Tipi di biocarburante: confronto delle caratteristiche del combustibile solido, liquido e gassoso

Un'alternativa alle risorse energetiche tradizionali sono i vari tipi di biocarburante, per la cui produzione si utilizzano materie prime vegetali o animali, scarti industriali e prodotti della decomposizione organica.

La invitiamo a esaminare i vantaggi e gli svantaggi dell'uso di tale combustibile, a scoprire le caratteristiche della produzione, le specifiche funzionali e a valutare l'efficacia dell'utilizzo dei diversi tipi di biocarburante. Le informazioni fornite La aiuteranno a orientarsi nella scelta delle fonti energetiche alternative.

Cos'è il biocarburante

La direzione più promettente nel settore energetico è rappresentata dalle tecnologie che prevedono l'uso di risorse rinnovabili, tra cui rientra anche il biocarburante.

Il tipo più diffuso di biocarburante è la comune legna da ardere. Il 38% della popolazione mondiale la utilizza per il riscaldamento e la cottura dei cibi.

Come materia prima per la sua produzione si può utilizzare biomassa di origine vegetale/animale, compresi i rifiuti industriali o i residui dell'attività vitale degli animali.

Il trattamento di tali sostanze viene effettuato con metodi termochimici o biologici; in quest'ultimo caso, il combustibile viene ottenuto con l'aiuto di diversi tipi di microrganismi.

La quota di utilizzo dei biocarburanti è in costante crescita, il che contribuisce alla conservazione delle risorse fossili di idrocarburi (+)

In molti paesi sono in vigore programmi speciali per aumentare la quota di biocarburanti nel consumo energetico nazionale e regionale. In alcuni Stati esistono anche norme obbligatorie per l'uso di questa fonte energetica.

Vantaggi e svantaggi del biocarburante

I biocarburanti presentano aspetti positivi e negativi. L'interesse per l'utilizzo di questo tipo di materia prima è dovuto ai suoi indubbi vantaggi.

Tra questi figurano:

• Economicità. Sebbene attualmente i prezzi dei biocarburanti coincidano quasi con il costo della benzina, le sostanze biologiche sono considerate un tipo di combustibile più vantaggioso, poiché durante la combustione producono meno emissioni. Il biocarburante è adatto all'uso in diverse condizioni e può essere adattato a motori di diversa progettazione. Un ulteriore vantaggio è l'ottimizzazione del funzionamento del motore, che rimane pulito più a lungo grazie alla minore quantità di fuliggine e gas di scarico.
• Mobilità. Il biocarburante si distingue dalle altre fonti di energia alternative per la sua mobilità. Le strutture degli impianti solari ed eolici includono solitamente batterie pesanti, quindi vengono per lo più utilizzati in modo stazionario, mentre il biocarburante può essere trasportato senza grandi difficoltà da una regione all'altra.
• Fonte di energia rinnovabile. Sebbene, secondo i ricercatori, gli attuali giacimenti di petrolio greggio basteranno almeno per diverse centinaia di anni, le riserve fossili sono comunque limitate. I biocarburanti, prodotti da piante e rifiuti animali, rientrano tra le risorse rinnovabili che non rischiano di esaurirsi nel prossimo futuro.
• Protezione dell'atmosfera terrestre. Un grande svantaggio degli idrocarburi tradizionali è l'alta percentuale di CO₂ che viene emessa durante la combustione. Questo gas crea nell'atmosfera del nostro pianeta l'effetto serra, favorendo il riscaldamento globale. Durante la combustione delle sostanze biologiche, invece, la quantità di anidride carbonica si riduce fino al 65%. Inoltre, le colture utilizzate nella produzione di biocarburanti consumano monossido di carbonio, diminuendo la sua presenza nell'aria.
• Sicurezza economica. Le riserve di idrocarburi sono distribuite in modo disomogeneo, per cui alcuni Stati sono costretti ad acquistare petrolio o gas naturale, spendendo ingenti somme per l'approvvigionamento, il trasporto e lo stoccaggio. Diversi tipi di biocarburanti possono essere ottenuti praticamente in qualsiasi paese. Poiché la loro produzione e lavorazione richiederà la creazione di nuove imprese e, di conseguenza, di posti di lavoro, ciò gioverà all'economia nazionale e avrà un impatto positivo sul benessere delle persone.

Il miglioramento delle tecnologie e lo sviluppo di nuovi metodi potranno rafforzare l'effetto positivo dei biocarburanti. Ad esempio, lo sviluppo di tecnologie che utilizzano plancton e alghe potrà ridurne significativamente il costo.

Allo stesso tempo, allo stadio attuale dello sviluppo della scienza e della tecnologia, la produzione di biocarburanti comporta una serie di difficoltà e inconvenienti. Innanzitutto, vi sono limitazioni naturali nella coltivazione delle piante.

Per la crescita delle colture utilizzate per la produzione di biomassa, è necessario considerare una serie di fattori, ovvero:

• Utilizzo dell'acqua. Le piante agricole consumano molta acqua, che è una risorsa limitata, specialmente nelle zone aride.
• Invasività. Le colture coltivate per il carburante sono spesso aggressive. Soffocano la flora autoctona, il che può danneggiare la biodiversità e l'ecosistema della regione.
• Fertilizzanti. Per la crescita di molte piante è necessaria l'applicazione aggiuntiva di nutrienti, che possono danneggiare altre colture o l'ecosistema generale.
• Clima. Alcune zone climatiche (ad es. deserto o tundra) non sono adatte alla coltivazione di colture per biocarburanti.

La coltivazione intensiva di piante agricole è anche associata all'esaurimento delle risorse agricole. La mancata osservanza delle pratiche agronomiche può portare a una riduzione del contenuto di componenti utili del suolo e, di conseguenza, al loro esaurimento, il che aggraverà il problema alimentare.

Si verifica un'alterazione dell'ecosistema. La produzione di biomassa richiede solitamente l'espansione delle aree destinate all'agricoltura.

Spesso a questo scopo si procede alla bonifica del territorio, portando alla distruzione del microecosistema (ad esempio, la foresta) e alla morte di piante e animali.

Per la produzione di biocarburanti già oggi viene coltivata una grande quantità di colture agricole. Oltre il 50% della colza prodotta in Europa, più di un terzo del grano americano e quasi la metà della canna da zucchero coltivata in Brasile vengono destinati alla produzione di biomassa.

Sorgono problemi con la coltivazione di monocolture. Per ottenere un raccolto maggiore di biomassa, i produttori spesso seminano i terreni con una determinata pianta. Questa pratica non ha un effetto positivo sullo stato dei terreni agricoli, poiché la monocoltura porta a cambiamenti ambientali.

Nei campi occupati da una singola specie vegetale, di solito parassitano particolari varietà di parassiti. Il tentativo di combatterli con insetticidi e pesticidi porta solo allo sviluppo di resistenza a tali mezzi.

Per evitare i problemi sopra descritti, gli scienziati consigliano di non trascurare la biodiversità delle colture, combinando più piante nei campi, e di utilizzare varietà locali di flora.

Generazioni di combustibile alternativo

La vasta gamma di materie prime vegetali utilizzate per la biomassa viene solitamente suddivisa in diverse generazioni.

Prima generazione. A questa categoria appartengono le colture agricole con un'alta percentuale di amidi, zuccheri e grassi. Piante popolari come mais, barbabietola da zucchero, colza, soia.

Poiché la coltivazione di queste piante danneggia il clima e la loro rimozione dal mercato influenza la formazione dei prezzi dei prodotti, gli scienziati cercano di sostituirle con altri tipi di biomassa.

Dalle piante agricole appartenenti alla prima generazione di materie prime vengono attualmente prodotti quasi tutti i tipi di carburante liquido moderno (biodiesel, etanolo).

Seconda generazione. Nel gruppo della biomassa rientrano legno, erba, rifiuti agricoli (gusci, bucce). Ottenere biocarburanti da tali materie prime richiede costi elevati, ma consente di risolvere il problema dello smaltimento dei residui non alimentari con la contemporanea produzione di materiali combustibili.

La particolarità delle colture appartenenti a questa varietà è la presenza in esse di lignina e cellulosa. Grazie a ciò, la biomassa può essere bruciata e gassificata, nonché sottoposta a pirolisi, ottenendo carburante liquido.

Il principale svantaggio della biomassa di seconda generazione è considerato la resa insufficiente per unità di superficie, motivo per cui è necessario destinare notevoli risorse territoriali a tali colture.

Terza generazione. Le materie prime per la produzione di biocarburanti sono le alghe, coltivate su scala industriale, ad esempio in bacini aperti.

L'opzione più promettente è considerata il biocarburante ottenuto da alghe unicellulari. Tali piante accumulano rapidamente massa e per la loro coltivazione non sono necessari terreni fertili.

Questa pratica ha grandi prospettive, ma attualmente tali tecnologie sono solo in fase di sviluppo. Gli scienziati stanno inoltre conducendo ricerche per creare metodi che consentano di ottenere biocarburanti di quarta e persino quinta generazione.

Tre tipi di biocarburante

A seconda dello stato di aggregazione della sostanza, si distinguono tre tipi principali di biocarburanti:

1. Solido: legna da ardere, torba, rifiuti di origine animale e della produzione agricola.
2. Liquido: biodiesel, etere dimetilico, bioetanolo, biobutanolo.
3. Gassosi: biogas, metano, bioidrogeno.

Ogni tipo di sostanza ha le sue peculiarità, di cui si parlerà in seguito.

Tipo #1: solido

Tra le varietà solide più popolari di biocarburante rientrano il legno, la torba e i rifiuti animali.

Legno (legna da ardere, cippato, segatura)

Un antico tipo di biocarburante è la ben nota legna da ardere, utilizzata da tempo immemorabile per riscaldare le case e cucinare. Ancora oggi viene ampiamente impiegata in vari paesi per la produzione di calore/elettricità; in particolare, una grande centrale termoelettrica austriaca funziona a legna, con una potenza di 66 megawatt.

Allo stesso tempo, questa materia prima presenta degli svantaggi. Il valore energetico della legna è relativamente basso: durante la combustione, una parte della sostanza si deposita sotto forma di fuliggine, motivo per cui camini e stufe devono essere regolarmente puliti. Inoltre, per reintegrare le riserve di legna è necessario un certo tempo: nuovi alberi cresceranno solo dopo 15-20 anni.

Un'ottima alternativa alla legna da ardere tradizionale sono i pellet (granuli), per la cui produzione viene utilizzato legno di scarto: corteccia, trucioli, segatura pressata, rametti.

I pellet ottenuti da legno, torba e vari rifiuti hanno colori diversi. Quelli chiari sono utilizzati per alimentare caminetti e stufe, mentre quelli scuri, con un maggiore contenuto di corteccia, sono destinati alle caldaie a combustibile solido.

Per la produzione di pellet combustibile, la materia prima viene ridotta in polvere, che viene poi essiccata e pressata ad alta temperatura. Grazie alla lignina contenuta nel legno, si forma una massa appiccicosa dalla quale vengono formati piccoli cilindri di lunghezza 5-70 mm e diametro 6-10 mm.

Un'alternativa moderna alla legna tradizionale sono le bricchette combustibili di forma quadrangolare, esagonale o ottagonale. Questo materiale ecologico ha un elevato potere calorifico.

È possibile avviare la produzione di pellet da soli, fabbricando una pressa per bricchetti di combustibile.

Tra i tipi popolari di biocarburante figura il cippato di legno, che spesso funge da fonte di energia nelle centrali termoelettriche europee. La produzione di questa materia prima avviene nelle aree di disboscamento o su linee produttive specializzate dotate di macchine trituratrici.

Torba combustibile di palude e di foresta

È una varietà diffusa di biocarburante, utilizzata per scopi domestici e industriali da secoli. La torba è uno strato di muschio non completamente decomposto in condizioni di palude, la cui estrazione viene effettuata in molti paesi del mondo: Russia, Bielorussia, Canada, Svezia, Indonesia e altri.

La torba, contenente il 50-60% di carbonio, è considerata un materiale gassoso popolare. Questa preziosa materia prima può essere utilizzata non solo come combustibile, ma anche come fertilizzante o isolante termico.

Per comodità del processo produttivo, la biomassa viene solitamente lavorata sul luogo di estrazione. Il processo consiste nella pulizia (setacciatura) della materia prima da inclusioni estranee, seguita da essiccazione e formatura in bricchetti o granuli.

Biocarburante da scarti agricoli

Nella produzione agricola si accumula solitamente una grande quantità di diversi scarti vegetali: involucri esterni delle piante, gusci di noci, paglia.

Tale materia prima può essere anche pressata e granulata, ottenendo pellet combustibili le cui caratteristiche non differiscono quasi da quelli ottenuti dalla biomassa legnosa.

Biocarburante di origine animale

Oltre alla legna, già in tempi antichi le persone iniziarono a usare combustibile di origine animale, cioè i kizjak – letame essiccato di animali domestici. Le moderne tecnologie di essiccazione e lavorazione di tale materia prima permettono di ottenere varietà solide di biocarburante completamente prive di odori sgradevoli.

Fin dall'antichità i popoli nomadi usavano come combustibile il letame essiccato di cavalli, cammelli e bovini. Oggigiorno, dai rifiuti organici degli animali domestici si produce biocarburante sotto forma di bricchetti o pellet.

Poiché attualmente i rifiuti zootecnici si accumulano su scala industriale, la loro trasformazione in combustibile risolve contemporaneamente il problema dello smaltimento.

Tipo #2: liquido

Le varianti liquide di biocarburante, sicure ed ecologiche, vengono utilizzate principalmente come sostituti della benzina e di altri combustibili simili. Tra le opzioni più comuni rientrano bioetanolo, biometanolo, biobutanolo, biodiesel, dimetiletere.

Bioetanolo da colture vegetali

Questo è un comune biocarburante liquido utilizzato per il rifornimento di automobili. Sebbene la sostanza pura non venga impiegata come combustibile, la sua aggiunta alla benzina contribuisce a migliorare le prestazioni del motore, aumentarne la potenza, controllare il riscaldamento del motore e ridurre le emissioni di scarico.

In molte stazioni di servizio in Europa, Asia, Nord e Sud America non viene offerto solo carburante tradizionale, ma anche vari tipi di biocarburante, principalmente miscele contenenti bioetanolo.

Il bioetanolo è stato apprezzato anche dagli amanti dei caminetti. Questa sostanza ha un buon rendimento termico, inoltre durante la combustione non si forma fuliggine o fumo, e la quantità di anidride carbonica emessa è ridotta al minimo.

Grazie a queste caratteristiche, il combustibile può essere utilizzato anche per alimentare il focolare in edifici plurifamiliari. Maggiori informazioni sul biocarburante per caminetti sono disponibili in questo articolo.

La produzione di bioetanolo avviene da materie prime di prima generazione contenenti amido o zucchero. Cereali, mais, canna da zucchero, barbabietola vengono lavorati mediante tecnologia di fermentazione alcolica.

Biobutanolo per rifornimento auto

Biobutanolo – analogo del butanolo ottenuto per via biologica. Liquido incolore con un odore caratteristico, ampiamente utilizzato come materia prima chimica nell'industria, e può anche essere usato come carburante per trasporti.

Il contenuto energetico del butanolo è simile a quello della benzina, il che permette di sostituire parzialmente quest'ultima nelle celle a combustibile. A differenza del bioetanolo, il biobutanolo può essere utilizzato da solo, senza aggiunta di carburanti tradizionali.

Le materie prime per la produzione di questa sostanza biologica sono le piante più diverse: barbabietola, manioca, grano, mais.

Etere dimetilico (C₂H₆O)

È anche un carburante ecologico. Durante la sua combustione, nei gas di scarico non sono presenti composti di zolfo, e il contenuto di composti di azoto è del 90% inferiore rispetto alla combustione della benzina.

L'etere dimetilico può essere utilizzato senza filtri speciali, ma è necessario apportare modifiche sostanziali alla struttura dell'auto (sistema di alimentazione, accensione del motore).

L'etere dimetilico è considerato un'opzione promettente per il carburante automobilistico. Veicoli con motori progettati per questo carburante vengono sviluppati da grandi aziende come Volvo, SAIC Motor, KAMAZ, Nissan.

Senza alcuna modifica, è possibile utilizzare un carburante combinato contenente il 30% di etere dimetilico in veicoli dotati di motori LPG.

Il carburante liquido può essere prodotto da diverse materie prime: gas naturale, polvere di carbone, biomassa e soprattutto dai residui della produzione di carta e cellulosa, che si trasformano in liquido a bassa pressione.

Biometanolo da alghe unicellulari

Tale sostanza è un analogo del normale metanolo, ampiamente utilizzato per la produzione di vari composti chimici (acido acetico, formaldeide), e viene anche usato come antigelo e solvente.

La questione della produzione di questo tipo di biocarburante è stata sollevata per la prima volta negli anni '80, quando un gruppo di scienziati ha proposto di ottenere una sostanza liquida attraverso la trasformazione biochimica del fitoplancton marino, la cui coltivazione sarebbe avvenuta in bacini speciali.

Il biometanolo ha una serie di potenziali vantaggi:

• elevata resa energetica – 14 nella produzione di metano, 7 nella produzione di metanolo;
• eccellente produttività del fitoplancton – fino a 100 tonnellate per ettaro all'anno;
• poca esigenza degli organismi unicellulari, per la cui coltivazione non sono necessari acqua dolce o terreni fertili;
• conservazione delle risorse agricole, poiché il fitoplancton viene coltivato in stagni o baie marine.

Sebbene la produzione industriale di biometanolo non sia ancora stata avviata, attualmente sono in corso ricerche e sviluppo di tecnologie per promuovere la produzione di questo tipo di carburante alternativo.

Biodiesel come alternativa al carburante per trasporti

Questo è un biocarburante liquido per motori, costituito da una miscela di esteri di acidi grassi. La sostanza è sicura per l'uomo e gli animali, si decompone quasi completamente nel terreno in 28 giorni e ha una temperatura di accensione relativamente alta (<100).

Il biodiesel riduce la percentuale di emissioni di gas nocivi e prolunga la vita del motore, poiché contiene componenti lubrificanti.

Il combustibile viene utilizzato per alimentare i motori automobilistici sia da solo che in combinazione con carburante normale. Va considerato solo il breve periodo di conservazione della sostanza biologica: dopo tre mesi inizia la decomposizione con la completa perdita delle proprietà.

Per il biodiesel nei paesi dell'UE è stato adottato lo standard speciale EN14214. In alcuni paesi è in vigore anche lo standard EN590, che consente l'aggiunta del 5% di biodiesel ad altro carburante.

Tipo #3: gassoso

Le principali varietà di biocarburante gassoso includono il biogas e il bioidrogeno.

Il biogas come sostituto del gas naturale

Il biogas è praticamente un analogo completo del gas naturale: contiene 13-50% CO_2, 49-87% di metano, e impurità di H₂ e H₂S. Se questa sostanza viene purificata dall'anidride carbonica, si può ottenere biometano.

Il biocarburante gassoso viene prodotto dalla biomassa mediante fermentazione idrogenica o metanica. Quest'ultima è causata da tre tipi di microrganismi: prima la materia prima viene esposta a batteri idrolitici, che vengono poi sostituiti da microrganismi acidogeni e metanogeni.

La produzione di biogas può essere effettuata su impianti industriali e artigianali. Il metodo di produzione più comune è la fermentazione aeronobica in metantanchi.

Come materie prime possono essere utilizzati vari materiali: insilato, letame, alghe, acque reflue, escrementi, residui fecali, rifiuti domestici. La sostanza iniziale viene portata allo stato omogeneo, dopodiché viene inserita nel reattore mediante un caricatore.

Lì viene mantenuta una temperatura confortevole di +35-38°C, necessaria per il processo di fermentazione metanica.

La materia prima viene costantemente mescolata, mentre il prodotto gassoso che si forma viene convogliato in un gasometro (serbatoio di stoccaggio), da dove entra nel generatore elettrico.

Maggiori dettagli sulla produzione di biogas dal letame e sull'allestimento di un impianto di biogas sono descritti negli articoli:

1. Come produrre biocarburante fai da te dal letame in ambiente domestico
2. Impianto di biogas per una casa privata fai-da-te: consigli per la costruzione e un esempio di realizzazione artigianale

Bioidrogeno ottenuto con metodo chimico

Una varietà di biocarburante gassoso, che è un analogo dell'idrogeno normale, si ottiene dalla biomassa mediante metodi biochimici o termochimici.

Con il metodo termochimico, la materia prima preparata (ad esempio, scarti di legno) viene riscaldata a una temperatura di 500-800°C senza accesso di ossigeno, e si sviluppano gas H₂, CO, CH₄.

Un metodo promettente per la produzione di bioidrogeno è la biofotolisi. In questo caso, il gas viene prodotto utilizzando alghe che vengono collocate in acqua di mare e acque reflue.

Nel processo biochimico, la materia prima viene mantenuta in condizioni confortevoli a pressione normale e a una temperatura di circa 30°C.

Nella biomassa vengono introdotti microrganismi speciali come Enterobacter cloacae e Rodobacter speriodes, che decompongono il prodotto originale rilasciando idrogeno. Per accelerare la produzione utilizzando polisaccaridi, è consentita l'aggiunta di enzimi.

Conclusioni e video utili sull'argomento

Nel video presentato di seguito è possibile vedere il processo di produzione di un popolare tipo di biocarburante – i bricchetti di legno:

I tipi di biocarburante differiscono non solo per lo stato di aggregazione, ma anche per le caratteristiche. Nella scelta di tali materiali, è necessario considerare l'uso previsto, l'efficienza, le proprietà funzionali e il costo.

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