottiene il secondo
picco, più stretto ed alto. La degradazione termica della lignina, invece, avviene in un range di
temperature ampio e con una cinetica ridotta, di conseguenza è associata ad un picco molto basso
ed allargato che in parte si sovrappone ai picchi delle olocellulose e in parte coinvolge
112
temperature superiori ai 400°C. Tuttavia, proprio per la bassa cinetica, risulta difficilmente
distinguibile dalla linea di base.
Poiché il processo di torrefazione mira principalmente alla degradazione più o meno spinta della
frazione emicellulosica, la scelta dei parametri operativi per i successivi test di torrefazione è stata
definita all’interno del range di degradazione delle emicellulose (temperature: T1 = 240°C; T2 =
270°C).

Bucce di pomodoro
Figura 5.2.2 - Curva TG (nera tratteggiata) e DTG (rossa continua) prodotte dall’analisi termogravimetrica di un
campione di bucce di pomodoro
Contrariamente al faggio, e in accordo con la bibliografia (Mangut 2006), le bucce di pomodoro
presentano un comportamento termogravimetrico complesso (figura 5.2.2), per la presenza di altri
composti di natura non lignocellulosica (e.g. olio) e per il diverso rapporto tra le componenti
lignocellulosiche.
Vista la minore cinetica di degradazione complessiva (picchi tendenzialmente più bassi) unita alla
ridotta quantità di olocellulose e data la mancanza di informazioni sul processo di torrefazione
delle bucce di pomodoro, per i test si è deciso di valutare più livelli di temperatura, individuati
dividendo l’intervallo sperimentale che va da 180°C, temperatura di inizio del processo di
volatilizzazione, a 316°C, temperatura associata alla massima velocità di decomposizione delle
cellulose, in quattro sotto-intervalli di ampiezza equivalente. Sono quindi state scelte, per le prove
di torrefazione, le tre temperature individuate al centro dell’intervallo (214, 248 e 282°C) e, al fine
di valutare gli effetti di una torrefazione spinta, sono stati effettuati dei test anche alla
temperatura di 316°C.
113

Sansa esausta
Figura 5.2.3 - Curve DTG prodotte dall’analisi termogravimetrica di sansa esausta. Sovrapposizione dei risultati di tre
ripetizioni
La sansa esausta mostra un comportamento termogravimetrico tipico delle biomasse
lignocellulosiche classiche. Dal grafico DTG, riportato in figura 5.2.3, è possibile identificare molto
chiaramente i “picchi” caratteristici di emicellulosa, cellulosa e lignina.
Sono ben evidenti due picchi parzialmente sovrapposti: il primo da sinistra, più basso, corrisponde
alla degradazione delle emicellulose, mentre il secondo, più stretto ed alto, è prodotto dalle
cellulose. La degradazione termica della lignina avviene, invece, con una cinetica decisamente
minore ma in un intervallo di temperature notevolmente più ampio (circa 250-500°C) producendo,
di conseguenza, un picco molto basso ma ampio che si sovrappone per metà agli altri due picchi.
Come già detto precedentemente, il processo di torrefazione mira principalmente alla
degradazione più o meno spinta della frazione emicellulosica e solo in minima parte delle altre
frazioni.
Per questa biomassa, quindi, la scelta delle temperature per i successivi test al reattore è ricaduta
all’interno del range di degradazione delle emicellulose al fine di conferire al prodotto finale una
scarsa affinità con l’acqua (carattere idrofobico) e una maggiore attitudine alla macinazione, senza
andare incontro a perdite eccessive di materiale organico di partenza. Questo intervallo si estende
dalla temperatura alla quale il processo di volatilizzazione ha inizio (Tonset ≈ 190°C) alla
temperatura di massima volatilizzazione delle emicellulose (Tshoulder ≈ 270°C).
Nella sperimentazione sono stati valutati 3 differenti livelli di temperatura di torrefazione scelti
facendo riferimento ai punti caratteristici del termogramma: la temperatura più bassa è stata
scelta in prossimità della Tonset (Tmin = Tonset + 10°C = 200°C) mentre la temperatura più alta è stata
scelta in prossimità della massima degradazione delle emicellulose (Tmax = Tshoulder - 10°C = 260°C).
Infine è stata individuata una temperatura intermedia al centro dell’intervallo (Tint = 230°C) Per
114
valutare anche l’influenza del fattore tempo sul processo di torrefazione, per ciascuna
temperatura sono state valutate 2 isoterme di torrefazione di diversa durata: una di 30 minuti e
una di 60 minuti. Per ogni combinazione di temperatura e tempo sono state eseguite almeno due
ripetizioni.
Per confermare la scelta di tali temperature sono state effettuate delle simulazioni di torrefazione
in TGA rispettando il medesimo tasso di riscaldamento consentito dal reattore (4°C/min) e
prevedendo un’isoterma di 60 minuti.

Vinaccia vergine
Figura 5.2.4 - Curve DTG prodotte dall’analisi termogravimetrica di vinaccia vergine. Sovrapposizione dei risultati di tre
ripetizioni
La vinaccia mostra, al contrario della sansa, un profilo termogravimetrico di più difficile
interpretazione. Osservando le curve DTG (figura 5.2.4) si nota la presenza di numerosi picchi
relativamente bassi e di ampiezza tendenzialmente maggiore. Salta subito all’occhio una minore
velocità di decomposizione raggiunta del materiale alle diverse temperature e, soprattutto nella
fase finale del processo pirolitico, si può anche notare un certo scostamento nell’andamento delle
curve associate alle 3 ripetizioni.
Quanto appena messo in evidenza trova una spiegazione nell’elevata variabilità del materiale
stesso. La vinaccia vergine di varietà d’uva a bacca bianca (es. verdicchio), infatti, è costituita da un
insieme eterogeneo di componenti del grappolo scartate durante il processo di vinificazione in
bianco: raspi, bucce, vinaccioli e residui di polpa. Tutti materiali differenti dal punto di vista della
composizione organica.
Anche per questa biomassa sono state scelte 3 temperature di torrefazione e 2 tempi di
trattamento e sono state condotte almeno 2 ripetizione per ciascuna prova.
115
Visto che il punto di “onset” cade a livelli di temperatura piuttosto bassi, la Tmin è stata scelta a
180°C. La Tmax è stata scelta in corrispondenza del massimo valore di velocità di volatilizzazione
raggiunto dalla curva DTG e cioè alla temperatura di 260°C. La temperatura intermedia, Tint, è stata
scelta al centro esatto dell’intervallo individuato, 220°C.

Paglia di colza
Figura 5.2.5 - Curve DTG prodotte dall’analisi termogravimetrica di paglia di colza. Sovrapposizione dei risultati di tre
ripetizioni
Le curve DTG ottenute dall’analisi della paglia di colza ne confermano la composizione
lignocellulosica. Osservando il grafico sembra prevalere la presenza delle cellulose il cui picco
raggiunge un’altezza notevole, mettendo in evidenza un’elevata cinetica di degradazione termica.
Si riesce comunque a distinguere, seppur con qualche difficoltà per via della sovrapposizione con il
picco delle cellulose, anche il picco delle emicellulose e, basso e ampio come sempre, il picco delle
lignine.
Il grafico mostra un punto di “onset” prossimo ai 200°C e uno di “shoulder” intorno a 260°C. Così
come per la sansa, anche nel caso della paglia di colza sono state scelte una Tmin pari alla Tonset +
10°C (= 210°C) e una Tmax pari alla Tshoulder - 10°C (= 250°C). La Tint, come per gli altri materiali, è
stata individuata nel mezzo (230°C).
 Stocchi di girasole
Anche gli stocchi di girasole, come la paglia di colza, producono delle curve DTG che mostrano
un’evidente sovrapposizione del picco delle emicellulose con quello delle cellulose (figura 5.2.6). A
differenza di queste, però, la cinetica della degradazione termica è nettamente inferiore,
soprattutto per quanto riguarda le cellulose.
116
Figura 5.2.6 - Curve DTG prodotte dall’analisi termogravimetrica di stocchi di girasole. Sovrapposizione dei risultati di
tre ripetizioni
Si nota anche una certa diversità di risposta fra le 3 ripetizioni legata, molto probabilmente,
all’eterogeneità del materiale. Lo stocco, infatti, è costituito da due componenti principali, una
corticale e una midollare, con differente peso specifico che, in seguito a macinazione, risultano di
difficile miscelazione rendendo di conseguenza difficile l’omogeneizzazione stessa del campione
d’analisi.
La Tonset di questo materiale oscilla intorno a 180-190°C e la Tshoulder intorno a 240-250°C. Seguendo
la stessa logica adottata per le biomasse ligocellulosiche classiche, anche per gli stocchi di girasole
sono state selezionate una Tmin e una Tmax prossime, rispettivamente, al punto di “onset” e di
“shoulder” (Tmin = 195°C; Tmax = 235°C), e una Tint al centro (215°C).
 Panello di girasole
Il panello di girasole non può considerarsi una classica biomassa lignocellulosica in quanto
sicuramente costituito anche da materia grassa. Si tratta dell’olio residuato dal processo di
spremitura meccanica del seme che, inevitabilmente, e in percentuale variabile, rimane
intrappolato all’interno della matrice stessa del panello.
Osservando il profilo termico ottenuto dall’analisi in TGA (figura 5.2.7) si osserva almeno un picco
in più. Quello corrispondente alla volatilizzazione dell’olio produce il suo massimo in
corrispondenza della temperatura di 375°C.
Nel suo complesso la cinetica di degradazione non raggiunge valori elevati. Il primo picco che si
incontra, probabilmente associato alla decomposizione della frazione emicellulosica, risulta essere
tendenzialmente più basso e spostato a sinistra.
Per questo prodotto sono state scelte 3 temperature tali da permetterci di ottenere, in
torrefazione, una resa in massa di circa il 90% per la Tmin, l’80% per la Tint ed il 70% per la Tmax. A
117
tale scopo si è rivelata fondamentale la simulazione della torrefazione in TGA che ha confermato la
scelta delle temperature di 200°C, 230°C e 260°C.
Figura 5.2.7 - Curve DTG prodotte dall’analisi termogravimetrica di panello di girasole. Sovrapposizione dei risultati di
tre ripetizioni
118
CARATTERIZZAZIONE CHIMICO-ENERGETICA DEI MATERIALI E BILANCI DEI PROCESSI DI
TORREFAZIONE
Risultati delle analisi preliminari – Umidità delle biomasse alla raccolta
Le biomasse oggetto di questo studio hanno mostrato un contenuto di umidità, alla raccolta,
estremamente variabile:
 Residui della trasformazione industriale di pomodoro: 73,1 %
 Sansa esausta: 14,7 %
 Vinaccia vergine: 59,3 %
 Paglia di colza: 10,1 %
 Stocchi di girasole: 18,0 %
 Panello di estrazione dell’olio di semi di girasole: 9,7 %
 Legno di faggio: 10,2 %
Risultati delle analisi dei campioni di biomassa pre-torrefazione
Nella tabella 5.2.1 si riportano i risultati delle analisi di caratterizzazione dei campioni di biomasse
residuali stabilizzati e preparati, come descritto nel capitolo 4, e quindi pronti per subire il
trattamento di torrefazione.
Tabella 5.2.1 -Caratterizzazione chimica-energetica dei campioni di biomasse residuali stabilizzati e preparati per i
successivi test di torrefazione a confronto con la biomassa legnosa di riferimento (essenza pura di faggio)
Unità di
misura
Bucce di
pomodoro
Sansa
esausta
Vinaccia
vergine
Paglia di
colza
Stocchi di
girasole
Panello di
girasole
Legno di
faggio
Umidità 1
% t,q,
5,4
6,4
6,8
9,7
10,1
1,2
6,8
Ceneri
% s,s,
2,2
4,6
7,7
7,5
11,6
4,7
0,7
PCS
MJ/kg daf
27,8
21,3
22,4
19,3
18,8
23,7
19,6
PCI
MJ/kg daf
26,0
20,0
21,0
18,0
17,7
22,1
18,3
Carbonio
% daf
61,4
52,0
54,8
48,7
47,3
55,2
49,6
Idrogeno
% daf
8,7
6,8
6,8
6,2
5,6
7,8
6,4
Azoto
% daf
1,8
0,4
1,9
0,9
1,1
3,5
0,2
Ossigeno
% daf
25,9
40,8
36,6
44,1
46,0
33,6
43,0
Parametro
Nota 1: si tratta dell’umidità di correzione del campione selezionato, stabilizzato e preparato per subire i test di torrefazione e non
dell’umidità bella biomassa alla raccolta.
Test di torrefazione di faggio e bucce di pomodoro
 Faggio
In tabella 5.2.2 sono riassunti i risultati delle analisi dei campioni di faggio (media delle ripetizioni),
sia tal quali che torrefatti alle diverse condizioni operative stabilite nel piano sperimentale. In
generale si nota come condizioni di torrefazione più spinte, temperature elevate e/o tempi lunghi,
siano associate ad un aumento del contenuto in carbonio, quindi del potere calorifico e della
concentrazione energetica. Comportamento opposto si ha per la resa in massa e la resa
energetica. Si nota, inoltre, una maggiore influenza sulla resa in massa del tempo di torrefazione,
rispetto alla resa in energia. L’effetto più evidente a 275°C che a 240°C.
119
Tabella 5.2.2 - Analisi dei campioni di faggio tal quali e torrefatti alle diverse condizioni operative stabilite nel piano
sperimentale
T
t
Rm1
Re2
°C
min
%
%
daf
daf
Ie3
PCS
PCI
C
H
N
O
MJ/kg
MJ/kg
%
%
%
%
H/C
O/C
Ceneri
%
daf
s.s.
-
-
100
100
1.00
19.6
18.3
49.6
6.4
0.2
43.0
1.54
0.65
0.7
240
0
95.6
98.3
1.03
19.9
18.7
49.5
6.3
0.2
43.2
1.52
0.66
0.9
240
30
87.8
94.1
1.07
20.9
19.7
51.5
6.3
0.4
41.2
1.44
0.60
0.8
240
60
87.6
93.0
1.06
20.7
19.5
51.9
6.3
0.3
40.8
1.44
0.59
0.8
275
0
86.4
92.3
1.07
20.5
19.2
52.4
6.3
0.3
40.3
1.43
0.58
0.9
275
30
79.8
89.4
1.11
21.4
20.1
54.1
6.2
0.3
38.6
1.35
0.54
0.9
275
60
72.8
85.5
1.16
22.8
21.5
56.3
6.2
0.3
36.3
1.31
0.49
1.0
Tutti i valori inerenti allo studio del processo sono espressi su base secca e senza ceneri (dry-ash free, daf).
1 - Resa in massa (Rm)
2 - Resa energetica (Re)
3 – Indice di concentrazione energetica (Ie)
Nelle condizioni di temperatura più critiche, e a parità di tempo, la resa in massa raggiunge valori
vicini al 70 % mentre la resa energetica si attesta al di sopra dell’85 %.
 Bucce di pomodoro
Nella tabella 5.2.3 sono riportati i risultati medi delle analisi dei campioni di bucce di pomodoro,
sia tal quali che torrefatti alle diverse condizioni operative stabilite nel piano sperimentale. Nella
torrefazione delle bucce di pomodoro il fattore tempo non contribuisce in maniera significativa
alla qualità del torrefatto. Per uno stesso livello di temperatura infatti un tempo di torrefazione
più o meno lungo non comporta una variazione rilevante nella resa in massa o nella resa
energetica, così come nel contenuto di C, H ed O. Questo fenomeno potrebbe essere legato alla
composizione del materiale, costituito principalmente da componenti meno termoreattivi, come
lignina ed olio, rispetto alle olocellulose, maggiormente presenti in materiali lignocellulosici come
il faggio.
120
Tabella 5.2.3 - Analisi dei campioni di bucce di pomodoro tal quali e torrefatti alle diverse condizioni operative stabilite
nel piano sperimentale
T
t
Rm1
Re2
°C
min
%
%
daf
daf
Ie3
PCS
PCI
C
H
N
O
MJ/kg
MJ/kg
%
%
%
%
H/C
O/C
Ceneri
%
daf
s.s.
-
-
100
100
1.00
27.8
26.0
61.4
8.7
1.8
25.9
1.69
0.32
2.2
214
30
94.7
98.0
1.04
28.7
26.9
63.4
9.0
1.8
23.5
1.68
0.28
2.4
214
60
94.4
97.9
1.04
28.8
27.0
63.5
9.0
1.9
23.3
1.69
0.28
2.4
248
30
90.6
97.1
1.07
29.7
27.9
65.5
9.1
1.9
21.1
1.65
0.24
2.5
248
60
90.7
97.7
1.08
29.9
28.0
65.8
9.0
1.9
21.0
1.64
0.24
2.5
282
30
81.7
94.6
1.15
32.0
30.1
69.4
9.2
1.9
16.8
1.57
0.18
2.8
282
60
79.9
93.7
1.17
32.4
30.5
70.8
9.3
1.9
15.3
1.55
0.16
2.9
316
30
74.2
91.3
1.22
33.9
32.0
73.7
9.3
1.9
12.2
1.51
0.12
2.9
316
60
70.0
86.1
1.23
33.9
32.1
75.1
9.3
1.9
10.7
1.47
0.11
3.0
Tutti i valori inerenti allo studio del processo sono espressi su base secca e senza ceneri (dry-ash free, daf).
1 - Resa in massa (Rm)
2 - Resa energetica (Re)
3 – Indice di concentrazione energetica (Ie)
Diagrammi di Van Krevelen di faggio e bucce di pomodoro a confronto
I diagrammi di Van Krevelen (figura 5.2.8) mostrano graficamente, mettendo cioè l’indice di
idrogeno (H/C) in ordinata e l’indice di ossigeno (O/C) in ascissa, l’evoluzione della composizione
della frazione organica dei materiali nelle diverse condizioni di torrefazione.
Figura 5.2.8 - Diagrammi di Van Krevelen relativi ai campioni di faggio e bucce di pomodoro, sia tal quali che torrefatti
alle diverse condizioni operative
Si può notare come i punti sperimentali si dispongono lungo una retta immaginaria che ha origine
dai valori relativi alla biomassa di partenza e si estende verso bassi valori di H/C ed O/C. Tanto più
121
il materiale viene torrefatto, con temperature e tempi di torrefazione elevati, tanto più questo si
arricchisce in carbonio rispetto ad ossigeno ed idrogeno, allontanandosi, in termini di
composizione chimica, dalla biomassa di partenza e tendendo progressivamente alle
caratteristiche del carbone fossile (Bergman 2005)
Contrariamente al caso del faggio, nelle bucce di pomodoro la linearità si perde quando si valuta il
solo tempo di torrefazione. Questo comportamento potrebbe essere dovuto all’utilizzo di una
biomassa non molto reattiva alla degradazione termica, in cui avvengono cinetiche di
devolatilizzazione di moderata entità nel tempo. Rimane invece ben visibile l’importanza della
temperatura di torrefazione nel processo.
Igroscopicità delle bucce di pomodoro a confronto con carbone fossile
Nella figura 5.2.9 si riportano graficamente i risultati delle prove di igroscopicità condotte su
campioni di bucce di pomodoro originari e su campioni torrefatti in condizioni differenti. Le
diverse curve, ottenute ponendo i campioni alle condizioni definite nei materiali e metodi
(temperatura di 30°C e umidità relativa del 100%), mostrano l’incremento di peso registrato nel
tempo da ciascun campione.
Figura 5.2.9 - Curve di igroscopicità relative ai diversi campioni torrefatti (T26÷T32) posti a confronto con la biomassa
di partenza e il carbone fossile in ambiente controllato: T=30°C e RH=100%. L’assorbimento di acqua viene espresso
come incremento di peso (in percentuale su peso secco) nel tempo (in ore)
18%
16%
14%
Aumento di peso
12%
10%
8%
6%
4%
2%
0%
0
24
T26 (282 C;30min)
T29 (214 C;60min)
T32 (316 C;30min)
48
Tempo (ore)
T27 (248 C;30min)
T30 (248 C;60min)
B4 (t.q.)
72
96
T28 (214 C;30min)
T31 (282 C;60min)
Carbone fossile
Osservando la figura è evidente come, all’aumentare della severità del trattamento di
torrefazione, i campioni assorbano meno e più lentamente l’umidità, raggiungendo, dopo 4 giorni,
valori di circa l’8% nel campione torrefatto a 316°C. Valore questo effettivamente basso, se si
considera che l’umidità dell’ambiente di conservazione è a saturazione (100%).
122
Test di torrefazione di sansa esausta, vinaccia vergine, paglia di colza, stocchi di
girasole e panello di girasole
 Sansa esausta
In tabella 5.2.4 sono riassunti i risultati delle analisi dei torrefatti di sansa prodotti alle diverse
condizioni operative. Si nota facilmente come condizioni di torrefazione più spinte, temperature
più elevate e/o tempi di trattamento più lunghi, siano associate ad un aumento del contenuto in
carbonio (C) e quindi del potere calorifico (PCS e PCI) e dell’indice di concentrazione energetica
(Ice). Comportamento opposto si ha per la resa in massa (Rm) e la resa energetica (Re).
Infatti, nelle condizioni più critiche, la resa in massa raggiunge valori di poco superiori al 50%,
mentre la resa energetica si attesta al di sopra del 70%.
Tabella 5.2.4 - Sansa esausta - Analisi dei prodotti torrefatti (media dei risultati di due ripetizioni)
T
t
Rm
Re
°C
min
-
-
100
100
200
30
93.66
200
60
230
Ice
PCS
PCI
kJ/kg daf
kJ/kg daf
1.00
21326
19919
51.97
6.83
0.43
40.76
1.57
0.59
4.59
97.06
1.04
21987
20642
53.51
6.53
0.68
39.29
1.46
0.55
4.85
90.58
94.93
1.05
22304
20890
56.86
6.87
0.40
35.88
1.44
0.48
5.85
30
82.64
89.48
1.08
22951
21566
58.02
6.72
0.48
34.78
1.38
0.45
7.80
230
60
80.43
89.16
1.11
23454
22081
60.11
6.67
0.49
32.74
1.32
0.41
7.30
260
30
58.63
76.43
1.30
27210
25966
68.78
6.04
0.64
24.54
1.05
0.27
8.10
260
60
51.72
73.51
1.42
29514
28308
72.79
5.86
0.72
20.65
0.96
0.21
10.00
% daf
C
H
N
O
H/C
O/C
% daf
Ceneri
% s.s.
Gli effetti del trattamento di torrefazione vengono meglio descritti mostrando i risultati in forma
grafica: nelle figure 5.2.10 e 5.2.11 sono riportati i valori di resa in massa, resa energetica e potere
calorifico inferiore in funzione della temperatura di torrefazione e applicando, rispettivamente,
un’isoterma di 30 e 60 minuti.
Figura 5.2.10 - Andamento, in funzione della temperatura, delle rese di processo (resa in massa, “Rm”, e rese
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di sansa esausta torrefatti a 30 minuti
100,00
29.000
95,00
90,00
27.000
25.000
80,00
75,00
23.000
70,00
21.000
65,00
60,00
Rm
Re
PCI
55,00
50,00
180
190
200
210
220
230
240
Temperatura (°C)
123
250
260
270
19.000
17.000
280
PCI(kJ/kg)
Resa (%)
85,00
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di sansa esausta torrefatti a 60 minuti
100,00
29.000
95,00
90,00
27.000
25.000
80,00
75,00
23.000
70,00
PCI(kJ/kg)
Resa (%)
85,00
21.000
65,00
60,00
Rm
Re
PCI
55,00
50,00
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
19.000
17.000
280
Temperatura (°C)
 Vinaccia vergine
In tabella 5.2.5 sono riassunti i risultati delle analisi dei torrefatti di vinaccia prodotti alle diverse
condizioni operative. Anche per questa biomassa residuale, ritenuta piuttosto eterogenea dal
punto di vista della composizione organica (vedere curva DTG, figura 5.2.4), si può osservare come
a temperature più elevate e/o tempi di trattamento più lunghi, si associ un aumento del
contenuto in carbonio (C) e una diminuzione della presenza di ossigeno (O). Ne consegue un
aumento del potere calorifico (PCS e PCI) e dell’indice di concentrazione energetica (Ice).
Resa in massa (Rm) e resa energetica (Re) confermano, invece, un andamento decrescente
raggiungendo, alle condizioni più critiche, valori rispettivamente inferiori al 65% e superiori
all’85%.
Tabella 5.2.5 – Vinaccia vergine - Analisi dei prodotti torrefatti (media dei risultati di due ripetizioni)
T
t
Rm
Re
°C
min
-
-
100
100
180
30
90,90
180
60
220
Ice
PCS
PCI
kJ/kg daf
kJ/kg daf
1,00
22413
21013
54.76
6.79 1.87
36.58
1.48 0.50
7.70
94,62
1,04
23192
21878
59.56
6.38 2.12
31.93
1.28 0.40
8.65
86,64
93,60
1,08
24093
22707
60.42
6.73 2.15
30.70
1.33 0.38
9.05
30
84,80
95,10
1,12
24851
23568
62.01
6.23 1.92
29.85
1.20 0.36
9.60
220
60
78,51
92,55
1,18
26082
24774
64.65
6.35 2.13
26.87
1.17 0.31
10.20
260
30
66,54
87,78
1,32
28976
27719
71.59
6.11 2.42
19.88
1.02 0.21
10.90
260
60
63,87
86,91
1,36
29904
28596
73.58
6.35 2.45
17.62
1.03 0.18
12.20
% daf
C
H
N
O
H/C
O/C
% daf
Ceneri
% s.s.
Nelle figura 5.2.12 e 5.2.13 sono riportati in forma grafica i valori di resa in massa, resa energetica
e potere calorifico inferiore in funzione della temperatura di torrefazione e applicando,
rispettivamente, un’isoterma di 30 e 60 minuti.
124
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di vinaccia torrefatti a 30 minuti
100,00
29.000
95,00
90,00
27.000
25.000
80,00
75,00
23.000
70,00
PCI(kJ/kg)
Resa (%)
85,00
21.000
65,00
60,00
Rm
Re
PCI
55,00
50,00
180
190
200
210
220
230
240
250
260
270
19.000
17.000
280
Temperatura (°C)
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di vinaccia torrefatti a 60 minuti
100,00
95,00
29.000
90,00
27.000
25.000
80,00
75,00
23.000
70,00
PCI(kJ/kg)
Resa (%)
85,00
21.000
65,00
Rm
Re
PCI
60,00
55,00
50,00
180
200
220
240
260
19.000
17.000
280
Temperatura (°C)
 Paglia di colza
I risultati del trattamento di torrefazione del residuo colturale della colza sono riportati nella
tabella 5.2.6. Condizioni di torrefazione più spinte determinano anche per questo materiale un
aumento del contenuto in carbonio, una riduzione del contenuto di ossigeno, un aumento del
potere calorifico (PCS e PCI) e dell’indice di concentrazione energetica (Ice) associato
inevitabilmente ad una diminuzione della resa in massa (Rm) e della resa energetica (Re). La prima
raggiunge valori di poco superiori al 60% mentre la seconda si attesta intorno all’85%.
125
Tabella 5.2.6 - Paglia di colza - Analisi dei prodotti torrefatti (media dei risultati di due ripetizioni)
T
t
Rm
Re
°C
min
-
-
100
100
210
30
87.86
210
60
230
Ice
PCS
PCI
kJ/kg daf
kJ/kg daf
1.00
19287
18007
48.71
6.22 0.93
44.15
1.52 0.68
7.51
99.00
1.13
21642
20290
52.62
6.57 1.06
39.77
1.49 0.57
9.15
80.05
95.35
1.19
22783
21450
54.76
6.47 0.86
37.91
1.41 0.52
10.20
30
75.09
91.77
1.22
23365
22010
57.10
6.58 0.98
35.35
1.37 0.46
10.25
230
60
72.81
89.96
1.24
23600
22249
57.42
6.56 1.06
34.98
1.36 0.46
10.90
250
30
65.34
87.06
1.33
25334
23994
60.75
6.51 0.96
31.80
1.28 0.40
12.60
250
60
60.94
84.32
1.38
26243
24918
62.18
6.43 1.00
30.39
1.23 0.37
13.10
% daf
C
H
N
O
H/C
O/C
% daf
Ceneri
% s.s.
Si riportano in forma grafica i principali risultati ottenuti trattando la paglia di colza alle diverse
condizioni operative (figura 5.2.14 e 5.2.15).
100,00
25000
95,00
24500
90,00
24000
85,00
23500
80,00
23000
75,00
22500
70,00
22000
65,00
21500
Rm
Re
PCI
60,00
55,00
50,00
205
210
215
220
225
230
235
Temperatura (°C)
126
240
245
250
21000
20500
20000
255
PCI(kJ/kg)
Resa (%)
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di paglia di colza torrefatti a 30 minuti
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di paglia di colza torrefatti a 60 minuti
100,00
25.500
95,00
25.000
90,00
24.500
85,00
Resa(%)
23.500
75,00
23.000
70,00
PCI(kJ/kg)
24.000
80,00
22.500
65,00
22.000
60,00
55,00
Rm
Re
21.500
PCI
50,00
21.000
200
210
220
230
240
250
260
Temperatura(°C)
 Stocchi di girasole
I risultati della caratterizzazione dei prodotti torrefatti degli stocchi di girasole sono riportati,
insieme alle rese di processo, nella tabella 5.2.7.
Mentre il potere calorifico e l’indice di concentrazione energetica evidenziano un aumento, la resa
in massa e la resa energetica confermano il solito andamento decrescente e attestandosi, alle
condizioni più critiche, su valori rispettivamente di 60% e 80%.
Tabella 5.2.7 - Stocchi di girasole - Analisi dei prodotti torrefatti (media dei risultati di due ripetizioni)
T
t
Rm
Re
°C
min
-
-
100
100
195
30
87.01
195
60
215
Ice
PCS
PCI
kJ/kg daf
kJ/kg daf
1.00
18814
17651
47.31
5.64 1.09
45.96
1.42 0.73
11.57
94.65
1.09
20401
19201
51.44
5.83 1.19
41.56
1.35 0.61
13.90
85.58
93.16
1.09
20491
19215
51.09
6.20 1.21
41.51
1.45 0.62
13.50
30
76.69
89.26
1.16
21795
20545
52.52
6.07 1.33
40.09
1.38 0.58
14.80
215
60
74.10
88.32
1.19
22338
21044
55.49
6.28 1.26
36.98
1.35 0.50
16.45
235
30
69.55
85.72
1.23
22990
21754
55.17
6.00 1.30
37.54
1.30 0.51
16.70
235
60
60.44
80.10
1.33
24565
23398
58.25
5.67 1.37
34.72
1.16 0.45
17.80
% daf
C
H
N
O
H/C
O/C
% daf
Ceneri
% s.s.
Si riportano in forma grafica i principali risultati ottenuti dal trattamento degli stocchi di girasole
alle diverse condizioni operative (figura 5.2.16 e 5.2.17).
127
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di stocchi di girasole torrefatti a 30 minuti
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di stocchi di girasole torrefatti a 60 minuti
 Panello di girasole
La tabella 5.2.8 mostra i risultati ottenuti dall’analisi dei torrefatti del panello di girasole:
analogamente a quanto osservato per le altre biomasse, anche in questo caso una torrefazione più
spinta, come temperatura e/o tempo di torrefazione, porta ad un incremento nel contenuto di
carbonio e del potere calorifico e, parallelamente, ad una riduzione della resa in massa ed della
resa energetica.
128
Tabella 5.2.8 - Panello di girasole - Analisi dei prodotti torrefatti (media dei risultati di due ripetizioni)
T
t
Rm
Re
°C
min
-
-
100
100
200
30
91.70
200
60
230
Ice
PCS
PCI
kJ/kg daf
kJ/kg daf
1.00
23704
22098
55.17
7.80 3.47
33.56
1.68 0.46
4.71
98.87
1.08
25349
23827
58.19
7.39 4.29
30.15
1.52 0.39
5.15
90.69
97.08
1.07
25209
23655
59.16
7.55 3.70
29.59
1.52 0.38
5.20
30
81.09
92.20
1.14
26691
25130
63.92
7.58 4.55
23.96
1.41 0.28
5.90
230
60
78.18
92.41
1.18
27692
26123
63.74
7.62 4.08
24.57
1.42 0.29
5.80
260
30
71.97
89.88
1.25
29150
27600
67.69
7.53 4.89
19.90
1.33 0.22
6.40
260
60
64.08
85.27
1.33
31004
29429
71.48
7.64 4.75
16.14
1.28 0.17
7.30
% daf
C
H
N
O
H/C
O/C
% daf
Ceneri
% s.s.
Nelle figura 5.2.18 e 5.2.19 sono riportati in forma grafica i valori di resa in massa, resa energetica
e potere calorifico inferiore in funzione della temperatura di torrefazione e applicando,
rispettivamente, un’isoterma di 30 e 60 minuti.
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di panello di girasole torrefatti a 30 minuti
129
energetica, “Re”) e del potere calorifico inferiore (PCI) in campioni di panello di girasole torrefatti a 60 minuti
Diagrammi di Van Krevelen di sansa esausta, vinaccia vergine, paglia di colza, stocchi di
girasole e panello di girasole
Il trattamento di torrefazione determina in tutte le biomasse modifiche a livello della struttura
organica. In tutti i casi studiati si osserva, infatti, un incremento della concentrazione di carbonio
(C) associato ad una diminuzione del contenuto di ossigeno (O). La concentrazione di idrogeno (H),
invece, oscilla senza mostrare un andamento ben definibile.
Complessivamente la struttura dei torrefatti tende ad assumere una composizione che,
all’aumentare della severità del processo stesso, assomiglia sempre di più a quella di combustibili
solidi tradizionali (es. struttura idrocarburica del carbone fossile).
Riportando graficamente, per ogni materiale, gli indici O/C (in ascissa) e H/C (in ordinata) di
ciascun torrefatto, espressi come rapporto atomico, si ottengono i cosiddetti “Diagrammi di Van
Krevelen”. Questi diagrammi mettono in evidenza proprio le modifiche strutturali e ci consentono
di interpretare meglio l’effetto del trattamento di torrefazione sulla qualità delle biomasse da
usare in combustione.
Nelle figure che seguono si riportano i diagrammi di Van Krevelen di ciascun materiale.
130
Figura 5.2.20 - Diagramma di Van Krevelen ottenuto dalla caratterizzazione elementare di sansa esausta t.q. e
torrefatta a differenti condizioni. Si riporta anche il carbon fossile per un confronto (Fonte dato carbon fossile:
Phyllis/ECN, 1998)
1,6
Sansa t.q. (SD)
SD200x30R1
1,4
SD200x30R2
H/C
SD200x60R1
SD200x60R2
1,2
SD230x30R1
SD230x30R2
1,0
SD230x60R1
SD230x60R2
SD260x30R1
0,8
SD260x30R2
SD260x60R1
0,6
SD260x60R2
0,0
0,2
0,4
0,6
0,8
O/C
Carbon Fossile
Figura 5.2.21 - Diagramma di Van Krevelen ottenuto dalla caratterizzazione elementare di vinaccia t.q. e torrefatta a
differenti condizioni. Si riporta anche il carbon fossile per un confronto (Fonte dato carbon fossile: Phyllis/ECN, 1998)
1,6
Vinaccia t.q. (VV)
VV180x30R1
1,4
VV180x30R2
H/C
VV180x60R1
VV180x60R2
1,2
VV220x30R1
VV220x30R2
1,0
VV220x60R1
VV220x60R2
VV260x30R1
0,8
VV260x30R2
VV260x60R1
0,6
VV260x60R2
0,0
0,2
0,4
O/C
131
0,6
Carbon Fossile
Figura 5.2.22 - Diagramma di Van Krevelen ottenuto dalla caratterizzazione elementare di paglia di colza t.q. e
torrefatta a differenti condizioni. Si riporta anche il carbon fossile per un confronto (Fonte dato carbon fossile:
Phyllis/ECN, 1998)
1,6
Paglia t.q. (PC)
PC210x30R1
1,4
PC210x30R2
H/C
PC210x60R1
PC210x60R2
1,2
PC230x30R1
PC230x30R2
1
PC230x60R1
PC230x60R2
PC250x30R1
0,8
PC250x30R2
PC250x60R1
0,6
PC250x60R2
0
0,2
0,4
0,6
0,8
O/C
Carbon Fossile
Figura 5.2.23 - Diagramma di Van Krevelen ottenuto dalla caratterizzazione elementare di stocchi di girasole t.q. e
torrefatti a differenti condizioni. Si riporta anche il carbon fossile per un confronto (Fonte dato carbon fossile:
Phyllis/ECN, 1998)
1,6
Stocco t.q. (SG)
SG195x30R1
1,4
SG195x30R2
SG195x60R1
SG195x60R2
H/C
1,2
SG215x30R1
SG215x30R2
1
SG215x60R1
SG215x60R2
SG235x30R1
0,8
SG235x30R2
SG235x60R1
0,6
0
0,2
0,4
0,6
O/C
132
0,8
SG235x60R2
Carbon Fossile
Figura 5.2.24 - Diagramma di Van Krevelen ottenuto dalla caratterizzazione elementare di panello di girasole t.q. e
torrefatto a differenti condizioni. Si riporta anche il carbon fossile per un confronto (Fonte dato carbon fossile:
Phyllis/ECN, 1998)
1,8
Panello t.q. (PG)
PG200x30R1
1,6
PG200x30R2
PG200x60R1
H/C
1,4
PG200x60R2
PG230x30R1
1,2
PG230x30R2
PG230x60R1
1
PG230x60R2
PG260x30R1
0,8
PG260x30R2
PG260x60R1
0,6
PG260x60R2
0
0,1
0,2
0,3
O/C
0,4
0,5
Carbon Fossile
Per tutte le biomasse il diagramma di Van Krevelen mette ben in evidenza come, aumentando la
severità delle condizioni di torrefazione, si ottengano prodotti con caratteristiche strutturali
sempre più simili al carbon fossile (combustibile solido tradizionale) e anche come i torrefatti
tendano ad acquisire proprietà idrofobiche (tipiche degli idrocarburi apolari).
133
5.3 TRATTAMENTI DI TORREFAZIONE CONDOTTI PRESSO IL DTU
A differenza dei trattamenti eseguiti presso il D3A dell’Università Politecnica delle Marche, la
scelta delle condizioni di torrefazione, adottate per la conduzione dei test presso il centro di
ricerca del DTU, non è stata basata su uno studio termogravimetrico preliminare delle biomasse,
bensì prendendo spunto dalla letteratura.
RISULTATI DEI TEST DI TORREFAZIONE E DELLA CARATTERIZZAZIONE
I risultati dei test di torrefazione e delle analisi del potere calorifico sono riportati in forma
sintetica nella tabella che segue.
Tabella 5.3.1 - Analisi dei prodotti torrefatti
T
Materiale
Cippato di
abete
Vinaccia
fermentata
Residuo di
pomodoro
t
Rm
Re
Ice
PCS
PCI
-1
C
-
MJ kg
daf
21,43
MJ kg
daf
20,08
89,99 91,72
1,02
21,78
60
81,32 86,65
1,07
300
60
54,84 73,57
-
-
220
60
260
°C
min
-
-
220
60
260
% daf % daf
N
O
Ceneri Olio
% daf % daf % daf % daf
% s.s.
% daf
51,07
6,34
0,43
42,17
0,43
nd
20,47
51,70
6,17
0,43
41,70
0,55
nd
22,68
21,40
54,75
6,02
0,40
38,83
0,74
nd
1,34
28,09
26,94
66,69
5,42
0,45
27,44
0,74
nd
-
24,75
23,40
51,78
6,34
2,10
39,77
10,65
6,08
91,44 95,61
1,05
25,91
24,47
59,74
6,78
3,08
30,40
8,58
9,67
60
80,79 97,03
1,20
29,57
28,11
68,99
6,92
3,11
20,97
11,05
10,89
300
60
60,36 82,70
1,37
33,47
32,06
73,42
6,62
4,83
15,13
12,69
13,00
-
-
-
27,14
25,51
55,85
7,70
4,60
31,85
3,80
1,64
220
60
88,59 95,61
1,08
29,30
27,53
62,65
8,34
4,03
24,98
4,26
6,28
260
60
80,82 95,63
1,18
32,03
30,18
68,71
8,70
3,60
18,99
4,37
10,06
300
60
69,19 90,18
1,30
35,01
33,25
72,60
8,32
3,57
15,46
4,86
13,38
100
100
100
100
100
100
-
H
-1
Come atteso i test producono torrefatti contraddistinti da un potere calorifico più elevato rispetto
al materiale di partenza. Alle condizioni di torrefazione più severe si riscontrano valori superiori
del 30% al valore iniziale. Questa performance è comunque accompagnata da una perdita in
massa variabile tra il 30 ed il 45% circa. Le prestazioni presentano comunque delle variazioni tra le
tre biomasse analizzate che, in generale, differiscono anche dai risultati ottenuti con le esperienze
condotte in Italia, evidenziando rendimenti energetici tendenzialmente più elevati. Ciò si ritiene
sia da imputare alle diverse caratteristiche dei materiali utilizzati in questi test rispetto alle
sperimentazioni precedenti. Ad esempio nel caso della vinaccia i risultati ottenuti si riferiscono a
materiali privi di raspi mentre nei test precedenti componenti erano presenti (tuttavia per la
vinaccia i risultati sono abbastanza in linea fra i diversi test condotti in Italia e in Danimarca). Allo
stesso modo il residuo di pomodoro nel corso di questa sperimentazione è caratterizzato dalla
presenza di bucce e semi, a differenza del precedente lavoro in cui si era fatto ricorso solo alle
buccette (separate manualmente in fase di preparazione del campione). In aggiunta si consideri
che, grazie alle maggiori dimensioni del reattore di torrefazione adoperato in questi test, sono
stati trattati quantitativi di campione maggiori di un ordine di grandezza e rispettando le pezzature
originali dei residui stessi (così come sono stati reperiti). La biomassa utilizzata è quindi meno
134
raffinata (omogeneizzata) e ciò potrebbe aver determinato un cambiamento nel comportamento
del materiale all’interno del reattore. Ad ogni modo, questi dati e le relative considerazioni sono
riportati principalmente a fini informativi. Di fatto, come anticipato in precedenza, i test di
torrefazione eseguiti nell’ambito di questa seconda sperimentazione sono stati condotti per poter
disporre di materiali in quantità utili alla misura di alcune proprietà fisiche dei torrefatti e anche
per verificare la possibilità di produrre pellet.
Le biomasse residuali utilizzate in questa fase sono senz’altro rappresentative del settore
agroalimentare italiano ma non possono essere considerate prettamente lignocellulosiche. Infatti
sono entrambe costituite da componenti che presentano un certo contenuto di sostanze lipidiche
(presenza di vinaccioli nelle vinacce e di semi nei residui della trasformazione del pomodoro). Il
contenuto di questi oli è stato quindi determinato con metodo Soxhlet in tutti i materiali (sia tal
quali che torrefatti) e i risultati sono riportati nella colonna all’estrema destra della tabella 5.3.1.
È possibile osservare per entrambi i materiali un aumento della concentrazione di olio
proporzionale al grado di torrefazione. Ciò può dipendere essenzialmente da due fenomeni: la
minore (o assente) degradazione dell’olio rispetto alla componente organica emicellulosica alle
temperature di torrefazione testate oppure dalla sintesi, e quindi all’aumento di concentrazione,
di certe matrici oleose (“estraibili” con solvente apolare) tipiche dei processi pirolitici (olio
pirolitico o “tar”).
Figura 5.3.1 - Singoli campioni di biomassa grezza tal quale (t.q.) e a diversi trattamenti di temperatura x tempo
t.q.
220x60 260x60 300x60
Cippato
di abete
Vinaccia
Residuo di
pomodoro
135
MONITORAGGIO DEL PROCESSO DI MACINAZIONE

Analisi dell’energia di macinazione
Nella tabella 5.3.2 si riportano i consumi energetici unitari registrati durante la macinazione di
cippato di abete, vinaccia e residuo di pomodoro. I valori di ciascuna biomassa di partenza
vengono messi a confronto con i risultati dei rispettivi prodotti torrefatti.
Riportando graficamente i risultati mostrati in tabella, è possibile osservare – in particolare per il
cippato di abete – come, adottando condizioni di torrefazione via via più severe, si riesca ad
ottenere una notevole riduzione del consumo di energia di macinazione.
A proposito delle biomasse residuali, invece, si nota come la macinazione comporti un consumo
energetico estremamente basso, se confrontato con il materiale legnoso, non solo nei materiali
torrefatti ma anche nella biomassa di partenza. Ciò, di fatto, sembra rendere il contributo del
trattamento di torrefazione praticamente inutile in tal senso.
Tabella 5.3.2 - Consumo energetico unitario della macinazione di cippato di abete, vinaccia e residuo di pomodoro.
Confronto fra le biomasse di partenza ed i rispettivi prodotti torrefatti
Materiale
Cippato
di abete
Target
Temp.
(°C)
Tempo
Resid.
(min)
Energia di
macinazione
(J g-1)
-
-
629.06
220
60
274.56
260
60
164.49
300
60
43.61
Figura 5.3.2 - Energia unitaria consumata per la macinazione di
cippato di abete, vinaccia e residuo di pomodoro. Confronto fra le
biomasse di partenza ed i rispettivi prodotti torrefatti
Grinding energy consumption
700
-
18.02
220
60
5.31
260
60
4.52
300
60
4.07
-
-
7.58
220
60
6.59
260
60
6.46
300
60
9.37
Red Spruce
Energy consumption (J/g)
Vinaccia
fermentata
-
600
500
Grape Marc
Tomato Residue
400
300
200
100
Residuo di
pomodoro

0
Original
material
220x60
260x60
300x60
Distribuzione granulometrica delle particelle
I risultati delle analisi della distribuzione granulometrica delle particelle, effettuate su ciascun
materiale subito dopo la macinazione con il mulino da caffè, vengono rappresentati graficamente
nelle figure che seguono (figure 5.3.3, 5.3.4 e 5.3.5). Si riportano, in ogni figura, i risultati delle
analisi condotte su ciascuna biomassa, mettendo a confronto gli effetti dei differenti trattamenti
di torrefazione con il materiale di partenza. In tutti i casi si osserva un aumento delle particelle
medio-fini proporzionale alla severità del trattamento di torrefazione. Una differenza evidente,
che si nota confrontando i grafici dei tre materiali testati, consiste nell’assenza di particelle fini
(<0,075 mm) riscontrata nelle biomasse residuali. Ciò, molto probabilmente, dipende dalle
136
caratteristiche stesse dei materiali. Infatti, sia i residui di pomodoro che le vinacce hanno una
composizione molto più eterogenea rispetto al cippato d’abete e, come mostrato
precedentemente, contengono anche una certa quantità di sostanze grasse (presenti come
sostanze di riserva all’interno dei semi). Gli oli sono, con molta probabilità, responsabili della
formazione di piccoli aggregati tra le particelle fini i quali, non essendo in grado di attraversare i
setacci con le maglie più sottili, determinano una distribuzione delle particelle “anomala” (figure
5.3.4 e 5.3.5).
Figura 5.3.3 - Distribuzione granulometrica delle particelle del cippato di abete (tal quale e torrefatto) dopo
macinazione
Red Spruce PSD
40%
Spruce a.r.
220x60
Mass fraction of retained mass, %
35%
260x60
300x60
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
0,0
0,5
1,0
1,5
Particle geometric mean diameter on sieve, mm
137
2,0
Figura 5.3.4 - Distribuzione granulometrica delle particelle di vinaccia (tal quale e torrefatta) dopo macinazione
Grape marc PSD
45%
Grape marc a.r.
220x60
40%
260x30
300x60
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
0,0
0,5
1,0
1,5
2,0
Figura 5.3.5 - Distribuzione granulometrica delle particelle del residuo di pomodoro (tal quale e torrefatto) dopo
macinazione
Tomato Residue PSD
45%
Tomato residue a.r.
220x60
40%
260x30
300x60
35%
30%
25%
20%
15%
10%
5%
0%
0,0
0,5
1,0
1,5
138
2,0

Analisi dell’indice di macinabilità – Hardgrove Grindability Index (HGI)
I risultati dell’analisi di macinabilità per la determinazione dell’HGI sono riportati in tabella 5.3.3.
Questo test, che rappresenta un’analisi standard per il carbone, ha prodotto risultati solo per il
cippato di abete tal quale e torrefatto. Il test è invece fallito per tutti i campioni di biomasse
residuali.
Tabella 5.3.3 - Risultati dell’analisi dell’indice di macinabilità (HGI)
Materiale
Cippato
di abete
Vinaccia
fermentata
Residuo di
pomodoro
Target Temp.
(°C)
Tempo Resid.
(min)
Densità
(g cm-1)
HGIeq.
-
-
0.298
16.35
220
60
0.241
20.90
260
60
0.217
36.73
300
60
0.180
124.28
-
-
0.546
-
220
60
0.538
-
260
60
0.484
-
300
60
0.497
-
-
-
0.205
-
220
60
0.213
-
260
60
0.218
-
300
60
0.255
-
L’indice di macinabilità viene calcolato a partire dal contenuto percentuale di particelle fini (<0,075
mm), ottenuto dalla precedente analisi della distribuzione granulometrica delle particelle. Di
conseguenza, se non è possibile determinare la percentuale di particelle fini mediante
setacciatura, per lo stesso motivo non è nemmeno possibile calcolare l’HGI.
ANALISI DELL’IGROSCOPICITÀ DELLE BIOMASSE TAL QUALI E TORREFATTE
I risultati dei test di igroscopicità delle biomasse tal quali e torrefatte, condotti alla temperatura di
23°C e alle due condizioni di umidità, rispettivamente di 75.5% e di 92.5%, sono riportati nelle
figure a pagina seguente.
Registrando l’incremento di peso, causato dall’assorbimento di umidità nei diversi campioni, sia il
cippato d’abete che il residuo di pomodoro confermano la maggior igroscopicità dei campioni non
trattati (non torrefatti) mentre si riscontra un comportamento tendenzialmente più “idrofobico”
nei campioni torrefatti alle condizioni più severe.
139
Figura 5.3.6 - Assorbimento di umidità nel tempo di campioni di cippato di abete, tal quali e torrefatti, posti in
condizioni di temperatura di 23°C e di umidità relativa di 75.5% e di 92.5%
Figura 5.3.7 - Assorbimento di umidità nel tempo di campioni di vinaccia, tal quali e torrefatti, posti in condizioni di
temperatura di 23°C e di umidità relativa di 75.5% e di 92.5%.
Figura 5.3.8 - Assorbimento di umidità nel tempo di campioni di residuo di pomodoro, tal quali e torrefatti, posti in
condizioni di temperatura di 23°C e di umidità relativa di 75.5% e di 92.5%
140
Osservando, invece, l’andamento delle curve prodotte dai campioni di vinaccia, si nota
un’anomalia nel fenomeno (figura 5.3.7). I campioni torrefatti alle condizioni più severe (260°C e
300°C per 60 minuti) mostrano un comportamento più igroscopico rispetto ai campioni di
materiale non trattato o torrefatto alle condizioni meno severe (220°C per 60 minuti). Non si è in
grado di spiegare con certezza tale fenomeno ma si suppone che l’anomalia possa dipendere da un
probabile incremento della porosità nei torrefatti tale da determinare un assorbimento
dell’umidità per capillarità.
141
5.4 TRATTAMENTI DI RIMOZIONE DELLE CENERI
EFFETTI DEL TRATTAMENTO MECCANICO (SOFFIAGGIO DI ARIA COMPRESSA)
Come già spiegato nel capitolo dei materiali e metodi, prima di sottoporre le differenti biomasse
residuali al trattamento di rimozione delle ceneri tramite lisciviazione con acqua, si è ritenuto utile
verificare l’eventuale presenza di impurità sulla superficie delle particelle dei campioni stessi, così
da valutare l’effetto dei successivi lavaggi sulle reali ceneri contenute all’interno delle diverse
matrici organiche.
Tabella 5.4.1 - Effetto del trattamento meccanico (soffiaggio di aria compressa) sul contenuto in ceneri dei differenti
campioni di biomassa da sottoporre a trattamento di lisciviazione (media di almeno 2 ripetizioni)
CAMPIONE
Sansa
esausta
Vinaccia
vergine
Paglia colza
Stocchi
girasole
Panello
girasole
Ceneri in campione t.q.
% s.s.
2,06
8,46
6,29
10,69
5,35
Ceneri in campione
post-trattamento
% s.s.
2,09
6,66
5,71
7,92
5,37
Osservando la tabella 5.4.1 si nota un effetto evidente di tale trattamento su vinaccia e su stocchi
di girasole, mentre non si riscontrano risultati favorevoli in sansa esausta e panello di girasole. Su
paglia di colza l’effetto è modesto.
142
EFFETTO DEL TRATTAMENTO DI LISCIVIAZIONE (“WATER LEACHING”)
Sansa esausta
I campioni di sansa esausta, dopo esser stati opportunamente preparati e quindi trattati con aria
compressa, sono stati sottoposti a dei test di lavaggio con acqua distillata al fine di valutare
l’effetto della durata del trattamento e della temperatura dell’acqua sulla rimozione delle ceneri
mediante il processo di lisciviazione. I risultati sono riportati graficamente nella figura sotto.
Figura 5.4.1 - Rimozione delle ceneri in campioni di sansa esausta, precedentemente setacciati (particelle di
dimensione compresa tra 0,5 e 2,0 mm) e trattati con aria compressa, in funzione della durata del trattamento di
lavaggio e della temperatura dell’acqua (30 e 70°C). Diluizione “biomassa:acqua distillata” pari a 1:20
2,5
SDS 0,5-2,0 S (T=70°C)
2,0
SDS 0,5-2,0 S (T=30°C)
Ash (%)
1,5
1,0
0,5
0,0
0
5
10
15
20
Sampling time (min)
143
25
30
35
Vinaccia vergine
I campioni vinaccia, così come quelli di sansa esausta, dopo esser stati opportunamente preparati
e trattati con aria compressa, sono stati sottoposti a dei test di lavaggio con acqua distillata al fine
di valutare l’effetto della durata del trattamento e della temperatura dell’acqua sulla rimozione
delle ceneri mediante il processo di lisciviazione. I risultati sono riportati nella figura in basso.
Figura 5.4.2 - Rimozione delle ceneri in campioni di vinaccia, precedentemente setacciati (particelle di dimensione
compresa tra 0,5 e 2,0 mm) e trattati con aria compressa, in funzione della durata del trattamento di lavaggio e della
temperatura dell’acqua (30 e 70°C). Diluizione “biomassa:acqua distillata” pari a 1:20
7,0
6,0
VV 0,5-2,0 S (T=30°C)
VV 0,5-2,0 S (T=70°C)
Ash (% s.s.)
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
20
Sampling time (min)
144
25
30
35
Paglia di colza
Anche i campioni di paglia di colza, dopo esser stati opportunamente preparati e trattati con aria
compressa, sono stati sottoposti a dei test di lavaggio con acqua distillata al fine di valutare
l’effetto del fattore tempo e temperatura sulla rimozione delle ceneri mediante il processo di
lisciviazione. I risultati sono riportati nella figura seguente.
Figura 5.4.3 - Rimozione delle ceneri in campioni di paglia di colza, precedentemente setacciati (particelle di
6,0
5,0
PC 0,5-2,0 S (T=30°C)
PC 0,5-2,0 S (T=70°C)
Ash (% s.s.)
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
20
Sampling time (min)
145
25
30
35
Stocchi di girasole
Campioni di stocchi di girasole, preparati e trattati come gli altri, sono stati sottoposti a test di
lavaggio con acqua distillata al fine di valutare l’effetto del fattore tempo e temperatura sulla
rimozione delle ceneri mediante il processo di lisciviazione. I risultati sono riportati di seguito.
Figura 5.4.4 - Rimozione delle ceneri in campioni di stocchi di girasole, precedentemente setacciati (particelle di
9,0
8,0
SG 0,5-2,8 S (T=30°C)
7,0
SG 0,5-2,8 S (T=70°C)
Ash (% s.s.)
6,0
5,0
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
20
Sampling time (min)
146
25
30
35
Panello di girasole
In ultimo anche i campioni di panello di girasole, opportunamente preparati, sono stati sottoposti
ai medesimi test di lavaggio con acqua distillata per valutare l’effetto del tempo e della
temperatura sulla rimozione delle ceneri. I risultati sono riportati nel grafico sotto.
Figura 5.4.5 - Rimozione delle ceneri in campioni di stocchi di girasole, precedentemente setacciati (particelle di
6,0
5,0
PG 1,0-2,8 S (T=30°C)
PG 1,0-2,8 S (T=70°C)
Ash (% s.s.)
4,0
3,0
2,0
1,0
0,0
0
5
10
15
20
Sampling time (min)
147
25
30
35
FUNZIONI E COEFFICIENTI CHE DESCRIVONO L ’ANDAMENTO DELLA RIMOZIONE DI CENERE
I risultati dei diversi test di lisciviazione sono stati elaborati con il software TableCurve 2D v5.01 al
fine di individuare quelle funzioni che meglio descrivono il fenomeno per ciascun materiale
trattato. Nella tabella che segue si riportano i modelli individuati e i coefficienti caratteristici.
Tabella 5.4.2 - Funzioni che meglio descrivono il fenomeno della lisciviazione delle ceneri in ciascun materiale trattato.
Si riporta per ognuna R2 e coefficienti caratteristici
Materiale
Sansa esausta
Vinaccia vergine
Paglia di colza
Stocchi di girasole
Panello di girasole
Temp. (°C)
Funzione*
R2
a
b
30°C
y=a+bx0,5
0,9590
1,9961
-0,1501
70°C
y=a+bx0,5
0,8571
1,8348
-0,2078
30°C
y=a+be-x
0,9296
2,9575
3,8172
70°C
y=a+be-x
0,9856
2,0670
4,5124
30°C
y=a+be-x
0,9728
3,3418
2,4693
70°C
y=a+be-x
0,9654
2,9084
2,6558
30°C
y=a+be-x
0,9285
4,6311
3,4347
70°C
y=a+be-x
0,9797
4,1699
3,6096
30°C
y=a+bx0,5
0,9601
5,2754
-0,3878
70°C
y=a+bx0,5
0,9314
5,0686
-0,3086
* y = ceneri in % su s.s. e x = tempo di trattamento in minuti
Il fenomeno di lisciviazione della componente inorganica in sansa esausta e panello di girasole
viene descritto discretamente dalla funzione y=a+bx0,5 con cui si ottiene un R2 che oscilla tra
85,71% e 96,01%.
Per vinaccia, paglia di colza e stocchi di girasole, invece, il fenomeno è meglio descritto dalla
funzione y=a+be-x che produce un R2 compreso tra 92,85% e 98,56%.
148
5.5 TRATTAMENTI DI PELLETTIZZAZIONE
Seguono i risultati dei test di pellettizzazione condotti presso il centro di ricerca del DTU su
biomasse residuali (tal quali e torrefatte) e su cippato di abete (tal quale e torrefatto) utilizzato
come materiale di riferimento.
Nello specifico si riportano i risultati delle analisi di caratterizzazione condotte sui pellet ottenuti
mediante “Single pellet press unit” (dispositivo ideato e realizzato presso l’officina del DTU):
- determinazione della pressione di estrazione (o di attrito) dei pellet;
-
determinazione della massima resistenza a compressione.
DETERMINAZIONE DELLA PRESSIONE DI ATTRITO
Di seguito si mostrano alcune foto dei pellet prodotti con la Single pellet press adottando le
condizioni stabilite nel programma sperimentale e si riportano graficamente i risultati medi
dell’attrito sviluppato dal pellet durante la sua estrazione dal cilindro di pellettizzazione. I valori
sono espressi in termini di pressione applicata (MPa).
Figura 5.5.1 - Andamento della pressione di estrazione (o di attrito) registrata durante la produzione di pellet da
cippato di abete tal quale e torrefatto
45
40
35
Px (MPa)
30
25
200 MPa
20
400 MPa
15
10
5
0
Red
S220x60 S260x60 S300x60
Spruce a.r.
149
Px (MPa)
vinaccia tal quale e torrefatta
9
8
7
6
5
4
3
2
1
0
200 MPa
400 MPa
residuo di pomodoro tal quale e torrefatto
3
3
Px (MPa)
2
200 MPa
2
400 MPa
1
1
0
Tomato TR220x60 TR260x60 TR300x60
Residue
a.r.
150
residuo di pomodoro (non torrefatto) con aggiunta di lignina in percentuale variabile
14
12
200 MPa
400 MPa
Px (MPa)
10
8
6
4
2
0
100% TR a.r. 70%+30%
50%+50%
30%+70% 100% Lignina
Dall’analisi dei risultati si osserva, per l’abete, un aumento della pressione d’attrito proporzionale
alla severità del trattamento di torrefazione, confermando quanto riscontrato in letteratura (Stelte
2011). Per quanto riguarda la vinaccia, si osserva una riduzione della pressione causata dall’attrito
nei pellet ottenuti dal torrefatto a 300°C. Ciò potrebbe essere causato dalla presenza di olio che
funge da lubrificante. Questo, infatti, non essendo in grado né di volatilizzare, né di degradarsi,
alle temperature di torrefazione, tende inevitabilmente a concentrarsi, soprattutto alle condizioni
di trattamento più severe.
Per il residuo di pomodoro si osserva, invece, una notevole difficoltà nella produzione di pellet. Per
il materiale torrefatto ciò risulta addirittura impossibile alle condizioni testate. Questa biomassa
residuale, che da letteratura sembra essere ricca di lignina (componente che generalmente
favorisce l’adesione delle particelle durante la pellettizzazione), è anche piuttosto ricca di sostanze
grasse (olio nei semi e cere nelle bucce) che, se da un lato riducono l’attrito, e quindi il consumo
energetico del processo, dall’altro creano un film tra le particelle ostacolandone l’adesione stessa.
Mescolando il residuo di pomodoro con lignina si osservano dei miglioramenti ma, di fatto, i pellet
che si ottengono tendono a rompersi facilmente durante la fase di estrazione, soprattutto in
corrispondenza di quei punti che separano le fasi di produzione del singolo pellet (vedere foto in
figura 5.5.4).
151
ANALISI DELLA STABILITÀ DEI PELLET MEDIANTE DETERMINAZIONE DELLA MASSIMA RESISTENZA A
COMPRESSIONE
I risultati dell’analisi della stabilità dei pellet vengono riportati in forma grafica (figura 5.5.5) in
modo da rendere meglio evidenti le differenze tra i campioni e, quindi, l’influenza dei trattamenti
di torrefazione sul processo di pellettizzazione di ciascuna biomassa.
900
450
800
400
700
350
600
300
500
200 MPa
400
400 MPa
Force at Break (N)
Force at Break (N)
Figura 5.5.5 - I quattro grafici mostrano i valori della massima resistenza a compressione (media di più ripetizioni)
determinata, mediante misuratore di compressione Instron, su ciascuno dei pellet precedentemente ottenuti. In alto a
sinistra (con tonalità di grigio) i risultati dell’indagine condotta su pellet di abete (tal quale e torrefatto). In alto a
destra (in lilla) i risultati ottenuti su vinaccia (tal quale e torrefatta). In basso a sinistra (in rosa) i risultati dell’analisi
condotta sui pochi pellet di residuo di pomodoro ottenuti. In basso a destra (in marroncino) la resistenza a
compressione dei pellet ottenuti con le miscele di residuo di pomodoro e lignina
250
200 MPa
200
300
150
200
100
100
50
0
400 MPa
0
Red Spruce a.r.
S220x60
S260x60
S300x60
Grape Marc a.r.
GM220x60
40
500
35
450
200 MPa
400
400 MPa
GM260x60
GM300x60
50%+50%
30%+70%
30
20
200 MPa
400 MPa
15
Force at Break (N)
Force at Break (N)
350
25
300
250
200
150
10
100
5
50
0
0
Tomato Residue
a.r.
TR220x60
TR260x60
100% TR a.r.
TR300x60
70%+30%
100% Lignina
In tutti i materiali, ad eccezione del residuo di pomodoro (per il quale non è stato possibile
ottenere pellet da nessuno dei campioni torrefatti), si osserva una diminuzione della resistenza a
compressione – quindi di stabilità – nei pellet ottenuti dai materiali torrefatti. Il trattamento di
torrefazione, quindi, se da un lato riduce il costo energetico nelle operazioni di macinazione
(fenomeno molto evidente nel cippato di abete) sembra essere responsabile di un peggioramento
della stabilità dei pellet. Ciò si osserva soprattutto nei campioni torrefatti alle temperature più
152
elevate (260°C e soprattutto 300°C). Secondo quanto riscontrato in letteratura, questo fenomeno
sembra dipendere dal fatto che la torrefazione determina la degradazione termica di quei
costituenti che, per la loro struttura, sono maggiormente responsabili della formazione di legami
idrogeno. Di conseguenza, in fase di pellettizzazione, si riduce la possibilità per i polimeri organici
(in particolare emicellulosa e lignina) di creare legami tra le diverse particelle. La torrefazione,
inoltre, determinando anche un aumento della temperatura di transizione vetrosa della lignina e
delle emicellulose rimanenti, potrebbe determinare, alle condizioni di pellettizzazione testate,
persino una riduzione dell’interdiffusione di tali polimeri tra le particelle adiacenti.
153
6- CONCLUSIONI
Le stime condotte a livello nazionale evidenziano l’esistenza di un’ampia disponibilità di biomasse
residuali, provenienti da differenti comparti del settore agroalimentare, diffuse sul territorio e che
potrebbero essere vantaggiosamente destinate ad una valorizzazione in ambito energetico.
Le analisi di caratterizzazione condotte sulle diverse biomasse residuali oggetto di questo studio
ne confermano l’elevata variabilità in termini di proprietà fisiche e chimiche. Nello specifico si
osservano tassi di umidità che oscillano dal 9,7 %, riscontrato nel panello di girasole, a valori
superiori al 70 % osservati nei residui della trasformazione del pomodoro. Le analisi
termogravimetriche mettono bene in evidenza l’eterogeneità della frazione organica che si rivela
tendenzialmente lignocellulosica per alcune biomasse (sansa esausta, paglia di colza, stocchi di
girasole) mentre risulta molto più complessa in altri (bucce di pomodoro, vinaccia, panello di
girasole) per la presenza di matrici differenti (oli, cere). Anche la componente inorganica è
presente in quantità variabili nelle diverse biomasse residuali, con valori che vanno dal 2,2 % nelle
buccette di pomodoro (3,8 % nei residui di pomodoro tal quali – “bucce + semi”) all’11,6 % negli
stocchi di girasole. Tali valori sono decisamente superiori a quanto riscontrato nelle biomasse
legnose di riferimento: 0,7 % nel legno di faggio e a 0,4 % nel cippato di abete. La concentrazione
energetica, tuttavia, si rivela piuttosto interessante, in particolare per quanto riguarda il residuo di
pomodoro, la vinaccia fermentata ed il panello di girasole dove si riscontrano valori dei PCI
rispettivamente di 25,5 MJ/kg (26,0 MJ/kg nelle buccette), 23,4 MJ/kg e di 22,1 MJ/kg, contro
valori di 18,3 e 20,1 MJ/kg per legno di faggio e cippato di abete.
Va inoltre sottolineato che la potenzialità nell’utilizzo energetico delle biomasse residuali è
confermata anche dal bilancio “zero” delle emissioni di CO2, dal costo ridotto o addirittura nullo
delle stesse e, come detto sopra, dall’ampia disponibilità e diffusione su tutto il territorio
nazionale.
Alcuni residui organici presentano una composizione estremamente eterogenea legata al fatto che
sono costituiti da un insieme di componenti diverse fra loro. Ne sono un esempio più che evidente
le vinacce ed il residuo della trasformazione industriale del pomodoro. Le prime, infatti sono
composte da vinaccioli, bucce ed eventualmente raspi10 mentre il residuo di pomodoro è costituito
prevalentemente da bucce e semi. Ne consegue che tali matrici potrebbero essere
vantaggiosamente separate e destinate rispettivamente ad una valorizzazione mirata ed
ottimizzata in funzione delle caratteristiche stesse di ciascuna componente.
Le analisi del contenuto in olio condotte nei vinaccioli e nei semi di pomodoro, separati dai
rispettivi residui, e le successive analisi del PCS e della composizione in acidi grassi degli oli
ottenuti con i test di estrazione meccanica, hanno confermato la potenziale convenienza di una
10
I raspi sono presenti per intero nelle vinacce derivanti dalla vinificazione in bianco ma solo in parte, ed in piccoli
frammenti, nelle vinacce derivanti dalla fermentazione in rosso, in quanto generalmente separati a monte della fase di
pigiatura dell’uva.
154
loro separazione finalizzata ad una successiva valorizzazione in ambito energetico, se non
addirittura alimentare. I test di estrazione meccanica condotti sulle matrici oleose in questione
hanno altresì dimostrano che è tecnicamente possibile estrarre meccanicamente l’olio con rese
relativamente elevate: dal 60% al 90% dell’olio totale contenuto.
Il trattamento di torrefazione condotto sulle diverse matrici si è dimostrato in grado di migliorarne
notevolmente le proprietà, sia dal punto di vista energetico (con un incremento del PCI espresso in
daf, alle condizioni di torrefazione più severe, mediamente superiore al 30 %; addirittura fino al 42
% nella sansa esausta) che dal punto di vista della stabilità/conservabilità (riduzione
dell’igroscopicità). Tuttavia, il “prezzo” che viene pagato in questo processo è l’inevitabile perdita
di massa, e quindi di energia, a carico del materiale trattato. Ciò dipende dall’allontanamento di
componenti organiche che si formano dalla degradazione termica delle macromolecole
(emicellulose, cellulose e lignine) e che volatilizzano con cinetiche diverse, caratteristiche di ogni
biomassa (ben evidenti nei rispettivi profili termogravimetrici). Nell’ambito della torrefazione, tali
processi trovano l’equilibrio quando viene raggiunto il compromesso tra standard qualitativo dei
prodotti – che deve essere funzionale all’utilizzo energetico che se ne vuole fare, e quindi alle
esigenze del sistema di conversione energetica alimentato – e massima resa del trattamento in
termini massici ed energetici.
Le condizioni operative tali da raggiungere questo equilibrio dipenderanno, quindi, oltre che da
una serie di valutazione di carattere tecnico-economico, anche dalla composizione e dalle
caratteristiche stesse delle biomasse oggetto del trattamento.
Osservando con attenzione le rese in massa e in energia ottenute durante i numerosi test
effettuati è inoltre possibile notare che, all’aumentare della temperatura e della durata del
trattamento, la resa in massa tende ad abbassarsi più velocemente rispetto alla resa energetica.
Ciò significa che la componente organica che si degrada, e volatilizza sotto forma di gas di
torrefazione durante il processo, possiede un contenuto energetico inferiore rispetto a quella che
resta o, in altri termini, che è dotata di una minore “qualità energetica”.
Entrando ancora di più nello specifico, le modifiche che il processo di torrefazione determina a
livello della struttura organica si ripercuotono in un aumento complessivo della concentrazione di
carbonio e, di pari passo, in una diminuzione della concentrazione di ossigeno. Questo fenomeno
rende la composizione elementare delle biomasse tanto più simili a quella dei combustibili solidi
tradizionali (torba, carbone) quanto maggiore è il grado di torrefazione. Ciò è illustrato
chiaramente nei diagrammi di Van Krevelen.
In linea di massima, non sembra un compito semplice individuare delle regole generali o dei
modelli assoluti con i quali prevedere il comportamento delle biomasse nell’ambito di processi di
torrefazione. Pertanto è necessario valutare, per ciascun caso di studio, le prestazioni ed il
comportamento delle singole biomasse alle varie condizioni termiche. Analogamente, non è
semplice trovare delle relazioni tra la composizione elementare delle biomasse e le performance
delle stesse in torrefazione. Tuttavia, sembra emergere che i materiali che possiedono una
struttura molecolare particolarmente ricca in ossigeno (quindi con O/C elevato), come stocchi di
girasole e paglia di colza, subiscono, quando sottoposti al trattamento termico, delle variazioni di
massa maggiori ma, allo stesso tempo, acquisiscono significativi benefici in termini di
155
concentrazione energetica. Tale effetto è più evidente alle temperature maggiori (sopra i 220°C
circa) e meno alle basse temperature (sotto i 200°C). In queste ultime condizioni, fattori di diversa
natura, come ad esempio la sensibilità dello strumento utilizzato, la variabilità della reattività e
della composizione delle olocellulose e, più in particolare, delle emicellulose nelle diverse
biomasse, potrebbero influenzare, rendendola più complessa, la lettura dei dati. In generale, è
presumibile che biomasse con valori elevati di O/C siano ricche soprattutto in emicellulose,
componenti più variabili della cellulosa e che tendono a volatilizzare a temperature inferiori. La
riduzione dell’O/C è infatti un indice importante per valutare una serie di aspetti, tra cui la
modifica strutturale a carico dei gruppi funzionali ossigenati, quali i gruppi ossidrilici. La variazione
di idrofobicità dei torrefatti è data proprio dalla minore presenza di tali gruppi dopo il trattamento
termico.
I test di macinabilità condotti sui prodotti tal quali e torrefatti hanno confermato la possibilità di
ridurre con la torrefazione i consumi energetici dell’operazione di macinatura, soprattutto per
quanto riguarda i materiali legnosi. Uno degli effetti dell’alta temperatura, infatti, è la
destrutturazione delle macromolecole a cui consegue una minore resistenza meccanica del
materiale quando sottoposto alla macinazione. Ciò si riflette fortemente sui consumi energetici
unitari di questo processo di lavorazione, nonché sulla produzione di particelle a granulometria
fine (come mostrato dall’analisi della distribuzione granulometrica), condizione particolarmente
ricercata nell’ambito di una combustione, o co-combustione, delle biomasse in quegli impianti
concepiti per essere alimentati a carbone. Tornando ai consumi energetici unitari della
macinazione, nel cippato di abete torrefatto a 300°C si osserva addirittura una riduzione che
supera il 90% rispetto a quanto registrato per la macinazione del prodotto non trattato.
Per quanto riguarda, invece, le biomasse residuali testate, la loro macinazione ha comportato un
consumo energetico unitario estremamente basso, non solo per i torrefatti, bensì anche per le
matrici di partenza, e l’assenza della componente granulometrica più fine.
A proposito del contenuto in ceneri, tendenzialmente elevato nelle biomasse residuali (come
osservato precedentemente), la torrefazione, come atteso, non determina effetti positivi. Si
osserva, bensì, un incremento della concentrazione dovuto al fatto che alle temperature
caratteristiche del processo si verificano alterazioni a carico solo della componente organica e non
della frazione inorganica. In certe biomasse, come ad esempio gli stocchi di girasole, la
concentrazione di ceneri, già alta nel materiale originale, raggiunge con la torrefazione valori
decisamente elevati (fino a quasi il 18 % in s.s. alle più severe condizioni testate).
I trattamenti di riduzione della frazione inorganica determinano risultati interessanti e aprono alla
possibilità di una loro applicazione in quelle realtà produttive dove si ha la disponibilità di calore in
eccesso da utilizzare, appunto, per ridurre i tempi di trattamento. Attorno al trattamento di
lavaggio per ridurre il contenuto di ceneri nei biocombustibili solidi, vi sono anche alcuni aspetti
collaterali che non vanno, però, sottovalutati, in quanto sono spesso causa di dubbi e perplessità.
Tra le questioni più rilevanti vi sono:
 le problematiche di gestione e/o smaltimento dell’acqua/soluzione di trattamento, carica
di residui inorganici ed organici;
156


la perdita di sostanza organica dalla biomassa, a seguito ad esempio dell’idrolisi
dell’emicellulosa e della cellulosa, che comporta inevitabilmente anche una certa perdita di
energia;
la necessità di essiccare il materiale sottoposto a lavaggio prima di una sua eventuale
valorizzazione energetica
La pellettizzazione è tecnicamente possibile, oltre che per l’abete, anche per la vinaccia mentre si
riscontrano alcune difficoltà per il residuo di pomodoro. I test condotti sulle matrici torrefatte
hanno fatto registrare un incremento della pressione di pellettizzazione proporzionale al grado di
torrefazione, con conseguente incremento dei consumi energetici. Il maggior costo energetico
della pellettizzazione dei torrefatti di abete è però controbilanciato dal minor consumo energetico
unitario della precedente fase di macinazione. Questa considerazione non vale tuttavia nel caso
della vinaccia, visti i suoi bassi consumi della macinazione. Le analisi della resistenza a
compressione, condotte su tutti i pellet prodotti con la Single Pellet Press Unit, hanno messo in
evidenza come, aumentando la severità del pre-trattamento di torrefazione, venga, di fatto,
compromessa la stabilità stessa dei pellet. Nonostante le criticità emerse, sulle quali sarebbe
interessante indirizzare ulteriori ricerche al fine di trovare soluzioni (ad es. testando altre
condizioni operative, verificando la possibilità di aggiungere additivi, creando miscele tra biomasse
differenti), va comunque sottolineato che combinando il trattamento di torrefazione con quello di
pellettizzazione è di fatto possibile aumentare sia la densità energetica che la densità di massa dei
materiali, con notevoli vantaggi in termini di efficienza di trasporto e stoccaggio.
I test e le misurazione condotte su vinaccia e residui di pomodoro hanno evidenziato risultati in
molti casi sostanzialmente differenti rispetto a quelli ottenuti con i prodotti ricavati dalla
torrefazione del legno d’abete. Le ragioni alla base di queste differenze sembrano trovarsi nella
diversa struttura e composizione delle biomasse e, soprattutto, nella presenza di componenti
“extra” lignocellulosiche che caratterizzano questi prodotti residuali dell’agroindustria. La matrice
lipidica presente nei semi di pomodoro e nei vinaccioli potrebbe aver giocato, nell’ambito dei test
sperimentali, un ruolo importante nel comportamento dei materiali torrefatti. Tali prodotti, infatti,
essendo il risultato della perdita del 30-40% della frazione lignocellulosica della biomassa iniziale,
presentano un aumento della frazione relativa di estraibili (cioè quelle sostanze, come oli, grassi o
altre componenti organiche, che possono essere estratte, e quindi determinate, con l’uso di
solventi apolari). Questo aspetto è stato messo in luce dalle analisi del contenuto in olio dei
torrefatti che ne ha confermato un incremento tanto maggiore quando più severe erano le
condizioni del trattamento termico. Tra l’altro non è da escludere che, oltre alla presenza di olio
vegetale, si sia generato con la torrefazione dell’olio pirolitico (o “tar”), rilevato poi della stessa
analisi del contenuto in olio.
Oltre a questi aspetti, non è da escludere che certe differenze tra le biomasse residuali ed il legno
possano anche dipendere dal modo con cui la struttura delle macromolecole è organizzata. Il
legno, ad esempio, è sostanzialmente strutturato in fibre: formate da cellule morte, con pareti
lignocellulosiche, in genere allungate, prive di contenuto cellulare e predisposte per offrire una
certa resistenza e rigidità lungo alcune direzioni di sviluppo della cellula stessa e della pianta. La
struttura della frazione lignocellulosica di vinacce e residui di pomodoro, invece, è
157
presumibilmente strutturata in modo diverso in ognuna delle rispettive componenti (bucce, semi,
raspi) ed è tale da fornire risposte meccaniche differenti dal legno. Questi aspetti possono avere in
parte condizionato il comportamento alla pellettizzazione di ciascun materiale testato ma, più che
da un punto di vista energetico (viste le basse pressioni meccaniche richieste per l’estrazione dalla
pressa dei rispettivi pellet), da un punto di vista tecnico, legato cioè alla difficoltà nell’ottenimento
di un prodotto stabile. Queste differenze di composizione e di struttura macromolecolare possono
allo stesso modo condizionare altre caratteristiche, come ad esempio la porosità (macro e micro)
del materiale e, di conseguenza, anche la capacità di trattenere umidità. In proposito, è
interessante osservare come per la vinaccia il trattamento a 220°C sia già sufficiente a determinare
la migliore prestazioni in termini di idrofobicità dei torrefatti. Ciò, evidentemente, è condizionato
proprio da specifiche caratteristiche di composizione, fisiche e chimiche.
Si conclude con una serie di considerazioni di carattere generale:
-
-
-
l’applicazione di trattamenti di torrefazione su biomasse diverse dal legno richiede una
conoscenza molto più approfondita della natura fisica e chimica del materiale, così da
poterne prevedere e comprendere il comportamento, sia durante il processo, soprattutto
per gli aspetti energetici, che sul prodotto finale;
lo studio empirico del processo di torrefazione è un passaggio fondamentale che, in
funzione delle prestazioni energetiche che si intendono ottenere dal torrefatto, deve
essere opportunamente programmato al fine di individuare le condizioni ottimali di
trattamento. Tale approccio è reso obbligatorio dalla forte variabilità costituzionale e
chimica delle varie biomasse, anche nell’ambito della stessa categoria di prodotto (basta
prendere l’esempio della vinaccia che, a seconda del tipo di vinificazione da cui si origina,
può contenere quantità variabili di vinaccioli, bucce e raspi, tutti elementi che presentano
caratteristiche e proprietà estremamente differenti);
in generale, ai fini di un migliore trattamento termochimico, si potrebbero suddividere le
biomasse in lignocellulosiche “pure” o “ibride”, a seconda della presenza di quote
significative di altre matrici organiche naturalmente presenti (es. matrici oleose) o prodotte
durante il processo stesso di torrefazione (es. oli pirolitici). Tutte queste componenti
organiche, qualora presenti nelle biomasse, possono determinare delle anomalie di
comportamento del materiale, sia originale che torrefatto, quando sottoposto a certe
lavorazioni, come le operazioni di macinazione e di pellettizzazione.
L’applicazioni di trattamenti alle biomasse residuali e l’analisi degli effetti che questi hanno sulle
loro proprietà, determinano risultati che non sempre sono in linea con i materiali legnosi di
riferimento. In particolare si riscontano differenze più evidenti confrontando materiali
prettamente lignocellulosici con biomasse più eterogenee, composte cioè da elementi
strutturalmente diversi, come matrici lipidiche (nei semi, panelli di estrazione), matrici
lignocellulosiche (fusti, raspi, bucce), matrici proteiche. Queste, infatti, producono risultati spesso
anomali ed in contro tendenza rispetto a quanto generalmente si ottiene trattando materiali
tradizionali. Di conseguenza, quando si intende verificare i possibili effetti di un trattamento (come
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ad esempio torrefazione o pellettizzazione) su materiali eterogenei, occorre necessariamente
testare il maggior numero di condizioni possibili, compatibilmente con le risorse a disposizione,
onde evitare di trarre considerazioni errate.
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3- trattamenti delle biomasse residuali

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