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Tecnica
ottobre 2011
la termotecnica
Energie da Biomasse
di F. Miccio, G. Ruoppolo, M. Fraganza
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Studio di un processo
termochimico per la valorizzazione
energetica di alghe marine
L’articolo presenta alcune considerazioni qualitative e quantitative sull’u-
L’alga poseidonia è una biomassa marina la cui deposizione ed accumulo lungo le coste dell’Italia rappresenta
un problema di natura ambientale di crescente rilevanza.
In passato la poseidonia era utilizzata come materiale da
imballaggio, costruzione, riempimento di manufatti e per
usi terapeutici. Tutti questi utilizzi sono stati abbandonati e
ad oggi la destinazione dell’alga depositata sulla spiagge
è la discarica. Destinazioni alternative sono allo studio con
diverse finalità, tra cui la valorizzazione come possibile fonte
naturale di materia ed energia. Infatti, se idoneamente trasformata in processi biochimici o termochimici può produrre
direttamente calore da combustione o da processi aerobici,
oppure generare sostanze chimiche di interesse per l’industria di processo tramite pirolisi, gassificazione o digestione
anaerobica. Sicuramente l’elevato contenuto di acqua e di
sale marino pone problemi non trascurabili allo sviluppo di
un idoneo processo di valorizzazione delle alghe.
La deposizione annua della poseidonia è pari a circa 125
t di materiale secco per chilometro di litorale [1], mettendo
in gioco numeri di rilievo. Come riportato da Mckendry [2]
le piante acquatiche sono più adatte a processi di conversione di tipo biologico per la loro elevata umidità rispetto
alle biomasse secche che possono invece essere impiegate in processi di tipo termico come pirolisi, gassificazione
e combustione. L’essiccazione del materiale tal quale va
pertanto considerata all’interno dell’economia generale del
processo. Cocozza et al. [1] hanno condotto uno studio in
cui analizzano e confrontano la possibilità di utilizzare la
poseidonia ai fini della produzione di biocarburante o per
compostaggio. Gli autori evidenziando che la parte fibrosa
(rizoma) può essere utilizzata per produrre energia avendo
un potere calorifico (LHV compreso tra 13.6 e 15.7MJkg-1)
paragonabile a quello di paglia e torba, mentre le sole foglie e i residui (LHV intorno a 10MJkg-1) potrebbero essere
destinate con e senza fibre alla produzione di compost. Gli
autori inoltre rilevano che la vicinanza alla riva, il tempo di
permanenza in spiaggia, l’esposizione alle piogge e al sole
inducono variazioni significative alle caratteristiche dei materiali accumulati. Ncibi et al. [3] hanno proposto di utilizzare
tilizzo dell’alga poseidonia in processi termochimici per la produzione di
energia. Uno dei principali problemi è costituito dall’elevato contenuto di
acqua e sale nel materiale tal quale. I calcoli termodinamici dimostrano
che il processo è ipotizzabile se il contenuto di umidità sia ridotto a 65% in
massa, utilizzando preferenzialmente la tecnologia a letto fluido. Tale valore
di umidità è ottenibile in modo naturale per prolungata esposizione al sole
o per pressatura/centrifugazione sul luogo di raccolta. La combustione sembra essere preferibile rispetto alla gassificazione indirizzando verso l’uso di
macchine a combustione esterna per lo stadio di generazione di energia.
Study on ThermO-chemical Processes for
Power Generation from Poseidonia ALGA
The paper presents some qualitative and quantitative reflections on the
utilization of Poseidonia alga in thermo-chemical processes for power
generation. The major problem arises from the high water and salt content
in the raw material. Thermodynamic calculations prove that the process
would be feasible, provided that the moisture is lower than 65% by mass.
In this case, the fluidized bed technology is preferable. Reducing the water
content of the alga can be obtained by natural evaporation in presence
of sun or by on-site mechanical pressing/centrifugation. The combustion
option appears preferable with respect to gasification, addressing toward
the adoption of external combustion devices for power generation.
le fibre di poseidonia piuttosto che per fini energetici diretti
per produrre char e carboni attivi. Infatti, il char ottenuto risulta avere a parità di condizioni di trattamento una struttura
mesoporosa con maggiore area superficiale rispetto a quella
ottenibile con altre biorisorse come per esempio la iuta o le
fibre di noce di cocco.
Di contro i successi nell’applicazione della tecnologia a letto
fluido ai processi termo-chimici con combustibili umidi [4,
5] aprono nuove prospettive per l’utilizzo della poseidonia
a fini energetici, soprattutto su piccola scala di impianto
(<1 MWt). Il presente articolo fornisce alcune preliminari
considerazioni sullo sviluppo di processi termo-chimici per
la valorizzazione energetica delle alghe con una tecnologia
che oltre ad essere affidabile e flessibile, possa anche essere
Prof. ing. Francesco Miccio, ing. Giovanna Ruoppolo, dott. Michela Fraganza
Istituto di Ricerche sulla Combustione - Consiglio Nazionale delle Ricerche, Napoli
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trasportabile per soddisfare le esigenze di lavorazione in siti
distribuiti sul territorio.
Caratterizzazione chimica e
pre-trattamento
La fotografia (Figura 1) mostra un campione di alga umida
ottenuto dal litorale limitrofo a Gallipoli (LE). Il campione di
poseidonia è stato sottoposto a caratterizzazione chimica
con le tecniche standard impiegate per i combustibili ed i
risultati sono riportati nel seguito.
figura 1 - Fotografia di un campione di alga
Poseidonia (tal quale)
Analisi immediata ed elementare e potere calorifico
Il contenuto di carbonio, idrogeno ed azoto è stata determinato con un analizzatore elementare CHN 2000 LECO.
Per questi test si introducono nell’apparecchio circa 20 mg
tabella 1 - Analisi immediata ed elementare del campione di poseidonia
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di campione. Il contenuto di C, H, N è ottenuto ossidando il
campione in O2 a 950 °C e misurando la concentrazione
dei gas prodotti mediante un detector a termo-conducibilità
per la determinazione dell’N2 (precedentemente ottenuto
dalla riduzione catalitica degli NOx prodotti durante la combustione) e due celle NDIR per la determinazione del C e
dell’H. I composti che potrebbero dar luogo a interferenza
vengono rimossi prima dell’analisi. Il contenuto di umidità,
volatili, carbonio e ceneri è stato determinato utilizzando misure termo-gravimentriche mediante una termobilancia TGA
701 LECO. La misura del potere calorifico è stata eseguita
utilizzando un calorimetro Parr 6200 con circa un grammo
di materiale macinato preventivamente essiccato in stufa a
120 °C e successivamente inserito nella bomba calorimetrica. Dopo il riempimento della bomba con ossigeno puro si
ha l’ignizione con un filamento di tungsteno. Lo strumento
misura l’incremento di temperatura di un bagno (2 L) di
acqua distillata contenuta in una camicia di raffreddamento.
I risultati ottenuti sono riportati sinteticamente nella Tabella 1. I
valori delle proprietà della poseidonia sono tipici di biomasse
per quanto riguarda il contenuto di volatili, di carbonio,
idrogeno ed ossigeno. Di contro, il contenuto di ceneri è
marcatamente superiore rispetto ad una biomassa legnosa,
rappresentando il 26% su base secca. Il potere calorifico su
base secca è leggermente inferiore a quello di un legno che
solitamente è di circa 18.000 MJ/kg.
Analisi delle ceneri
Sul campione essiccato di poseidonia è stata eseguita l’analisi elementare delle ceneri utilizzando un analizzatore a
ICP-MS (Inductively coupled plasma) Agilent 7500CE. Per
queste analisi circa 200 mg di campione vengono dissolte
in 9 ml di soluzione H2O2/HNO3 (2:7) e tenuti a 180 °C,
secondo il metodo US-EPA 3051. I risultati ottenuti sono
riportati nella Tabella 2. In accordo con i dati di letteratura
gli elementi presenti in concentrazioni più elevate sono Na,
Ca, Mg, e K probabilmente presenti sotto forma di cloruri.
Per verificare se la presenza di taluni elementi fosse dovuta
alla salinità superficiale, quindi eliminabile con un preventivo
lavaggio, un campione di alghe è stato lavato con acqua
distillata ed essiccato per poi eseguire l’analisi ICP-MS. Come
è possibile vedere dai dati riportati in Tabella 2 le quantità di
Na, K, Mg e Ca, risultano fortemente ridotte. La differenza
di concentrazione dei vari elementi è ovviamente attribuibile
al sale marino presente sulla superficie del materiale che è
stato eliminato con il lavaggio. In particolare Na e K risultano
ridotti circa del 96% mentre Ca e Mg hanno una riduzione
del 12 e 23% circa. Il risultato suggerisce quindi che il sodio
e il potassio siano prevalentemente presenti sulla superficie
esterna mentre Ca e Mg più internamente alla struttura.
Ricordiamo che le temperature di fusione sono pari a 804
°C (NaCl), 773 °C (KCl), 714 °C (MgCl2), 772 °C (CaCl2).
Eliminare tali sali tramite lavaggio potrebbe essere importante ai fini di prevenire durante i processi termo-chimici
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fenomeni di fusione, agglomerazione e deposizione in
componenti a più bassa temperatura.
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quale prima di destinarlo ad un processo termo-chimico.
Stima delle condizioni teoriche di
operazione per processi termochimici
tabella 2 - Analisi elementare ICP degli elementi
presenti nel campione tal quale e in un campione
sottoposto a lavaggio con acqua distillata
Considerazioni circa il pre-trattamento per
pressatura o centrifugazione
Quale stadio preliminare al trattamento termico, è stata ipotizzata la pressatura delle alghe per la rimozione sul luogo di
raccolta dell’acqua salmastra che impregna le alghe. Il refluo
prodotto potrebbe essere inviato in mare, non essendo contaminato da sostanze estranee alle stesse alghe. Si stima che la
pressatura (o centrifugazione) potrebbe ridurre il contenuto
di umidità delle alghe fino al 50%, ottenendo un materiale
di più agevole trasporto, stoccaggio e utilizzo negli impianti
termici. A tale scopo, un semplice test di pressatura è stato
eseguito in un torchio meccanico ad una pressione di circa 20
bar, dando luogo ad una significativa riduzione della massa
di campione (30.5% della massa iniziale), a seguito della
separazione dell’acqua. Inoltre un campione di poseidonia
lavato con acqua distillata (circa 5 g) è stato trattato in forno
a muffola a 550 °C, per la riduzione in ceneri. Il risultante
contenuto di ceneri sul secco è stato pari a 12,8% contro il
valore di 26,1% dell’alga tal quale. Pertanto entrambi i trattamenti di lavaggio e pressatura possono significativamente
contribuire alla rimozione di acqua e sali dal materiale tal
La Figura 2 mostra i possibili schemi di processo proposti
per la conversione termochimica su piccola scala (100-500
kWt). Si prevede uno stadio di pretrattamento del materiale
per ridurne il contenuto di umidità (pressatura o centrifugazione) e renderlo idoneo ai dispositivi di alimentazione alla
camera di reazione. Esso potrebbe anche essere costituito da
uno stadio di pellettizzazione che svolge in parte entrambe
le funzioni, producendo granuli di agevole movimentazione
e dosaggio. Per la termo-conversione si ipotizzano le tre
opzioni della pirolisi, gassificazione e combustione. Di conseguenza la macchina per la generazione elettrica deve diversificarsi, potendo essere un motore a combustione interna
per i primi due casi ed uno stadio ORC o un motore Stirling
nel caso di combustione. Le soluzioni proposte consentirebbero di ottenere potenza elettrica in un intervallo 50-200
kWe con efficienze comprese tra 20 e 25% [6]. Di contro,
nel bilancio di energia complessivo dell’intero processo è
necessario considerare l’energia primaria richiesta per lo
stadio 1. Lo stadio 2 è certamente allo-termico nel caso della
pirolisi mentre combustione e gassificazione possono essere
invece condotte in regimo di auto-termicità. Si sottolinea
infine che i flussi materiali in uscita sono dati da ceneri per
la combustione e da ceneri e char (carboncino) nel caso di
gassificazione e pirolisi.
È stato applicato al caso della poseidonia il modello termodinamico predittivo sviluppato da Miccio et al. [7] e basato
sull’utilizzo del pacchetto software CEAExec [8] per il calcolo
delle condizioni di equilibrio termodinamico. Tale modello
consente di calcolare la composizione e la temperatura di
stadi di combustione e gassificazione, anche multipli, per
figura 2 - Schema di processo per la conversione delle alghe
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figura 3 - Temperatura di combustione in funzione della temperatura di
pre-riscaldamento dell’aria
figura 4 - Temperatura e concentrazione di CO e CO2 in funzione del
fattore di eccesso d’aria in processo di combustione (U=50%, Ta=25 °C)
figura 5 - Temperatura e concentrazione di CO, CO2 e H2 in funzione
del fattore di equivalenza per un processo di gassificazione (U=50%,
Ta=700 °C)
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assegnati valori dei flussi di materia ed energia in ingresso
al sistema. I risultati per i due casi di combustione e gassificazione in aria sono discussi a seguire.
La temperatura adiabatica per il processo di combustione è riportata in Figura 3 in funzione della temperatura
di preriscaldamento dell’aria (Ta), per due assegnati valori
del contenuto di acqua nel combustibile (U = 65 e 70%
in massa). I calcoli sono stati condotti con riferimento alle
proprietà chimiche e fisiche della poseidonia e per fissato
fattore di eccesso d’aria (e=1,12). Ovviamente la temperatura adiabatica cresce con l’aumentare della temperatura di
preriscaldamento. Tenendo conto delle perdite parassite di
calore, valori ottimali di temperatura di processo (800-850
°C) possono essere ottenuti nell’intervallo Ta=350-450 °C nel
caso di alga a minor contenuto di acqua.
Il preriscaldamento dell’aria può essere ottenuto per scambio
termico con i fumi della combustione.
La temperatura di combustione e la concentrazione di CO e
CO2 sono riportate nel diagramma di Figura 4 in funzione
del fattore di eccesso d’aria per un contenuto di acqua pari
a 50% ed in assenza di pre-riscaldamento dell’aria. In tali
condizioni si può osservare che la temperatura di combustione eccede 950 °C in tutto l’intervallo esplorato, ovviamente
decrescendo con e. La concentrazione di CO è predetta da
puri calcoli termodinamici ed è pertanto sottostimata rispetto
a casi reali di combustione di biomasse, per ovvi limiti di natura cinetica. CO diventa stabile a più alta temperatura come
riportato nella parte sinistra del diagramma. I risultati della
simulazione dimostrano che in condizioni realistiche di combustione una parte del calore generato può essere disponibile
per scambio termico con altri dispositivi (es. caldaia o motore
Stirling) evitando l’eccessivo riscaldamento dei fumi. Per il
caso della gassificazione, la Figura 5 mostra l’andamento
della temperatura e della concentrazione su base secca di
CO, CO2 e H2 nel gas prodotto in funzione del fattore di
equivalenza (f). Il contenuto di acqua nel combustibile è pari
al 50% e l’aria è preriscaldata a 700 °C. Nell’intervallo di f
esplorato la temperatura di gassificazione raggiunge valori
accettabili (>800 °C) per f maggiore di 0,52. Il gas generato
ha un buon contenuto di idrogeno ma è povero in CO ed
idrocarburi per cui ha potere calorifico modesto (<5,0 MJ/
m3), a causa dell’eccessiva diluizione con l’azoto immesso
con l’aria di gassificazione. Con idonee scelte progettuali
il processo può essere auto-termico se il pre-riscaldamento
dell’aria avviene per scambio termico e parziale combustione del gas generato. Il basso valore del potere calorifico comunque penalizza le prestazioni di un motore a combustione
interna eventualmente accoppiato al gassificatore.
Conclusioni
Ai fini dello smaltimento per termodistruzione, il processo
è proponibile in impianti di potenza inferiore a 1 MWth
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atteso che l’alga alimentata abbia un contenuto di umidità
inferiore a 65%. Tale valore può essere raggiunto per la
poseidonia con idoneo trattamento prima del processo
(es. essiccazione naturale o pressatura) o per aggiunta
di combustibile secondario (cippato di legno, sansa ecc.).
La tecnologia a letto fluido è sicuramente più idonea al
trattamento di materiali ad alto contenuto di umidità grazie
all’elevata capacità termica, al buon grado di miscelazione
e al rapido riscaldamento dei materiali introdotti nel letto.
Tra le due opzioni esaminate, la combustione sembra essere
preferibile alla gassificazione a causa del limitato valore del
potere calorifico del gas ottenibile nel secondo caso. In tale
ipotesi, lo stadio per la generazione di energia deve obbligatoriamente basarsi su macchine a combustione esterna
(es. ORC o motori Stirling) che, sebbene meno consolidate
rispetto ai motori a c.i., sono in progressiva diffusione per
applicazioni tecnologiche.
L’elevato contenuto di ceneri e soprattutto di sale marino
pone problemi e sfide nella realizzazione di un processo in
grado di rispettare i limiti di emissioni in atmosfera, adottando opportune contromisure tecniche per l’abbattimento
del particolato e di specie gassose indesiderate.
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