Con il nome biochar si intende un “carbone” derivato da processi di depolimerizzazione termica di biomasse provenienti dal settore agroforestale (ad esempio sfalci, ramaglie, ecc …), scarti e sottoprodotti delle diverse filiere del settore agricolo e/o agroalimentare, di scarso valore che altrimenti verrebbero combuste o distrutte. Grazie alle sue peculiari proprietà, esso può essere impiegato per proteggere l’ambiente e combattere i cambiamenti climatici.
Il biochar ottenuto dalla pirolisi controllata delle materie di scarto o dei residui agroalimentari trattiene la maggior parte del carbonio in forma stabile, limitandone il rilascio in atmosfera sotto forma di anidride carbonica, limitando le emissioni di gas serra e attenuando il fenomeno del riscaldamento globale.
La particolare struttura superficiale del biochar, caratterizzata da pori di dimensioni eterogenee e numerosi gruppi funzionali ed elevata area superficiale, rende possibile l’utilizzo di questo materiale nella rimozione di contaminanti organici e inorganici dalle acque. Esso ha una notevole affinità con composti organici quali pesticidi, erbicidi, coloranti, che possono essere presenti nelle acque di dilavamento dei terreni agricoli.
Se applicato opportunamente, in zone vulnerabili ai nitrati e all’interno dei terreni agricoli limitrofi alle fasce tampone, ha la capacità di incrementare l’attività di depurazione delle acque e l’azione di rimozione degli agenti inquinanti.
La microstruttura del biochar è un ambiente ideale per la crescita di microrganismi e applicato in suolo provoca un incremento dell’attività microbica, rivolta a dare un fattivo contributo per ridurre le perdite di nutrienti nelle acque, in modo sostenibile dal punto ambientale ed economico.
IMPIANTI di piro-gassificazione
Gli impianti di piro-gassificazione utilizzati nel progetto SMACS sono progettati per la carbonizzazione di biomasse di varia natura al fine di produrre energia elettrica, energia termica e biochar (carbone), quest’ultimo avente una qualità tale da potere essere utilizzato come ammendante agricolo.
La gassificazione è un processo chimico che permette di convertire materiale ricco in carbonio in monossido di carbonio (CO), idrogeno (H2), metano e altri composti gassosi. Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 °C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante, tipicamente aria. La miscela gassosa risultante costituisce quello che viene definito gas di sintesi (syngas) e rappresenta essa stessa un combustibile. Altri prodotti della gassificazione sono il "char", un solido carbonioso, molto simile al carbone ed il "tar", un liquido dannoso per gli impianti, composto da idrocarburi aromatici di tipo catramoso, anidride carbonica e nanoparticolato. L'impatto ambientale di un gassificatore aumenta all'aumentare della percentuale di tar all'interno del syngas, la cui presenza dipende da molteplici fattori, quali la temperatura di combustione, la pressione nel reattore ed il tipo di combustibile utilizzato.
La gassificazione è un metodo per ottenere energia da materiali organici di alta efficienza. L'uso del processo di gassificazione per la produzione di energia presenta alcuni vantaggi rispetto alla combustione diretta. Il syngas prodotto, purificato dal tar, può essere bruciato direttamente in motori a combustione interna.
IMPIANTO PARSIFAL (UNIPR)
L’impianto PARSIFAL è stato sviluppato da Iridenergy Srl con l’obiettivo di abbandonare il concetto di cogenerazione intesa come produzione combinata di energia elettrica e calore, che ha governato lo sviluppo di questi impianti sino ad ora, allargandola a quella di poli-generazione (produzione di biochar, energia elettrica, vapore, calore e/o freddo), secondo molteplici modelli di economia circolare, riducendo altresì l’impatto ambientale ed economico, mediante la trasformazione in biochar degli scarti organici. PARSIFAL è un impianto innovativo, brevettato a livello internazionale, in grado di eseguire una dissociazione molecolare, mediante piro-gassificazione, di biomasse anche molto umide, tal quali, superando di fatto le criticità delle tecnologie attualmente più diffuse sul mercato.
La tecnologia in oggetto risulta così caratterizzata:
- Alimentabile con biomasse di varia natura e umidità, biomassa umida eventualmente miscelati con materiali di risulta, come ad esempio sfalci, ramaglie, ecc.;
- Poli-generativa, ossia orientata alla produzione di energia termica (150 kW) sotto forma di calore o vapore/acqua calda/surriscaldata (utilizzabile eventualmente per il riscaldamento o ad esempio per le operazioni di pulizia, igienizzazione e sanificazione), di energia elettrica (opzionale), e di biochar come mezzo per il sequestro permanente del carbonio dall’atmosfera, in piena coerenza all’obiettivo generale;
- Sicura per persone ed ambiente;
- Innovativa rispetto alle attuali tecnologie sul mercato.
Lo schema a blocchi dell’impianto è rappresentato nella Figura 1.
Figura 1. Rappresentazione schematica dell’impianto pilota PARSIFAL
L’impianto prototipale è completo di doppio sistema di carico delle biomasse, intendendo:
- Il primo per la fase di innesco ed eventualmente per la fase di innalzamento del potenziale termico, con materiali secchi;
- Il secondo, adatto al carico della biomassa, anche semisolida sino al palabile, derivante da processi di coltivazione/lavorazione, della quale saranno da valutare le analisi chimico fisiche per il dimensionamento definitivo.
La peculiare multipla e contemporanea alimentazione dell’impianto permette l’utilizzo di diverse tipologie di biomassa tal quali (con umidità anche oltre al 60%). Questa sua versatilità si adatta a un grande numero di potenziali utilizzi, in quanto non richiede impianti di pre e post trattamento del materiale per l’alimentazione. Inoltre, consente in caso di necessità di aumentare la resa energetica di processo (termica ed elettrica).
Il sistema, i principi e i componenti oggetto della tecnologia che compongono il piro-gassificatore (unico nel suo genere) sono coperti da brevetto internazionale (n. WO2015/018742A1).
L’impianto prototipale è stato realizzato per potere valorizzare i sottoprodotti (biomassa organica), principalmente della filiera agroalimentare, tal quali senza particolari preparazioni, per produrre energia elettrica e termica da utilizzare nei cicli produttivi della stessa filiera. Grazie alla ossidazione del bio-syngas prodotto, e con la produzione di un ammendante per l’agricoltura (il biochar), in grado di sequestrare CO2, si ottiene una poli-generazione ad altissimo rendimento.
L’impianto è di tipo modulare con potenza variabile in funzione della biomassa organica introdotta e del grado di umidità. L’impianto, studiato per la carbonizzazione (piro-gassificazione), delle materie di risulta, produce un biochar che dalle analisi e studi condotti in Emilia-Romagna, mostra una bassissima percentuale di idrocarburi policiclici aromatici, rispettando ampiamente i parametri fisico-chimici della recente legislazione nazionale (D.L.: G.U. 186 12.08.2015). Questo avviene grazie all’uso di particolari accorgimenti, oggetto del brevetto, che favoriscono un recupero energetico e una ottimizzazione di processo. Tali risultati confermano inoltre la produzione di effetti positivi sulla fertilità del suolo e l’innalzamento del contenuto di carbonio organico in modo stabile e duraturo, rendendo questa tecnologia promettente e riconosciuta a livello mondiale per il sequestro di carbonio negli ecosistemi terrestri e la mitigazione dei cambiamenti climatici in atto.
L’impianto è fornito completo di un sistema elettronico con PLC, con controllo remoto, che consente la gestione e il controllo a distanza dell’impianto, consentendo un continuo e costante monitoraggio. Sono in fase di implementazione sensori in grado di caratterizzare le emissioni.
L’impianto è stato sviluppato in area privata e poi trasferito al Tecnopolo del Campus Universitario di Parma per potere monitorare, in collaborazione con alcune Università dell’Emilia-Romagna, non solo il biochar prodotto dalle miscele di diverse biomasse organiche indicate nei progetti, ma anche le emissioni e per ottimizzare i parametri di processo.
Infatti, grazie alla seconda alimentazione, che può integrare la tradizionale alimentazione legnosa con composti organici, in maniera graduale, è possibile identificare nuovi limiti nella miscelazione dovuti ad eventuali emissioni, grazie alla diluizione di eventuali gas nocivi garantendo di rimanere nei limiti di legge.
IMPIANTO SPANNER (Consorzio Comunalie Parmensi)
La piattaforma logistica dell’impianto SPANNER è stata realizzata nel 2012 dal Consorzio Comunalie Parmensi con il nell’ambito del Programma di Sviluppo Regionale (PSR) della Regione Emilia-Romagna – Misura 123/a.
Il Consorzio Comunalie Parmensi, avendo attuato il progetto di filiera denominato “legno-energia” con il quale mirava a valorizzare il mercato della legna da biomassa, nel 2015 ha implementato tale attività mediante l’installazione di una unità di micro-cogenerazione (pirolisi) utilizzando biomassa legnosa.
L’impianto Spanner ha una potenza elettrica pari 45 kw con resa termica media di 105 kw. Come combustibile viene utilizzato cippato di legno avente pezzatura G30-G40 e con umidità massima inferiore al 15%. Il consumo è pari a 45 kg/h.
L´impianto é stato costruito per rispondere ai seguenti obiettivi:
- Produrre di gas di legno da cippato vergine;
- Utilizzare il gas di legno in un cogeneratore;
- Immettere la corrente elettrica prodotta in rete;
- Utilizzare il calore per il riscaldamento ed essicazione del cippato.
L’unità di cogenerazione è costituita dai seguenti principali componenti (Figura 2):
- Gassificatore, composto da un dispositivo di alimentazione del cippato, da un reattore per la generazione di gas da legno (syngas), da un sistema di raffreddamento del gas prodotto, da un filtro a secco, da un sistema per l’estrazione delle ceneri e da un quadro elettrico con modulo di diagnostica per la manutenzione ed il controllo a distanza.
- Gruppo generatore di energia elettrica, composto da un motore a combustione interna (turbo V8) e da un generatore elettrico asincrono. Il tutto con sistema automatico di avviamento, circuito di recupero calore, silenziatore di scarico, convertitore catalitico, armadio elettrico e protezione antirumore con isolamento acustico.
- Impianto di essiccazione cippato, costituito da container di stoccaggio per circa 40 mc di materiale e da sistema di caricamento moduli.
Figura 2. Rappresentazione schematica dell’impianto pilota SPANNER
Il cippato di alimentazione dell’impianto viene trasportato tramite una coclea dal magazzino di stoccaggio nel serbatoio di caricamento, che implementa un sensore per il monitoraggio del livello di riempimento. Per garantire che durante le fasi di caricamento non entri aria nel sistema, nel serbatoio di caricamento sono montate due valvole a tenuta stagna che tramite un sistema PCL si aprono in maniera alternata. Tramite un raschietto e una coclea viene trasportato il materiale nel reformer, dove un sensore di livello comanda la quantità. Il reformer è il cuore dell’impianto nel quale viene trasformato il legno tramite un processo termochimico in gas di legno/syngas. Più materiale passa attraverso la zona di ossidazione, più alta diventa la temperatura. Al raggiungimento di una temperatura di circa 200 °C inizia la pirolisi (200-500 °C) dove avviene la disgregazione del legno e la trasformazione in gas. Dopo pirolisi, il legno trasformato in gas assieme alla carbonella transitano attraverso la zona di ossidazione. Qui viene iniettata aria al fine di bruciare una buona parte della carbonella ad una temperatura di 1200 °C.
Nella reazione di combustione, la carbonella viene trasformata in CO2, che si unisce con vapore acqueo proveniente dall´umidita del legno (nella zona di riduzione). Da questa unione esce CO e H2. Siccome il gas deve passare attraverso il braciere (zona ossidazione), le eventuali parti non gassificate come catrame e idrocarburi vengono trasformati in CO, CO2 e H2. Questo gassificatore produce gas con una percentuale molto bassa di catrame.
Il gas di legno/syngas e i residui della gassificazione, cenere e carbonella, escono dal reformer dalla parete bassa a 800 °C; insieme, passano in uno scambiatore che favorisce il raffreddamento del gas a 130 °C. Il passaggio attraverso un filtro a manica favorisce quindi la separazione del gas da cenere e carbonella. Cenere e carbonella vengono trasportati tramite valvole e coclea in un apposito contenitore all'esterno dell’impianto. Un meccanismo comandato da PLC garantisce la tenuta stagna del sistema di estrazione. Dopo che il gas pulito esce dal filtro, viene ulteriormente raffreddato tramite un altro scambiatore per arrivare a circa 90°C al filtro di sicurezza. Successivamente, il gas viene miscelato con aria per alimentare il motore a scoppio ad una temperatura di circa 40°C.
Il potere calorifico del gas è di ca. 4,5 MJ/m³ (~1,4 kWh/m³).
I gas di scarico del cogeneratore vengono puliti tramite un catalizzatore e raffreddati attraverso uno scambiatore per essere immessi in atmosfera puliti e raffreddati. Il cogeneratore produce 45 kWh (min.) di corrente elettrica, la quale viene immessa in rete.
Nelle varie fasi di processo si produce calore, il quale viene estratto tramite due scambiatori dal sistema.
La quantità di ceneri/carbonella può essere fino a 10 % del materiale d’ingresso, variabile in funzione della qualità e dimensione del materiale.
