4. La valorizzazione energetica delle colture

Le indicazioni programmatiche che emergono dalle ultime finanziarie pongono il comparto agricolo al centro della filiera agro-energetica sia per quanto riguarda la generazione elettrica su piccola scala, che per la produzione ed il riutilizzo in azienda dei biocarburanti. La ricerca, da tale punto di vista, svolge un ruolo di primo piano mettendo a disposizione il know-how maturato nel corso di specifici progetti scientifici, guidando gli agricoltori verso scelte più oculate volte a garantire da un lato la remunerazione degli investimenti e dall’altro la sostenibilità ambientale. In particolare lo sviluppo di innovazioni tecnologiche nel settore della meccanica agraria può concorrere alla riduzione dei costi di produzione delle colture energetiche.

Esistono, infatti, contesti agricoli o agro industriali in cui è vantaggioso l'esercizio di impianti di cogenerazione o trigenerazione a biomassa. In questo tipo di istallazioni viene bruciata biomassa proveniente sia da scarti di lavorazione sia da colture dedicate.

Le biomasse sono combustibili solidi costituiti da tre componenti principali: fibre di cellulosa (ca. 50%) immerse in una matrice di emicellulosa (ca. 25%) e lignina, oltre a composti secondari di natura inorganica. I combustibili che derivano dalle biomasse possono essere utilizzati in modo efficiente e pulito, pertanto è fondamentale valutarne alcuni loro importanti parametri chimico fisici.

La pirolisi è una tecnologia per mezzo della quale la biomassa viene portata ad alta temperatura in assenza di ossigeno. Questa, decomponendosi, produce essenzialmente vapori, aerosol e piccole quantità di gas lasciando un residuo solido ricco in carbonio (char). La gassificazione consiste nella trasformazione di un combustibile solido, nel caso specifico la biomassa, in combustibile gassoso, tramite la reazione con ossigeno.


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Giovedì, 18 Settembre, 2014

4.1 La ricerca del CRA

L’ente CRA (Consiglio per la Ricerca in Agricoltura) è in prima linea nella ricerca per lo sviluppo delle agro-energie.

Sono diversi i centri di ricerca del CRA coinvolti nella realizzazione di progetti nazionali sulle agro-energie, tra cui il progetto SUSCACE (progetto per il supporto scientifico alla conversione agricola verso le colture energetiche). Per questo progetto partecipano i seguenti centri di ricerca del CRA:

  • Unità di Ricerca per l’Ingegneria Agraria (CRA-ING):
  • Unità di ricerca per le Produzioni Legnose fuori Foresta (CRA-PLF);
  • Centro di Ricerca per le Colture Industriali (CRA-CIN).

Le ricerche si focalizzano anche sulla riconversione del settore bieticolo-saccarifero.
I progetti prendono in considerazione aspetti agronomici, tecnologici e meccanici di specie arboree a rapida crescita (pioppo, robinia, eucalipto) e di specie erbacee oleaginose (colza, girasole, Brassica carinata, soia) ed erbacee ligno-cellulosiche (canna comune, sorgo da fibra, canapa).

In particolare, l’Unità di Ricerca per l’Ingegneria Agraria del CRA ha realizzato, presso la propria sede di Monterotondo (Roma), il primo Centro Sperimentale Dimostrativo sulle agro-energie in Italia, con il duplice obiettivo di favorire il trasferimento delle innovazioni tecnologiche ai fruitori finali della ricerca e l’incontro tra i diversi attori delle filiere agro energetiche (industria, imprese agro-meccaniche, imprenditori agricoli, contoterzisti).


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Giovedì, 18 Settembre, 2014

4.1.1 La trasformazione energetica delle biomasse

L’impianto pilota del CRA è costituito da una caldaia (generatore di vapore) di 348 kW (300.000 kCal/h) a griglia mobile, con un sistema di alimentazione della biomassa a doppia coclea. La struttura è in grado di produrre 500 kg/h di vapore saturo a 1,2 MPa che viene poi fatto espandere in una turbina da 20 kW su cui è calettato un alternatore per la produzione di energia elettrica da immettere in rete.

Impianto pilota del CRA per la trasformazione energetica delle biomasse

Il vapore allo scarico della turbina viene fatto condensare in uno scambiatore vapore/acqua per la produzione di acqua calda a circa 90° C che, attraverso una rete di teleriscaldamento, viene a sua volta impiegata per riscaldare gli ambienti del CRA-ING. L’impianto è dotato, inoltre, di uno scambiatore di calore fumi/aria che svolge una duplice funzione: utilizzare il cascame energetico dei fumi di scarico della caldaia ad alta temperatura per un eventuale utilizzo in una turbina a gas a combustione esterna; studiare la formazione di scorie di fusione sulla griglia che l’uso di combustibile solido con basse temperature di fusione delle ceneri comporta. Tale prodotto può, infatti, disturbare il regolare processo di combustione, alterandone i flussi di aria primaria e favorendo il surriscaldamento della griglia e i fenomeni corrosivi.
Lungo la linea di scarico dei fumi sono presenti 2 sistemi di abbattimento del particolato: un ciclone per la rimozione più grossolana e un filtro a maniche per la rimozione delle particelle più fine.
È inoltre previsto un impianto ad assorbimento a bromuro di litio che, sfruttando l’acqua calda nei periodi estivi, produce energia frigorifera per il raffrescamento dei locali del CRA-ING (trigenerazione).
Quando non è richiesta energia termica da parte dell’utenza, un aerotermo dissipa l’energia in eccesso non utilizzata.
La movimentazione del combustibile avviene grazie ad un nastro trasportatore che trasferisce la biomassa dai cassoni di stoccaggio alle coclee di alimentazione della caldaia.

Nastro trasportatore per la movimentazione del combustibile

Lo stoccaggio della biomassa avviene all’interno di cassoni dotati di spintore idraulico interno per l’alimentazione del sistema di movimentazione. Sono presenti un cassone grande, trasportabile, per il funzionamento convenzionale dell’impianto, e uno piccolo, fisso, utilizzato esclusivamente per le sperimentazioni.


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Giovedì, 18 Settembre, 2014

4.1.2 . Impianto pilota per la produzione di idrogeno e metano da residui zootecnici

Il CRA ING ha progettato e sviluppato, in collaborazione con ENEA UTRIM, un impianto pilota a doppio stadio per la produzione di idrogeno e metano da residui zootecnici all’interno del progetto SOS-ZOT. L’impianto è situato presso il CRA PCM.

Le deiezioni zootecniche vengono convogliate in una vasca aperta, dove è presente acqua piovana, a cui vanno aggiunti insilato di sorgo, liquame, glicerolo e microorganismi per far sì che il processo biologico abbia luogo.

 Bioreattore progetto SOS-ZOT

L’impianto è composto da due bioreattori in grado di elaborare i residui zootecnici ed in grado di produrre, sotto opportune condizioni, idrogeno nel primo reattore e metano nel secondo. 

Modello di funzionamento del bioreattore del progetto SOS-ZOT

 

Dal bioreattore 1 (B1) escono una fase liquida ed una fase gassosa. La fase liquida è composta essenzialmente di acetato, etanolo e acido butirrico, in quantità pari circa alla portata entrante; quella gassosa è invece composta da idrogeno e anidride carbonica in pari percentuale volumica. La corrente liquida deve essere inviata tramite pompa dosatrice al bioreattore di metanogenesi.
Al reattore 2 (B2) dovrà pervenire oltre che il brodo di fermentazione di B1 anche la giusta quantità di microorganismi starter metanogeni. Da B2 uscirà una fase liquida, il digestato, che sarà convogliata in una vasca di raccolta, e una fase gassosa composta essenzialmente di metano e anidride carbonica.
La temperatura, in entrambi i reattori, deve essere compresa in un intervallo di 35-40 °C. La pressione è prevista di 0,8 atm in B1, di 1 atm in B2.
Il pH per B1 dovrà essere di circa 5, mentre per B2 si dovrà attestare a 7. Per assicurare tali valori entrambi i reattori dovranno essere dotati di un controllore di pH che farà immettere nei reattori la corretta quantità di soluzione che ripristini i valori desiderati.
La strategia di separazione degli stadi consente di ottimizzare ciascuna fase del processo sia utilizzando consorzi microbici differenti e specifici, sia impostando differenti valori dei parametri chimico-fisici quali temperatura, pH, tempi di ritenzione idraulica, assicurando una migliore efficienza di degradazione dei materiali organici e un’elevata resa energetica. I gas ottenuti possono venir utilizzati separatamente oppure miscelati nelle desiderate proporzioni per ottenere biometano, una miscela gassosa più energetica e meno inquinante del solo metano.


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Giovedì, 18 Settembre, 2014

4.2. Il progetto europeo Biomaster

La produzione di biometano rappresenta una risorsa per molte realtà agricole, tuttavia solo una piccola parte viene di fatto sfruttata. Il progetto BIOMASTER, cofinanziato da “Intelligent Energy Europe” (IEE) è nato proprio per trovare le modalità ottimali per sfruttare queste potenzialità soprattutto nel campo dei trasporti. Il progetto ha incluso 17 partner distribuiti in tutta Europa tra cui Austria, Italia, Polonia, Svezia e Regno Unito.

Il metano e ancora di più il biometano destano molto interesse in quanto risultano in grado di:

  • ridurre i livelli di inquinamento urbano (il gas naturale produce i più bassi livelli di emissioni nocive);
  • minimizzare le emissioni che hanno maggiore impatto sulla qualità dell’aria;
  • produrre il 23% in meno di emissioni di CO2 rispetto al diesel

Inoltre, nota molto importante, il biometano è una fonte rinnovabile.
Il biometano è un gas prodotto dalla degradazione della sostanza organica in assenza di ossigeno. Grazie alla combinazione unica di alcuni vantaggi, quali basse emissioni di gas serra e di inquinanti e una ridotta rumorosità dei motori, i benefici del biometano superano di molto quelli degli altri biocombustibili. Il progetto ha dimostrato sia la fattibilità tecnica del biometano come carburante per i trasporti, sia la possibilità di produrre il biometano dai rifiuti e da altri sottoprodotti, rendendo le comunità locali più indipendenti da eventuali riduzioni nella fornitura di combustibili fossili o aumento dei prezzi.

I risultati principali, in termini di investimenti complessivi, produzione di energia rinnovabile e riduzione di CO2, sono riportati nel grafico. 

I risultati per ogni singolo partner variano in modo significativo.
Per l’Italia ha partecipato la Regione Trentino. I risultati ottenuti evidenziano una mancanza tra gli stakeholders locali di conoscenze approfondite sul potenziale del biometano per uso nei trasporti. Inoltre, l’incertezza sulla validità della digestione anaerobica per il trattamento di diverse biomasse, unita ad una forte preoccupazione legata alla scarsa accettazione sociale degli impianti, hanno reso difficile lo sviluppo completo del progetto. L’emanazione nel dicembre 2013 del decreto nazionale che incentiva il biometano ha ridestato l’interesse verso questa opzione e le possibili applicazioni anche in ambito locale.

Le stime per il  Trentino

  • 26 TJ di capacità produttiva di biometano nel 2014
  • 2 599 341 litri di carburante all’anno utilizzato nei veicoli
  • Riduzione di 4 229 t CO2/anno

 


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Giovedì, 18 Settembre, 2014