22 Aprile 2021

Biomasse lignocellulosiche e celle a combustibile di nuova generazione

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Quando una biomassa è utilizzata per scopi energetici, la CO2 che emette è pari a quella che ha assorbito nella fase di crescita, dando un contributo netto pari a zero. Questo a differenza di quanto avviene con la combustione delle fonti fossili che, al contrario, comporta rilascio di sostanze inquinanti. In questo articolo parliamo di biomasse lignocellulosiche e del suo apporto alla produzione di energia come alimentazione nelle celle a combustibile di nuova generazione. Due sono i tipi di celle a combustibile che utilizzano biomasse lignocellulosiche. Tra questi, una nuova promettente tecnologia consente notevoli vantaggi economici e ambientali. Un tuffo all’interno di tecnologie in grado di apportare un valido contributo nella lotta al cambiamento climatico.

Negli ultimi anni un crescente interesse è stato rivolto allo sviluppo di nuovi processi sostenibili e rispettosi dell’ambiente, come la tecnologia delle celle a combustibile per la produzione di energia utilizzando fonti rinnovabili, come le biomasse lignocellulosiche (BLC). Cosa sono e quale contributo posso apportare alla lotta al cambiamento climatico?

Le BLC possono essere classificate approssimativamente in biomasse vergini, biomasse di scarto e colture energetiche. Tutte le piante terrestri presenti in natura come alberi, cespugli ed erba sono chiamate biomasse vergini. I sottoprodotti di scarso valore di vari settori come l’agricoltura (foraggio di mais, bagassa di canna da zucchero, paglia ecc.) e la silvicoltura (scarti di segherie e cartiere) sono definiti biomasse di scarto. Le colture energetiche sono colture ad alto rendimento di biomasse lignocellulosiche, utilizzate per produrre combustibili solidi, liquidi o gassosi.

Cosa sono le biomasse lignocellulosiche? Alberi, cespugli, erba ma anche sottoprodotti agricoli, come la bagassa di canna da zucchero e scarti delle segherie e delle cartiere

Le BLC, derivanti da coltivazioni dedicate, scarti agricoli e rifiuti organici, sono la più versatile tra le fonti rinnovabili; ricoprono un ruolo chiave per una transizione energetica sostenibile e sono in linea con un modello di “economia circolare” basato sulla valorizzazione dei prodotti di scarto e rifiuti ed il loro reintegro nel ciclo produttivo.

La storia recente, infatti, evidenzia come l’aumento dell’uso di biomasse lignocellulosiche (BLC) in luogo di petrolio, carbone e gas naturale abbia contribuito a contenere le emissioni di CO2 in atmosfera. 

Quando una biomassa è utilizzata per scopi energetici, la CO2 che emette è pari a quella che ha assorbito nella fase di crescita, dando un contributo netto pari a zero. Questo a differenza di quanto avviene con la combustione delle fonti fossili che, al contrario, comporta rilascio di sostanze inquinanti.

Anche l’utilizzo di micro-cogeneratori a celle a combustibile garantisce una significativa riduzione delle emissioni di CO2, insieme ad un notevole risparmio di energia primaria, grazie agli elevati livelli di efficienza (di cui complessiva oltre al 90%; elettrica fino al 60%), con un notevole contributo al processo di transizione energetica del paese.

Riduzione delle emissioni CO2, livelli di efficienza elevati, valorizzazione di prodotti di scarto questi e altri i benefici dell’utilizzo della biomassa lignocellulosica nella tecnologia delle celle a combustibile

Andando più nel dettaglio della tecnologia, le celle a combustibile sono dispositivi elettrochimici che permettono di ottenere energia elettrica direttamente da alcune sostanze, comunemente idrogeno in grandi impianti di potenza, e composti organici a basso peso molecolare (metanolo, etanolo e acido formico) in piccoli dispositivi portatili, senza che avvenga alcun processo di combustione termica.

Le celle a combustibile alimentate con biomassa lignocellulosica possono essere classificate in due gruppi:

  • celle a combustibile a biomassa diretta (DBFC)
  • celle a combustibile a biomassa indiretta (IDBFC).

Le DBFC utilizzano biomasse naturali polimeriche, come lignocellulosa, cellulosa e lignina, e includono celle a combustibile funzionanti a diverse temperature:

  • a bassa temperatura (T <100oC) come le celle a combustibile microbiche (MFC), celle a combustibile alcaline (AFC) e celle a combustibile a flusso (FFC);
  • a temperatura intermedia (T = 150-300oC) come le celle a combustibile a conduzione protonica con membrana composita inorganico-organica;
  • ad alta temperatura (T ≥ 500oC) come le celle a combustibile a carbonio diretto (DCFC).

Le IDBFC richiedono la conversione della biomassa grezza in combustibili più adatti per l’uso nelle celle a combustibile, come zuccheri (glucosio e xilosio) e biochar, e includono celle a combustibile che funzionano sia ad alte temperature (DCFC alimentate con biochar) che a basse temperature (MFC alimentate con zuccheri), nonché celle a combustibile abiotiche a glucosio diretto (DGFC).

La tecnologia più promettente sono le celle a combustibile a flusso redox con notevoli vantaggi economici e ambientali

Considerando che un pretrattamento ad alte temperature (T> 400oC) è necessario per convertire la biomassa in biochar (pirolisi), il beneficio economico e i vantaggi ambientali dell’uso della biomassa sono ridotti. Dall’altro lato, cellulosa ed emicellulosa devono essere sottoposte a idrolisi per ottenere rispettivamente glucosio e xilosio, usati in IDBFC a bassa temperatura.

Tra questi tipi di celle a combustibile, le più promettenti sono le FFC, un nuovo tipo di celle a combustibile, in cui almeno un catalizzatore è in forma liquida. Nelle celle a combustibile a flusso redox sia l’anodo che il catodo sono elettrodi a flusso redox con catalizzatori liquidi.

Rappresentazione schematica della cella a combustibile a flusso redox
Nota: M1 e M11: mediatori elettronici

Rispetto alle tradizionali celle a combustibile abiotiche basate sull’uso di catalizzatori solidi, oltre alle prestazioni elettrochimiche e all’uso di catalizzatori a basso costo, sono in grado di utilizzare biomassa grezza, senza la necessità di pretrattamento. Inoltre, consentono di ottenere a temperatura ambiente performance maggiori rispetto alle MFC e AFC senza utilizzare, a differenza di queste ultime, metalli preziosi.


Ermete Antolini lavora presso la Scuola di Scienza dei Materiali di Cogoleto (GE), è stato insignito del titolo “Highly Cited Researchers” da Thomson Reuters


Sul tema bioenergie leggi anche:
Le molte facce dell’agricoltura nella lotta al climate change, di Redazione, 22 Dicembre 2020
Combustibili sostenibili per la sicurezza energetica e le filiere domestiche, di David Chiaramonti, 23 Aprile 2020
Finalmente una buona notizia,
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Foto: Pixabay

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