Gasificare zostera marina piuttosto che bruciare alberi
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Isomorph srl
Gasificare zostera marina piuttosto che bruciare alberi
Hans Grassmann, Univ. of Udine and Isomorph srl1
24.12. 2022
Solitamente la pianta zostera marina non è considerata un combustibile a causa della sua scarsa
infiammabilità. Di seguito presenteremo per la prima volta la gasificazione della zostera marina in
un gasificatore per carbone solare.
1. Introduzione
Nella maggior parte dei paesi ogni anno grandi quantità di biomasse vengono prodotte e lasciate
a decomporsi in CO2, rilasciando energia termica. Questa biomassa viene in gran parte prodotta
dal settore agrario –solo circa la metà della biomassa prodotta in agraria è cibo. Ci sono anche
altre risorse di “biomassa di scarto”, come ad esempio gli scarti del giardinaggio accumulati nei
centri abitati, o la zostera marina che si accumula sulle spiagge di molti centri costieri per le
vacanze. Dato che il prezzo al chilo per il materiale combustibile è approssimativamente alto
tanto quanto quello del materiale consumabile come cibo, il valore di questa energia persa come
“biomassa di scarto” è circa pari a quello dell’intera produzione agraria.
Ciò nonostante, queste biomasse non vengono utilizzate o perché non bruciano bene o perché
richiedono operazioni costose ed inefficienti per essere trasformate in combustibile utilizzabile.
Per esempio, la pirolisi può trasformare biomassa in biocarbone [1], riscaldando la biomassa a
una temperatura oltre i 300°C in assenza di ossigeno. Per ottenere questo calore parte della
biomassa viene bruciata, tipicamente il 30%: questa è una prima causa di inefficienza. Inoltre,
quando portata ad alte temperature, la parte volatile della biomassa viene rilasciata, portando via
con se’ almeno la metà del suo contenuto energetico. Quindi alla fine la produzione di
biocarbone raggiunge un’efficienza di non più del 30% (a seconda della temperatura).
Perlopiù, sia la produzione che la combustione di biocarbone sono costose. Di conseguenza,
fino ad oggi la biomassa che viene usata più spesso per produrre energia termica è il legno.
Per sostituire il legno con un altro materiale combustibile, è necessario trovare un modo più
efficiente per utilizzare le “biomasse di scarto”, e in più definire un materiale standard che possa
essere usato facilmente in un sistema standard di combustione (in maniera simile a come i
carburanti fossili possono essere bruciati con metodi standard indipendentemente dalla loro
provenienza).
2. Il carbone solare
È vero che anche con una fiamma libera il biocarbone brucia ad alte temperature e producendo
poco fumo, mentre il materiale grezzo da cui viene prodotto brucerebbe con una fiamma più
fredda e con una maggiore produzione di fumo.
In un gasificatore invece quello stesso materiale grezzo può anche esso essere bruciato con una
fiamma ad alta temperatura e pulita, sempre che sia gasificabile.
Molti tipi di biomasse nel loro stato naturale ovviamente non possono essere processati in un
gasificatore di questo genere, come ad esempio residui verdi del giardinaggio, patate, yogurt,
residui di caffe o letame. Ma è sufficiente torrefare o tostare a basse temperature (circa 130-
1 hans.grassmann@uniud.it, University of Udine, DPIA, via delle scienze 206, I-33100 Udine.
1
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150°C) questo tipo di materiali perché sia poi possibile gasificare anche essi, come verrà
approfondito nella Sezione 4.
La torrefazione della biomassa può essere fatta molto semplicemente, usando aria riscaldata con
energia solare, fornita per esempio da un sistema di Specchi Lineari [2],[3]. Un primo sistema
per la torrefazione solare di biomasse, adatto a una piccola industria (con un potere termico di
25 kW) è già stato costruito e ha dato ottimi risultati [4]. Questa nuova tecnologia è stata
presentata e discussa in occasione di ESOF2020 (science in the city) più in dettaglio [5]. Dato
che il materiale torrefatto, insieme al gasificatore adatto, possono sostituire i carburanti fossili,
lo chiameremo “carbone solare” [6].
Durante la torrefazione solare nessuna parte del materiale viene persa per la combustione e
nessuna sostanza volatile viene emessa: di conseguenza è molto efficiente dal punto di vista
energetico.
Inoltre, l’immagazzinamento dell’energia solare per lunghi periodi di tempo è in questo modo
semplice.
3. Obiettivo di questo studio
Il nostro obiettivo è torrefare differenti tipi di biomasse, ciascuno a una temperatura tale da
poter ottenere un materiale utilizzabile come carbone solare, che possa poi essere gasificato in
un gasificatore standard indipendentemente dalla sua provenienza. Per fare un esempio, con del
legno di alta qualità la torrefazione potrebbe non essere necessaria, mentre per materiali con una
bassa infiammabilità potrebbe essere necessaria una torrefazione ad alte temperature per
ottenere un combustibile con la stessa qualità del legno.
Come primo passo per avvicinarci a questo studio tanto complesso vogliamo verificare se un
tipo di biomassa considerato come un cattivo combustibile, può invece diventare un
combustibile di ottima qualità dopo essere stato tostato a una temperatura moderata e gasificato
nel nostro gasificatore per carbone solare. Per questo primo test, abbiamo scelto l’erba marina
“zostera marina”. Questa è così difficile da infiammare da essere stata certificata come materiale
di costruzione usato per isolare le case [7]. Se è possibile gasificare la zostera, viene difficile
immaginare una biomassa per cui non lo sia.
In molte località balneari la zostera costituisce un vero problema [8]. Per esempio, a Grado
vengono raccolti ogni anno 7.000 tonnellate di materiale (non solo zostera) nella zona battigia
con un costo di 400.000 € [9]. Con questa stessa quantità di Zostera si potrebbe invece fornre 3
MW di energia termica per 100 giorni per anno, risparmiando l’equivalente di 750 tonnellate di
olio combustibile fossile.
4. Setup del test
Per il nostro test abbiamo costruito un gasificatore molto semplice, fornito di una coclea che
trasporta la biomassa dentro il volume di gasificazione, che si trova alla fine del tubo
trasportatore, appena dopo la coclea. Il design come anticipato è appunto estremamente
semplice, così come lo è quello dello Specchio Lineare.
Tre sensori per la temperatura sono posizionati in tre luoghi diversi in modo da essere in
contatto con la parete del gasificatore. Questi vengono letti da un plc Siemens “Logo”, che usa
questa informazione per controllare la coclea, muovendola in modo da mantenere la temperatura
in condizioni di operabilità standard.
2Isomorph srl
Il gasificatore è anche fornito di un container che viene riempito a mano. Il flusso di aria per la
gasificazione viene fornito da due ventilatori RLF35 della serie ebm-papst, con un input
elettrico dalla potenza di 8.6 W che genera un flusso di 10 m3/h alla pressione di 120 Pa.
Figura 1: gasificatore per carbone soalre,
potenza termica 25 kW.
In questo nostro setup, il gas risultante dalla gasificazione viene bruciato da una fiamma
all’esterno del gasificatore, come mostrato in Figura 2. Questa fiamma ha una temperatura di
1200°C e non produce del fumo visibile. Secondo gli ingegneri della compagnia A2A, essa
potrebbe essere utilizzata per sostituire la fiamma che si ottiene nelle centrali a carbone
convenzionali dalla combustione del carbone fossile [9].
Figura 2: fiamma del gasificatore
Abbiamo raccolto un campione di zostera marina dalla spiaggia di Staranzano (Monfalcone,
Italia). Questa zostera è stata poi riscaldata a 130°C, senza di un qualunque tipo di lavorazione
iniziale (come il lavaggio per la rimozione del sale o della sabbia). Dopo la tostatura, la zostera
è stata lavorata con una cippatrice, dato che altrimenti la coclea avrebbe avuto problemi a
trasportarla in maniera omogenea.
5. Risultati
Per fare un paragone, abbiamo in primo luogo gasificato del pellet di legno, registrando la
temperatura dei tre sensori, come mostrato in Figura 3. Dopo 80 minuti questo era
completamente consumato, così abbiamo inserito al suo posto la zostera marina, senza dover
interrompere il funzionamento del gasificatore.
3Isomorph srl
gasification of wood and zostera
700
temperatere (deg. Celsius)
600
500
400
Figura 4: temperature 300 zostera
nel gasificatore 200
durante la
100
gasificazione di legno
(primi 80 minuti) e 0
zostera marina 0 20 40 60 80 100 120 140 160
time (minutes)
Quando nel gasificatore è stata inserita la zostera al posto del pellet, il suo funzionamento non
ha mostrato alcun cambiamento, e anche la temperatura registrata non ha mostrato variazioni
significative. Questo mostra che la zostera –che ha un contenuto energetico molto simile a
quello del legno- è un materiale eccellente per la produzione di carbone solare.
E’ possibile che la zostera produca più cenere rispetto al legno. Per studiare meglio questo
fenomeno, in futuro useremo un ciclone. Nonostante anche questa sia una misura importante,
non ci aspettiamo che sia di diretta rilevanza per il processo di gasificazione in se’, perlomeno
per questo tipo di gasificatore.
Conclusioni
Abbiamo gasificato con successo un campione di zostera marina tostata per la prima volta.
Questa e’ risultata gasificarsi molto bene in un semplice gasificatore fatto per lavorare con il
carbone solare. In questo primo stadio dei nostri studi sembrano non esserci differenze
significative rispetto alla gasificazione del pellet di legno.
L’obiettivo del nostro lavoro è l’introduzione di un nuovo materiale standardizzato di carbone
solare, così come ora i combustibili fossili sono standardizzati. Per raggiungere questo risultato
sono necessari molti più test. Dato che la zostera marina è stata finora considerata un pessimo
combustibile, difficile da infiammare, il primo test ci suggerisce che molti altri tipi di biomasse
potrebbero essere adatte alla produzione di carbone solare, e che quindi trovare un materiale
che carbone solare standardizzato sia possibile.
La produzione, così come l’utilizzo, del carbone solare riproducono in parte il ciclo chiuso della
vita nel nostro pianeta, quindi sono in maniera evidente in armonia con la natura. Hanno anche
vantaggi per l’economia, visto che milioni di tonnellate di “biomassa di scarto” vengono già
prodotte ogni anno per poi essere però buttate via come rifiuti.
Inoltre la tecnologia del carbone solare può essere integrata con altre già esistenti tecnologie,
per esempio per rendere gli impianti a carbone convenzionali CO2 neutri senza pero di tagliare
le foreste.
4Isomorph srl References [1] https://www.sector-project.eu / The Production of Solid Sustainable Energy Carriers from Biomass by Means of Torrefaction [2] Grassmann, H., et al., First Measurements with a Linear Mirror Device of Second Generation. Smart Grid and Renewable Energy, 4 (2013), 253-258. https://doi.org/10.4236/sgre.2013.43030 [3] H. Grassmann, M. Citossi,, Development and Test of a New Solar-Air Heat Exchanger for the Linear Mirror II System, Smart Grid and Renewable Energy, 10 (2019), 155-164. doi: 10.4236/sgre.2019.105010. [4] H.Grassmann et al., First Results from a Solar-Biomass Hybrid System for the Production of Solar Carbon, Smart Grid and Renewable Energy, 2020, 11, 21-28, https://doi.org/10.4236/sgre.2020.112002 [5] physics&art against CO2, presented by the University of Udine at ESOF2020 – science in the city, https://linearmirror-scienceinthecity.uniud.it/ [6] web site of Isomorph Production srl, https://www.isomorph-production.it [7] http://nova-institut.de/pdf/10-05-12%20Wikiprojekt%20Nawaro%20IV.pdf https://datenbank.fnr.de/index.php?id=7025&idprodukt=1582 https://www.oekologisch-bauen.info/baustoffe/naturdaemmstoffe/seegras.html [8] https://www.comunegrado.it/amministrazione-trasparente/456-informazioni-ambientali/misure- a-protezione-dell-ambiente-e-relative-analisi-di-impatto/gestione-delle-fanerogame-e-delle-alghe- spiaggiate https://www.comunegrado.it/attachments/article/643/AvvisoGara_CER200303.pdf [9] https://ilpiccolo.gelocal.it/trieste/cronaca/2015/09/02/news/blitz-dei-noe-sulle-alghe-ributtate-a- mare-1.12024761 https://ilpiccolo.gelocal.it/trieste/cronaca/2016/03/15/news/l-arenile-di-grado-salvato-grazie-al- riciclo-delle-alghe-1.13130982 [9] private communication 5
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