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Monday 1 January 2019

La produzione di biocombustibili solidi mediante torrefazione

Giuseppe Toscano – Dipartimento D3A – Università Politecnica delle Marche

L'uso delle biomasse solide come fonte energetica è spesso criticato per una serie di ragioni legate alla bassa densità energetica dei prodotti e all'impatto ambientale causato da alcuni sistemi di conversione energetica (emissioni in atmosfera di sostanze inquinanti).

Queste osservazioni trovano delle ragioni specie se le biomasse considerate sono soprattutto quelle di minor pregio, quali le residuali di alcune lavorazioni di intervento forestale, del verde urbano, dell'agricoltura e del settore agroalimentare. Normalmente queste biomasse contengono molta umidità e si presentano con granulometria grossolana e molto variabile, con conseguenze negative sulla densità energetica. Tale fattore migliora, solo in parte, ricorrendo alla pellettizzazione della biomassa grezza, con la quale si aumenta la massa volumica e si riduce il contenuto di umidità.
In generale, le biomasse solide presentano una costituzione chimica molto variabile composta di emicellulosa, cellulosa, lignina e di sostanze organiche varie. Tali frazioni, ciascuna delle quali ulteriormente contraddistinta da un certo grado di eterogeneità, assumono comportamenti differenti in fase di combustione. Pertanto, per essere utilizzate in modo ottimale, efficiente e con ridotto impatto ambientale necessitano di condizioni molto diverse di combustione, che gli impianti termici riescono a soddisfare solo in parte.
Considerati questi aspetti, da alcuni anni sono in corso delle esperienze industriali sulle biomasse che mirano a migliorarne e standardizzarne le caratteristiche attraverso il processo di torrefazione. Sostanzialmente, si tratta di un trattamento termico, differente da quello realizzato per il caffè (tostatura), in cui la biomassa è sottoposta ad una temperatura compresa tra i 200 e 300 °C, in assenza di ossigeno e per un tempo variabile (in media tra 20 e 60 minuti). Nel corso di questo trattamento alcune componenti organiche, soprattutto le emicellulose e le lignine leggere si separano dalla parte solida per volatilizzazione, producendo un miscuglio gassoso: il gas di torrefazione. La restante parte costituisce il torrefatto, circa il 70-80% della biomassa anidra iniziale, contraddistinto da una composizione chimica molto più omogenea, più ricca in carbonio e povera in ossigeno. Queste caratteristiche, unite al basso contenuto di umidità, rendono il torrefatto un prodotto con un elevato potere calorifico ed elevata densità energetica (tabella). Inoltre, le modifiche chimiche che avvengono durante la torrefazione conferiscono alla biomassa caratteristiche di minore resistenza meccanica, rendendo il materiale più fragile e facile da macinare (minor consumo di energia), di maggiore idrofobicità e ne incrementano la stabilità nei confronti degli agenti biotici così da permetterne stoccaggi più lunghi nel tempo, impedendo il degrado biologico e la perdita di potere energetico.
La letteratura propone molte tipologie di schemi di processo ed impianti di torrefazione. Essendo il trattamento energivoro, in tutte le soluzioni proposte si presta attenzione ai possibili recuperi energetici all'interno della stessa fase di produzione. Tra questi i gas di volatilizzazione che, contenendo anche il 10-15% dell'energia presente nella biomassa iniziale, possono essere impiegati come combustibile per la produzione di energia termica di processo. Negli impianti ben dimensionati questo contributo spesso è sufficiente per sostenere il processo, richiede solo una limitata integrazione di gas fossile ausiliario (vedere figura).

Al di là della scelta impiantisca e di processo, il risultato importante della torrefazione è la produzione di un biocombustibile con caratteristiche omogenee e standardizzate, che lo rendono di interesse sia per un utilizzo tal quale che come possibile prodotto per la co-combustione con il carbone. A seconda della tipologia di biomassa da sottoporre alla torrefazione possono cambiare le condizioni di processo, in particolare le temperature ed tempi di trattamento. Questo aspetto è oggetto del lavoro di ricerca del Laboratorio Biomasse dell'Università Politecnica delle Marche (www.laboratoriobiomasse.it) che sta portando avanti alcune sperimentazioni sulla torrefazione di biomasse residuali dell'agricoltura e dell'agroindustria. I primi risultati di questa attività saranno a breve pubblicati su alcune riviste scientifiche del settore e serviranno per sviluppare un primo prototipo di reattore.

Quadro informativo
Densità energetica: si intende l'energia contenuta nell'unità di volume di combustibile. Questo parametro viene misurato in MJ/m3 ed assume grande rilevanza soprattutto per valutare la convenienza nel trasporto e nello stoccaggio dei prodotti combustibili. Maggiore è la densità energetica di un combustibile, minori sono i costi economici, energetici ed ambientali del prodotto.
Seguono in tabella alcuni valori indicativi di densità energetica di prodotti legnosi: cippato di legno, pellet di legno e torrefatto di un pellet di legno.

Densità energetica (GJ/m3)

Cippato di legno     Pellet di legno     Pellet di torrefatto     Carbone

 3 - 5                            9 - 11                     14 - 18                      18 - 24

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