Bio Energy - Produzione di biomasse
Il materiale organico viene convertito in una forma utilizzabile nota come bioenergia. I materiali utilizzati nel processo di produzione di energia sono definiti materie prime.
Per comprendere meglio la biomassa, esploreremo prima le varie fonti.
La produzione di biomassa si riferisce all'aumento della quantità di materia organica. È l'aggiunta di materia organica in una data area o popolazione. La biomassa è considerata energia rinnovabile perché viene reintegrata con la crescita di piante e animali.
Esistono due forme di produzione:
Primary productionsi riferisce alla generazione di energia dalle piante attraverso la fotosintesi. L'energia in eccesso generata viene immagazzinata e si somma alla biomassa totale nell'ecosistema. La produzione primaria potrebbe essere stimata dalla copertura forestale totale in un dato anno.
Secondary productionè l'assorbimento della materia organica come tessuti del corpo da parte degli organismi. Comprende l'ingestione da parte degli animali, cioè l'alimentazione, sia di altri animali che di piante. Coinvolge anche la decomposizione della materia organica da parte di microrganismi. La produzione secondaria potrebbe essere stimata come la carne totale prodotta all'anno.
Sebbene la biomassa possa essere misurata come massa di organismi viventi e morti in un dato ambiente, la produzione è più difficile da stimare. Può essere stimato solo come l'aumento del volume sebbene parte della biomassa aggiuntiva possa essere stata sostituita attraverso processi naturali.
Combustione diretta per il calore
La combustione diretta per il calore è il metodo più antico di conversione della biomassa in energia sin dalle prime civiltà. La conversione termochimica (combustione) potrebbe essere ottenuta in diversi modi utilizzando materie prime diverse.
Combustione autonoma
I generatori a biomassa utilizzano diesel derivato da oli vegetali per alimentare i generatori diesel. I generatori bruciano il diesel organico per produrre energia per produrre elettricità.
È noto che le centrali elettriche e termiche combinate generano elettricità e energia termica utile. Le industrie ceramiche utilizzano il calore per essiccare prodotti come le piastrelle di argilla.
Alcune centrali elettriche utilizzano la biomassa per riscaldare l'acqua e produrre vapore per la generazione di elettricità. La biomassa viene bruciata per produrre abbastanza calore da far bollire l'acqua.
Gli impianti municipali di rifiuti solidi bruciano rifiuti solidi per generare elettricità. Questo tipo è soggetto a critiche poiché i rifiuti solidi contengono principalmente gas tossici da plastica e fibre sintetiche.
Co-combustione di biomasse
Oltre alla combustione autonoma, la biomassa potrebbe essere miscelata con altri combustibili fossili e bruciata per generare energia. Questo si chiama co-firing.
La biomassa potrebbe essere bruciata direttamente come carbone. Questa viene definita co-combustione diretta.
In altri casi, la biomassa viene prima trasformata in gas e poi convertita in syngas.
Il terzo caso è dove il combustibile fossile viene bruciato in una fornace diversa e l'energia prodotta viene quindi utilizzata per preriscaldare l'acqua in una centrale elettrica a vapore.
Tipi di combustione
I vari tipi di combustione sono:
Fixed bed combustion - Questo è un metodo in cui la biomassa solida viene prima tagliata in piccoli pezzi e poi bruciata su una superficie fissa piana.
Moving bed combustion- In questo metodo, una griglia è impostata per muoversi costantemente e in modo uniforme lasciando la cenere dietro. Il carburante brucia nei livelli di combustione.
Fluid-bed combustion- Il carburante viene fatto bollire ad alta pressione mescolato con sabbia. La sabbia serve a distribuire il calore in modo uniforme.
Burner combustion - In questo metodo, la polvere di legno e la polvere fine vengono poste in un bruciatore simile a quello del combustibile liquido.
Rotary furnace combustion- Un forno a forno viene utilizzato per bruciare materia organica con un alto contenuto di umidità. Tali rifiuti come residui di cibo o altri rifiuti umidi della fattoria vengono bruciati in questo modo.
Pirolisi
Pyrolysisè un'altra forma di trasformazione dei biocarburanti mediante combustione a temperature molto elevate senza ossigeno, che potrebbe causare una combustione completa. Ciò causa cambiamenti fisici e chimici irreversibili. L'assenza di processi di ossidazione o alogenazione si traduce in un biocarburante molto denso che potrebbe essere utilizzato nella combustione, co-combustione o convertito in gas.
Slow pyrolysissi verifica a circa 400oC. È il processo di produzione di carbone solido.
Fast pyrolysissi verifica tra 450oC e 600oC e produce gas organico, vapore di pirolisi e carbone. Il vapore viene trasformato mediante condensazione in forma liquida come bioolio. Questo deve essere fatto entro 1 secondo per prevenire ulteriori reazioni. Il liquido risultante è un liquido marrone scuro più denso della biomassa legnosa e ha lo stesso contenuto in termini di energia.
Il bio-olio ha una serie di vantaggi. È più facile da trasportare, bruciare e conservare. Molti tipi di materie prime possono essere elaborati attraverso la pirolisi per produrre bioolio.
Il diagramma riportato di seguito spiega il processo di conversione dell'energia in una forma utilizzabile dai biocarburanti attraverso la pirolisi.
Fermentazione alcolica
La fermentazione alcolica è il processo che converte gli zuccheri in cellulosa. Il processo si traduce in etanolo e anidride carbonica come sottoprodotti. Questo processo è considerato anaerobico poiché avviene in assenza di ossigeno. Oltre alla cottura del pane e alla produzione di bevande alcoliche, questo processo produce carburante alcolico. La formula chimica per la fermentazione alcolica è data da:
$ C_ {6} H_ {12} O_ {6} + lievito \ longrightarrow \: 2C_ {2} H_ {5} OH + 2CO_ {2} $
La canna da zucchero è la principale materia prima per questo processo, specialmente in ambienti asciutti. I pezzetti di mais o zucchero sono usati nelle zone temperate.
Applicazione dei prodotti
I prodotti hanno le seguenti applicazioni:
Acetone è un prodotto utilizzato per la produzione di additivi alimentari, colle dissolventi, diluizione di vernici, sgrassanti e prodotti cosmetici.
Hydrogenè utilizzato come agente di raffreddamento nell'industria energetica. Viene anche utilizzato nelle celle a idrogeno per la produzione di energia.
Butanolfornisce un carburante migliore dell'etanolo. Viene anche utilizzato come ingrediente in vernici, prodotti cosmetici, resine, coloranti, estrazioni di polimeri e nella produzione di fibre sintetiche.
Ethanolè usato come carburante, componente della vernice e additivo negli antisettici. Viene anche utilizzato nelle bevande alcoliche.
Digestione anaerobica di biogas
Anaerobic digestionè il processo biologico mediante il quale la materia organica viene scomposta per produrre biogas in assenza di ossigeno. I microrganismi come i batteri acidogenetici e gli acetogeni convertono la materia biodegradabile in biogas. Oltre ad essere una fonte di energia, è anche un metodo di deposizione dei rifiuti e una tecnica di conservazione ambientale.
L'equazione principale per questa conversione che produce anidride carbonica e metano è la seguente:
$ C_ {6} H_ {12} O_ {6} \ longrightarrow \: 3CO_ {2} + 3CH_ {4} $
La procedura passo passo è spiegata di seguito:
Step 1- Ripartizione della materia organica in molecole considerevoli per la conversione. Questo processo è noto come idrolisi.
Step 2- Gli acidogeni agiscono sulla materia decomposta convertendola in acidi grassi volatili (VFA) insieme ad ammoniaca, CO2 e idrogeno solforato. Il processo è chiamato acidogenesi.
Step 3 - I VFA vengono ulteriormente scomposti in acido acetico, anidride carbonica e idrogeno.
Step 4 - La fase finale è la combinazione delle emissioni di cui sopra per produrre metanolo, anidride carbonica e acqua.
