Volume: il riso

Sezione: utilizzazione

Capitolo: usi energetici

Autori: Giovanni Riva, Ester Foppa Pedretti

Introduzione

Le principali problematiche legate all’utilizzazione delle risorse fossili per la produzione di energia – essenzialmente le crescenti limitazioni all’approvvigionamento dei combustibili e il peggioramento del bilancio dei gas climalteranti presenti in atmosfera – sono ormai diventate oggetto di dibattito non solo da parte di élite scientifiche ed economiche ma anche della generalità dell’opinione pubblica. Infatti è ormai chiaro che, per quanto riguarda la disponibilità di risorse fossili, i giacimenti più importanti hanno degli orizzonti temporali di sfruttamento dell’ordine di pochi decenni e le riserve più ricche si concentrano in aree del pianeta particolarmente delicate per aspetti di stabilità politica e sociale, con pesanti ripercussioni sulle strategie economiche dei Paesi importatori. Nello stesso tempo, l’utilizzo di risorse fossili e l’incremento di gas serra sono fortemente correlati – stechiometricamente correlati, come già fu indicato da Arrhenius alla fine del XIX secolo – e, conseguentemente, l’andamento dell’accumulo di anidride carbonica negli strati atmosferici è caratterizzato da una curva in costante crescita, in parallelo con l’andamento storico di tali consumi. Quindi, anche in prospettiva, gli effetti dei fenomeni citati si prevedono di difficile contenimento, soprattutto con il conclamarsi del modello di sviluppo occidentale in società emergenti, in particolare nei blocchi asiatici di Cina e India. Infatti, i due Paesi – dotati di potenzialità di sviluppo enormi accompagnate da commisurate necessità energetiche – hanno contribuito, e stanno contribuendo, in modo determinante a definire il quadro dei bilanci energetici e ambientali globali.

Numeri dell’energia

Le serie storiche di consumo energetico da fonti fossili mettono in evidenza le dinamiche in atto sullo scenario mondiale dove, soprattutto considerando l’ultimo decennio, si evidenziano nei consumi gli andamenti costanti di Unione europea e Giappone, la crescita di USA, India e Africa, l’impressionante accelerazione della Cina. In particolare, i rilievi dell’ultimo anno registrano il superamento dei consumi cinesi nei confronti degli europei: tra 2006 e 2007 in Europa i consumi energetici sono diminuiti del 2,2% mentre in Cina sono aumentati del 7,7%. Sulla base di queste informazioni è lecito ipotizzare che la tendenza dei consumi complessivi, con crescita pari al 2,4% nel 2007, sarà in positivo anche per il futuro. La previsione è rafforzata anche da un ulteriore indice, dato dal consumo pro capite di energia, che nei Paesi emergenti è ancora lontano dal valore medio mondiale e, soprattutto, da quello dei Paesi più evoluti. Per esempio, un abitante degli USA consuma ancora 7 volte di più di un abitante della Cina; ne consegue che riduzioni, anche minime, di questa differenza porteranno a importanti incrementi nella domanda globale di energia. Si evince quindi l’opportunità di esplorare vie in grado di ottenere energia da risorse differenti dalle fossili, orientandosi soprattutto allo sfruttamento di sole, vento, biomassa. Tale percorso, iniziato ormai da decenni, ha portato nel 2006 a ottenere energia prodotta da fonti rinnovabili in percentuale del 18% sul consumo energetico complessivo. La Comunità Europea, che dipende verso l’estero per oltre il 50% dei propri consumi energetici, ha puntato molto sulle energie rinnovabili e, nello specifico, sulle energie da biomassa che compongono per oltre la metà la sua produzione di energia rinnovabile.

Caratteristiche energetiche della biomassa

Nel contesto italiano, le principali biomasse utilizzabili a fini energetici provengono soprattutto dai settori agricolo, forestale e della trasformazione agro-industriale e alimentare; possono essere prodotti residuali dei cicli produttivi o di trasformazione (residui colturali, deiezioni zootecniche, scarti di lavorazione e trasformazione) oppure costituire il prodotto principale di coltivazioni dedicate (materiale ligno-cellulosico, semi oleaginosi, prodotti amilacei). L’ampiezza della gamma di prodotti individuati origina una grande variabilità di caratteristiche nella composizione del materiale. Da ciò la necessità di determinare le caratteristiche fisico-chimiche dei differenti bio-combustibili per verificarne la rispondenza alle differenti tipologie di utilizzazione energetica. In un campione di biomassa, generalmente, si identificano due differenti frazioni di prodotto: la frazione idrocarburica (C, H), associata a ossigeno e altri atomi (N, S, Cl) quantitativamente meno rilevanti, e la frazione data da umidità e ceneri. La caratterizzazione dei materiali prevede delle analisi strumentali chimico-fisiche, condotte con metodologia definita in normative specifiche con cui determinare i principali parametri caratterizzanti le due frazioni. Di seguito, si elencano le grandezze principali e alcuni indici calcolati, utilizzati per valutare le caratteristiche energetiche di una biomassa.

Potere calorifico. Indica la quantità di energia liberata dalla completa combustione di una unità di massa di combustibile. Il parametro può essere espresso come potere calorifico superiore (PCS), cioè la quantità di energia termica prodotta dal materiale secco e che include anche l’energia necessaria per evaporare l’acqua prodotta durante la combustione (derivante dall’ossidazione dell’idrogeno contenuto nella biomassa). Il PCS viene misurato attraverso il calorimetro. Togliendo il calore di evaporazione dell’acqua di combustione, si ottiene il potere calorifico inferiore (PCI), che viene quindi calcolato a partire dal PCS sulla base del contenuto di idrogeno del campione.

Umidità. Rappresenta il contenuto di acqua della biomassa “tal quale” e che, nel caso del processo di combustione, evapora a spese dell’energia liberata dal processo. Il PCI calcolato per il materiale secco viene quindi corretto in PCI del “tal quale” (talvolta si parla di potere calorifico netto, PCN) per tenere conto di questo importante fattore, che ne modifica il contenuto energetico seguendo la relazione:
PCN = (1 – U/100) × PCI – 2,5 × U/100

dove U è l’umidità della biomassa espressa in termini percentuali. Con umidità del 50% calcolata relativamente alla biomassa umida, il PCI del “tal quale” è circa la metà del PCI del materiale secco.

Analisi elementare. Definisce le quantità di elementi chimici (C, H, O, N, S) costituenti la parte organica della biomassa. Sulla base di queste analisi si definiscono i rapporti che si stabiliscono tra i componenti dei materiali e, in definitiva, le migliori tecnologie per la loro trasformazione (combustione, fermentazione, utilizzo in motori).

Ceneri. Determinano le caratteristiche della frazione non idrocarburica. Fondamentale è conoscere la quantità, che influenza direttamente il contenuto energetico dei materiali, e la composizione, che determina il comportamento delle ceneri in caldaia, qualora la trasformazione in energia avvenga per combustione, e comunque gli aspetti tecnico-normativi legati alla destinazione dei sottoprodotti della trasformazione (per esempio: destino delle ceneri nel caso della combustione e del digestato nel caso della fermentazione anaerobica).

Rapporto C/N. Definisce il grado di lignificazione della biomassa. Associato con il tenore in umidità, serve per orientarsi circa l’utilizzo dei materiali: valori del rapporto superiori a 30 e umidità inferiori al 30% indirizzano la biomassa alla combustione; valori del rapporto inferiori a 30 e umidità superiori al 30% la indirizzano a processi di trasformazione biochimici.

Sottoprodotti del riso e produzione di energia

I sottoprodotti risicoli utilizzabili per la produzione di energia provengono sia dalla coltivazione del riso (paglia) sia dalla sua lavorazione (lolla e pula). La paglia di riso viene prodotta in rapporto di circa 1:1 rispetto alla produzione di risone e, tradizionalmente, ha un utilizzo zootecnico. L’utilizzazione energetica più diffusa della paglia prevede il suo impiego in impianti per la produzione di energia termica e/o elettrica ottenuta mediante combustione. Tra i sottoprodotti della lavorazione del riso interessanti ai fini energetici si considerano invece la lolla e la pula. La lolla, di cui si sono da tempo valorizzate le ceneri, ricche di silicio, ha trovato un vantaggioso utilizzo in ambito energetico come biomassa per processi di combustione, in virtù anche delle sue caratteristiche stabili in termini di umidità (circa il 14%, dalla fine della fase di essiccazione e per tutto il periodo di conservazione), necessarie, in primo luogo, per la conservazione del riso stesso. Molto interessante è anche la lolla ottenuta dal processo tecnologico di lavorazione del riso parboiled: più ricco in umidità (in percentuale di circa il 28%), il residuo presenta, nel contempo, una minore presenza di elementi chimici problematici per le caratteristiche conferite alle ceneri, quali Cl e S, che vengono dilavati dal vapore durante il trattamento. La pula ha una conveniente collocazione sul mercato ed è valorizzata come prodotto per l’alimentazione del bestiame; tuttavia, qualora si creassero le condizioni, potrebbe anche trovare un opportuno utilizzo in campo energetico. La ciclicità di produzione dei sottoprodotti ha importanza agli effetti della gestione degli stessi. In particolare, la paglia, prodotta e confezionata in un periodo concentrato dell’anno, comporta la necessità di un’attenta organizzazione dello stoccaggio (modalità utilizzate e volumetrie impegnate). Modifiche chimico-fisiche rispetto al materiale di partenza e determinate dalle condizioni in cui avviene lo stoccaggio (umidità, composizione chimica per dilavamento dovuto, per esempio, all’esposizione ad acque meteoriche, degradazione della sostanza organica per fermentazioni), potrebbero aprire nuove problematiche nella gestione dell’utilizzo energetico della biomassa durante l’anno. Tali considerazioni non sono necessarie nel caso dei sottoprodotti di lavorazione del riso, sempre costanti in quantità e qualità. La volumetria per il loro stoccaggio è generalmente assai limitata, soprattutto quando la necessità giornaliera di biomassa della centrale termica corrisponde alla quantità di residui prodotti dalla riseria.

Caratterizzazione dei sottoprodotti

I sottoprodotti del riso hanno caratteristiche fisico-chimiche interessanti ai fini del loro utilizzo energetico. Prendendo il PCI del “tal quale” come parametro di valutazione, si evidenzia come la pula sia sicuramente un materiale interessante, con valore molto vicino a quello dei sottoprodotti dell’agroindustria (per esempio, i panelli di girasole), mentre lolla e paglia possano essere assimilate a biomassa ligno-cellulosica normalmente utilizzata nei processi di combustione. Considerando il rapporto C/N dei tre materiali, risulta evidente la netta predisposizione alla combustione di paglia e lolla (il rapporto è rispettivamente pari a 60 e 71), mentre la pula (C/N pari a 16) potrebbe essere convenientemente indirizzata anche come matrice per trasformazioni biochimiche. Notevole è l’elevato contenuto di ceneri che caratterizza tali materiali, superiore anche di 30 volte alle ceneri contenute nella legna di pregio. Nella loro composizione assumono peso soprattutto gli ossidi di silice, presenti per oltre il 90% nella lolla e per il 60% nella paglia. La presenza dell’elemento costituisce un aspetto particolarmente delicato nella gestione delle ceneri in caldaia, soprattutto perché si trova in associazione con il potassio; ciò, in presenza di elevata temperatura, genera la formazione di composti eutettici, caratterizzati da un comportamento termico difficilmente prevedibile (vetrificazioni, sinterizzazioni) e indipendente dalla composizione percentuale degli stessi. Per contro, la presenza di silice nelle ceneri può essere vista anche come un elemento positivo nella gestione complessiva dell’impianto, chiudendo senza residui inutilizzati la filiera risicola. Infatti, in alcune installazioni italiane che utilizzano quasi esclusivamente lolla, la cenere, ricchissima in silice e ad elevato contenuto in carbonio (in questo caso residuo voluto di una combustione incompleta), viene completamente recuperata e ceduta all’industria siderurgica per essere utilizzata nei cicli produttivi. Relativamente al comportamento delle ceneri in caldaia, verificato analiticamente mediante la definizione delle temperature caratteristiche di fusibilità, si osserva come le ceneri di lolla e di paglia siano rispettivamente alto fondenti e basso-medio fondenti. In un trattamento termico, la situazione più a rischio è sicuramente data dalla combustione della paglia e ciò determina la necessità di predisporre soluzioni impiantistiche idonee a mantenere la pulizia, e quindi la funzionalità, delle griglie stesse e di trovare opportune miscele che elevino i punti di fusione delle ceneri della biomassa in ingresso alla caldaia. Infine, considerando i risultati relativi alle ceneri di pula, la biomassa ha un comportamento molto simile a materiali amilacei, quali la granella di mais, fondendo a temperature molto basse. In purezza, rappresenterebbe sicuramente un problema per l’utilizzo in caldaia; al contrario, in giusta quantità e in virtù dell’elevato contenuto energetico posseduto, potrebbe essere utilizzata per migliorare le prestazioni energetiche di miscele di biomasse da avviare alla combustione. Tuttavia, allo stato attuale, anche e soprattutto considerandone la vantaggiosa e sicura collocazione di mercato, la pula non è generalmente considerata materiale da utilizzare per la produzione di energia.

Utilizzazione energetica

La trasformazione energetica dei residui dell’attività risicola si effettua con processi sia termochimici sia biochimici. Nella prima tipologia si raggruppano la combustione diretta, la gassificazione e la pirolisi; tali processi si basano su un trattamento termico dei materiali in presenza di differenti concentrazioni di ossigeno. Sviluppo tecnologico e diffusione attualmente raggiunti sono molto diversi: per quanto riguarda la combustione delle biomasse, la tecnologia per le differenti taglie impiantistiche è ormai consolidata e si hanno realizzazioni su larga scala; al contrario, i processi di gassificazione e pirolisi, pur avendo grande interesse per le possibilità anche in termini di generazione di molecole per la sintesi di bio-prodotti, sono processi con tecnologia in evoluzione, oggetto delle attività di ricerca e sviluppo in molti Paesi. Tra i processi biochimici sono di particolare interesse la digestione anaerobica e la fermentazione alcolica, preceduta da una fase preparatoria (idrolisi) della matrice. Nel primo caso, la biomassa viene posta in condizioni di anaerobiosi e degradata da batteri con la produzione di una miscela gassosa, prevalentemente costituta da anidride carbonica e metano. Nel secondo caso, la fermentazione alcolica, effettuata da lieviti che portano alla formazione di etanolo, segue una fase di preparazione del substrato ligno-cellulosico mediante un’idrolisi enzimatica o chimica. Come nel caso precedente, le tecnologie dei due processi sono a stadi differenti: molto ben conosciuta e diffusa la digestione anaerobica; ancora in fase di impianti pilota la seconda, relativamente alla tecnologia di idrolisi della biomassa di partenza.

Combustione diretta. La biomassa viene posta in condizioni ossidanti e la reazione produce energia termica, CO2 e acqua. Facendo riferimento alla molecola generica della cellulosa, (C6H10O5)n, la reazione può essere così definita:
(C6H10O5)n + (6O2)n = 6nCO2 + 5nH2O + 17,6 MJ/kg

L’energia termica ottenuta è utilizzata per riscaldare un vettore energetico (aria, vapore acqueo) ed essere utilizzata come tale oppure entrare in ulteriori processi per la produzione di energia elettrica, sfruttando cicli termodinamici del vapore o degli oli diatermici. Le caratteristiche della caldaia in cui avviene la combustione della biomassa e il sistema di generazione dell’energia elettrica identificano le tipologie di impianto. In generale e per quanto riguarda la trasformazione dei sottoprodotti del riso, gli impianti più diffusi, di media-grande potenza, hanno caldaia con griglia fissa o mobile e l’energia elettrica viene generata mediante turbine a vapore.

Gassificazione. Consiste nell’ossidazione incompleta del combustibile a elevata temperatura (900-1000 °C) e porta alla formazione di un prodotto intermedio di natura gassosa, composto da ossido di carbonio, idrogeno, metano e altri idrocarburi volatili, in grado di fornire energia in misura di circa 4000-6000 kJ/m3. Il gas combustibile può essere utilizzato in motori a combustione interna o in caldaie per la produzione di energia elettrica o termica oppure può essere sottoposto a un trattamento ulteriore per la sintesi di biocombustibili. Il vantaggio rispetto alla combustione diretta è dato dalla possibilità di formare un prodotto energetico, il gas, di più facile trasporto e distribuzione, migliore rendimento di combustione con minore tasso di emissioni inquinanti rispetto alla biomassa di partenza. Per contro, la tecnologia, soprattutto se riferita agli impianti di piccola-media taglia quali quelli per l’utilizzo delle biomasse, presenta alcune limitazioni, tra cui la necessità di disporre di materiali combustibili con caratteristiche chimicofisiche omogenee e difficoltà legate alla purificazione dei prodotti ottenuti.

Pirolisi. Il materiale viene trattato a elevata temperatura (tra 400 e 800 °C) in completa assenza di ossigeno e genera prodotti liquidi, solidi e gassosi, in proporzione differente in funzione delle condizioni di temperatura e di tempo di permanenza nell’impianto in cui avviene la reazione (pirolisi lenta, estremamente veloce, convenzionale). Come per la gassificazione anche la tecnologia utilizzata per la pirolisi, per quanto riguarda l’utilizzo con biomasse, è ancora in fase di perfezionamento.

Digestione anaerobica. La matrice organica viene utilizzata da gruppi di batteri che, in condizioni di assenza di ossigeno e a temperature costanti (le temperature sono generalmente comprese tra 30 e 60 °C), la degradano producendo una miscela di gas (biogas), tra cui prevalgono metano e anidride carbonica. I tempi di evoluzione del processo sono compresi tra 15 e 60 giorni e dipendono dalla matrice trattata: i tempi più brevi si riferiscono a reflui zootecnici; i più lunghi a prodotti vegetali. Partendo dalla generica molecola di emicellulosa, il processo può essere così indicato:
(C6H10O5)n + (H2O)n = 3nCH4 + 3nCO2

Su scala reale, in genere, si ottiene una produzione di biogas pari al 30-60% dei solidi immessi; la restante biomassa, ormai genericamente definita digestato, è il co-prodotto del processo ed è costituita da fibre non digerite e sostanze solubili in acqua. Il metano prodotto viene generalmente utilizzato per la produzione di energia elettrica e termica mediante motori endotermici. Il digestato, quando consentito dal punto di vista normativo, trova la sua piena valorizzazione in ambito agronomico, con la restituzione al terreno delle sostanze in esso disciolte. Anche in virtù di ciò, la tecnologia ha avuto molto successo in ambito rurale, dove ben si adatta alla valorizzazione dei reflui zootecnici e di provenienza agro-industriale. La quantità di biogas svolta da un generico substrato dipende dalla composizione dello stesso; in particolare, proteine e grassi vengono prontamente attaccati e degradati in molecole gassose, mentre le fibre, più resistenti, vengono solo parzialmente interessate dai processi di fermentazione. In termini generali, una prima valutazione per stimare la quantità di biogas producibile da una determinata biomassa può essere condotta utilizzando la seguente relazione:
CH4 = 19,05XP + 27,73KL + 1,8 Cell + 1,7 Hem

dove il metano prodotto è espresso in litri per chilo di prodotto immesso nel processo (l/kg) e le sigle indicate corrispondono rispettivamente ai contenuti di proteine grezze, lipidi, cellulose ed emicellulose valutate sulla sostanza secca. Applicando la relazione ai residui del riso, si evidenzia l’opportunità di impiego di tali materiali anche nella fermentazione anaerobica e ciò in particolare per la pula, ricca di sostanze fermentescibili, mentre lolla e paglia, dove prevalgono emicellulosa e cellulosa, svolgono, potenzialmente, quantità di metano più modeste. Ipotizzando di utilizzare paglia e lolla in una miscela da avviare alla fermentazione (i prodotti potrebbero essere utilizzati con reflui zootecnici, al fine di ottenere una miscela avente il grado di umidità adatto per il processo), per ogni ettaro di riso coltivato si potrebbero avere fino a 3000 kWh di energia elettrica prodotta.

Fermentazione alcolica a partire da materiale ligno-cellulosico. La fermentazione alcolica avviene a carico di lieviti che utilizzano il substrato zuccherino producendo molecole di etanolo e anidride carbonica. Partendo dalla generica molecola di glucosio la relazione che ne regola lo svolgimento è data da:
(C6H12O6)n = 2nC2H5OH + 2nCO2

Prodotto di interesse è l’etanolo, utilizzato – dopo disidratazione, raffinazione e trasformazione – come biocombustibile, in sostituzione della benzina. La biomassa da trasformare è costituita, potenzialmente, da tutti i prodotti ricchi in zucchero (barbabietola), amido (granella di mais) o composti ligno-cellulosici (paglia o lolla di riso). Poiché i lieviti utilizzano zuccheri semplici, per i substrati ricchi in zuccheri complessi (amidi, cellulose e lignine) deve essere fatta precedere una fase preparatoria di idrolisi che, a oggi, è commercialmente diffusa soltanto per la conversione degli amidi, mentre la tecnologia di idrolisi acida per la preparazione dei substrati ligno-cellulosici è ancora allo stadio di impianto pilota in campo energetico. L’interesse per questa fase di trasformazione è molto sentito, perché aprirebbe la possibilità di produrre biocombustibili anche a partire da materiali di scarto, economici e presenti in larga quantità, quali paglie, stocchi, sottoprodotti di lavorazione dell’agroindustria.

 


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