Le tecnologie del biopower convertono i combustibili rinnovabili della biomassa in calore ed elettricità usando apparecchiature simili a quelle usate con combustibili fossili.
Una vantaggiosa caratteristica della biomassa è la sua disponibilità rispetto alla domanda, in quanto essa è in grado di conservare intatta l'energia fino al suo utilizzo.
Fino a pochi anni fa negli Stati Uniti e ancora oggi nei paesi in via di sviluppo, la biomassa veniva utilizzata per cucinare e per usi individuali; attualmente le tecnologie hanno raggiunto un tale sviluppo che possono generare elettricità dall'energia contenuta nei combustibili della biomassa e soddisfare i fabbisogni energetici di piccoli villaggi, ma anche di una piccola città .
APPLICAZIONI E PROCESSI DI CONVERSIONE:
Si è detto che esistono molteplici tipologie di biomasse. Le tecnologie che vengono sfruttate per ottenere energia dai vari tipi di biomasse sono naturalmente diverse e diversi sono anche i prodotti energetici che si ottengono.
Prima di procedere è opportuno precisare che la conversione è solo uno degli aspetti di un problema più vasto, che investe, da un lato, la realtà  presente o l'eventuale futuro ordinamento nel quale le biomasse si producono, e, dall'altro, le possibili utilizzazioni delle energie producibili.
Con questo si evidenzia un circuito:
produzione - raccolta - conversione - utilizzazione
che va studiato in un contesto ottimale, e che presuppone iniziative ed interventi coordinati di largo respiro, in cui siano coinvolti il pubblico potere ed il mondo imprenditoriale.
I processi industriali di conversione di biopower si suddividono fondamentalmente in 2 tipi:
PROCESSI TERMOCHIMICI: Nelle trasformazioni termochimiche (combustione, pirolisi e gassificazione) l'energia è ricavata dalla trasformazione in calore. I processi di conversione termochimica sono basati sull'azione del calore che permette le reazioni chimiche necessarie a trasformare la materia in energia e sono utilizzabili per i prodotti ed i residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N (carbonio/azoto) abbia valori superiori a 30 ed il contenuto di umidità  non superi il 30%. Le biomasse più adatte a subire processi di conversione termochimica sono la legna e tutti i suoi derivati (segatura, trucioli, ecc.), i più comuni sottoprodotti colturali di tipo ligno-cellulosico (paglia di cereali, residui di potatura della vite e dei fruttiferi, ecc.) e taluni scarti di lavorazione (lolla, pula, gusci, noccioli, ecc.).
PROCESSI BIOCHIMICI: I processi biochimici (digestione anaerobica o la fermentazione alcolica) ricavano energia da reazioni chimiche dovute alla presenza nella biomassa di funghi, enzimi e microrganismi, che si formano nella biomassa sotto particolari condizioni, e vengono impiegati per quelle biomasse in cui il rapporto C/N sia inferiore a 30 e l'umidità  alla raccolta superiore al 30%.
PROCESSI TERMOCHIMICI
COMBUSTIONE: la combustione di prodotti e residui agricoli si attua con buoni rendimenti, se si utilizzano come combustibili sostanze ricche di glucidi strutturati (cellulosa e lignina) e con contenuti di acqua inferiori al 35%. I prodotti utilizzabili a tale scopo sono i seguenti: legname in tutte le sue forme; paglie di cereali; residui di raccolta di legumi secchi; residui di piante oleaginose (ricino, catramo, ecc.); residui di piante da fibra tessile (cotone, canapa, ecc.); residui legnosi di potatura di piante da frutto e di piante forestali; residui dell'industria agro-alimentare.
La combustione è una reazione chimica in cui una sostanza (combustibile) si combina con l'ossigeno dell'aria (comburente) sviluppando calore. La combustione presuppone la contemporanea presenza in giuste proporzioni di tre elementi fondamentali: il combustibile, il comburente e la temperatura. In assenza anche di uno solo di questi fattori la combustione non ha luogo, mentre se le proporzioni non sono rispettate si parla di combustione incompleta. Dal punto di vista termodinamico, la combustione è un processo di conversione dell'energia chimica del combustibile in calore.
L'energia termica recuperata viene utilizzata generalmente per riscaldamento o per processi produttivi industriali oppure per generare elettricità  grazie a cicli a gas o a vapore. Però la combustione di biomassa associata a cicli a vapore Rankine non sempre consente di ottenere ottimi rendimenti di generazione elettrica.
Le caldaie a letto fluido rappresentano la tecnologia più sofisticata e dispendiosa che sta ricevendo, però, notevoli attenzioni, infatti essa permette il conseguimento di numerosi vantaggi quali la riduzione degli inquinanti e l'elevato rendimento di combustione.
COFIRING: Una immediata opportunità per l'utilizzo massiccio delle biomasse come fonte per ottenere energia elettrica è data dalla tecnologia della co-combustione (cofiring), fin dal 1990 molte verifiche sperimentali hanno dato esito positivo nella sostituzione di una porzione di carbone con biomassa da utilizzare nella stessa caldaia dell' impianto preesistente. Ciò può essere fatto miscelando la biomassa con carbone prima che il combustibile venga introdotto nella caldaia o utilizzando alimentazioni separate per la biomassa e il carbone. In base al tipo di caldaia e al sistema di alimentazione impiegato, la biomassa può sostituire fino al 15% del carbone in questa operazione di cofiring. Si può arrivare a sostituire il 20% di carbone con biomasse, riducendo le emissioni di protossido d'azoto, di anidride solforosa e di anidride carbonica.
Questa soluzione è sicuramente una delle più economiche fra le opzioni energetiche offerte dalle fonti rinnovabili.

PIROLISI: è un processo di decomposizione termochimica di materiali organici, ottenuto mediante l'applicazione di calore, a temperature comprese tra 400 e 800°C, in completa assenza di un agente ossidante, oppure con una ridottissima quantità di ossigeno (in quest’ultimo caso il processo può essere descritto come una parziale gassificazione).
I prodotti della pirolisi sono sia gassosi, sia liquidi, sia solidi, in proporzioni che dipendono dai metodi di pirolisi (pirolisi veloce, lenta, o convenzionale) e dai parametri di reazione.
Uno dei maggiori problemi legati alla produzione di energia basata sui prodotti della pirolisi è la qualità di detti prodotti, che non ha ancora raggiunto un livello sufficientemente adeguato con riferimento alle applicazioni, sia con turbine a gas sia con motori diesel.
In prospettiva, anche con riferimento alle taglie degli impianti, i cicli combinati ad olio pirolitico appaiono i più promettenti, soprattutto in impianti di grande taglia, mentre motori a ciclo diesel, utilizzanti prodotti di pirolisi, sembrano più adatti ad impianti di piccola potenzialità. In particolare, a livello sperimentale, si nota che:
con una pirolisi lenta a basse temperature e lungo tempo di permanenza si ha un contenuto carbone di legna di circa il 30% in peso con un contenuto energetico di circa il 50%; la pirolisi estremamente veloce (flash pirolisi) condotta ad una temperatura relativamente bassa (intorno a 500 °C con un massimo di 650°C) e con un tempo di permanenza molto basso (meno di 1 secondo) fa aumentare i prodotti liquidi fino all’80% in peso; la pirolisi estremamente veloce (flash pirolisi) condotta a temperature superiori (sopra i 650°C) fa aumentare i prodotti gassosi fino all’80% in peso; una pirolisi condotta in condizioni convenzionali, ovvero a temperature moderate (inferiori a 600 °C) dà origine a prodotti gassosi, liquidi e solidi in proporzioni più o meno costanti. La produzione di bio-olio consente di avere un combustibile a più alto contenuto energetico se comparato con la biomassa di partenza e, una volta stabilizzato, stoccabile per lungo tempo a temperatura ambiente senza problemi di degradazione.La combustione diretta viene generalmente attuata in apparecchiature (caldaie) in cui avviene anche lo scambio di calore tra i gas di combustione ed i fluidi di processo (acqua, olio diatermico, ecc.).

GASSIFICAZIONE: è un processo endotermico a due stadi in cui un combustibile solido (biomassa o carbone) è termochimicamente convertito in un gas a basso o medio potere calorifico inferiore variabile tra 4000 e 14000 KJ/Nm3.
Nel primo stadio, la pirolisi, i componenti più volatili sono vaporizzati a temperature inferiori a 600 °C da un insieme di reazioni complesse. I componenti volatili sono gas di idrocarburi, idrogeno, CO, CO2, nerofumo e vapore acqueo.
Poiché i combustibili ottenuti dalla biomassa hanno un contenuto di componenti volatili superiori al carbone (rispettivamente 70-86% e 30% su base secca), la pirolisi gioca un ruolo fondamentale più nella gassificazione della biomassa che in quella del carbone.
Le sostanze carbonizzate e la cenere sono prodotti non vaporizzabili, perciò nel secondo stadio questi composti devono essere gassificati in una reazione con ossigeno, vapore e idrogeno. La parte incombusta delle sostanze carbonizzate viene bruciata per fornire il calore necessario alle reazioni endotermiche di gassificazione. La gassificazione può essere realizzata a bassa pressione, a letto fisso e a letto fluidizzato (nel caso ci sia combustione)
Le tecnologie di gassificazione della biomassa sono ritenute promettenti sia perché nell'immediato possono essere abbinate alle attuali tecnologie di produzione dell'energia elettrica, in particolare nelle centrali a gas a ciclo combinato, sia perché possono essere abbinate alle eventuali future centrali elettriche a fuel-cell, in particolare MCFC e SOFC, nelle quali gas composti da idrogeno e carbonio sono ottimali.

Le figure rappresentano due impianti per la produzione di gasogeno a partire da torba (combustibile solido derivante dalla carbonizzazione di piante acquatiche o palustri come sfagni, ciperacee, graminacee ecc., la torba essiccata contiene il 40-60% di carbonio; il potere calorifico è fra 3000 e 3500 kcal/kg.) o carbone di legna. Il primo impianto funziona con materiale in pezzi grossi il secondo in pezzi piccoli. In essi, la combustione in difetto d’aria, produce una miscela di gas ricca di ossido di carbonio e idrogeno,(syngas o gas di gasogeno o gas illuminante o gas di città). Entrambi gli impianti erano caricati attraverso le porte b che durante la combustione erano chiuse ermeticamente. L’aria per la combustione entrava dalle griglie f e i gas prodotti uscivano dalle condutture g.
Un'applicazione pratica della gassificazione per ottenere un'elevata efficienza termica è una caldaia ad effetto gasogeno.Impiegando il tradizionale combustibile solido, cioè la legna o altri prodotti vegetali, si possono ottenere dei risultati soddisfacenti.Il combustibile solido viene sistemato in un ampio focolare posto a media altezza della caldaia, attraverso la porta superiore la quale consente l'introduzione di pezzi di medie e grosse dimensioni. (La capacità totale del focolare e' di 0,20 m3). La caratteristica principale della caldaia e' dovuta a fatto che nel momento in cui il combustibile si surriscalda, produce gas naturale il quale, attraverso particolari aperture praticate alla base della camera di combustione, viene forzatamente convogliato nella parte inferiore della caldaia, formando la caratteristica fiamma rovesciata. Tale sistema tende allo sfruttamento massimo del combustibile, evitando, come nelle caldaie tradizionali, il formarsi di piccole particelle di residui incombusti. Le caldaie, il cui principio di funzionamento e' basato sul sistema gasogeno, sono presenti ormai da molti anni sul mercato mondiale del riscaldamento, in grado di garantire ottimi risultati e soddisfare ogni esigenza.

CARBONIZZAZIONE: è un processo di tipo termochimico che consente la trasformazione delle molecole strutturate dei prodotti legnosi e cellulosici in carbone (carbone di legna o carbone vegetale), ottenuta mediante l’eliminazione dell’acqua e delle sostanze volatili dalla materia vegetale, per azione del calore nelle carbonaie, all’aperto, o in storte, che offrono una maggior resa in carbone.
Rispetto ai sistemi a combustibile fossile, essi rappresentano una alternativa più accettabile dal punto di vista ambientale.
PROCESSI BIOCHIMICI
DIGESTIONE ANAEROBICA: processo di conversione di tipo biochimico, avviene in assenza di ossigeno e consiste nella demolizione, ad opera di micro-organismi, di sostanze organiche complesse (lipidi, protidi, glucidi) contenute nei vegetali e nei sottoprodotti di origine animale, che produce un gas (biogas) costituito per il 50÷70% da metano e per la restante parte soprattutto da CO2 ed avente un potere calorifico medio dell'ordine di 23.000 kJ/Nm3.™
Il biogas così prodotto viene raccolto, essiccato, compresso ed immagazzinato e può essere utilizzato come combustibile per alimentare caldaie a gas per produrre calore o motori a combustione interna (adattati allo scopo a partire da motori navali a basso numero di giri) per produrre energia elettrica. Al termine del processo di fermentazione nell'effluente si conservano integri i principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella materia prima, favorendo così la mineralizzazione dell'azoto organico; l'effluente risulta in tal modo un ottimo fertilizzante. Gli impianti a digestione anaerobica possono essere alimentati mediante residui ad alto contenuto di umidità, quali le deiezioni animali, i reflui civili, i rifiuti alimentari e la frazione organica dei rifiuti solidi urbani. Tuttavia, anche in discariche opportunamente attrezzate per la raccolta del biogas sviluppato, solo il 40% circa del gas generato può essere raccolto, mentre la rimanente parte viene dispersa in atmosfera: poiché il metano, di cui è in gran parte costituito il biogas, è un gas serra con un effetto circa venti volte superiore a quello della CO2, le emissioni in atmosfera di biogas non sono desiderabili; quando invece la decomposizione dei rifiuti organici è ottenuta mediante digestione anaerobica nei digestori (chiusi) degli appositi impianti, quasi tutto il gas prodotto viene raccolto ed usato come combustibile.
Esempio minimo di sistema per la produzione di biogas

Quotidianamente viene aggiunta biomassa mescolata ad un minimo d'acqua in un serbatoio aperto (1).La miscela entra per gravità nell’impianto quando si apre la valvola (2). Il miscelatore (3), ha lo scopo di impedire la formazione di schiume e di sedimenti. Il recipiente digestore (4) è ermeticamente chiuso e coibentato . Ogni aggiunta di liquame fresco comporta uno scarico di liquame digerito in un recipiente esterno (6). Il processo di digestione richiede da 14 a 35 giorni, secondo la temperatura dell’impianto, per cui il rifornimento quotidiano di liquame dovrebbe variare da 1/14 a 1/35 del volume del digestore per mantenere il tempo di ritenzione desiderato. Il gas prodotto gorgoglia attraverso il liquame fino alla parte superiore del digestore (5) e tramite una condotta con silicone (7) viene portato fino al serbatoio (8). Una precauzione importante è la sistemazione di un retino antifiamma di ottone o rame all’inizio della condotta che porta al serbatoio. Il biogas prodottoè una miscela del 60% circa di metano, la parte infiammabile, e del 40% circa di anidride carbonica. In una piccola fattoria con 10 bovini, 10 suini, 50 tra galline, conigli e animali vari, e 4 persone si possono produrre circa 4,5 metri cubi di metano al giorno, naturalmente in una fattoria ci sono anche rifiuti vegetali, ( stalla, orto, ecc ) per cui la produzione può essere di 6/7 Nm3 al giorno se il recipiente di raccolta è debitamente dimensionato, equivalente a circa 60.000 Kcal
Digestore anaerobico a caldo e gasometro

I sottoprodotti di tale processo biochimico sono ottimi fertilizzanti poiché parte dell'azoto, che avrebbe potuto andare perduto sotto forma di ammoniaca, è ora in una forma fissata e quindi direttamente utilizzabile dalle piante. Al termine del processo di fermentazione si conservano integri i principali elementi nutritivi (azoto, fosforo, potassio), già presenti nella materia prima, favorendo così la mineralizzazione dell’azoto organico risultando in tal modo un ottimo fertilizzante.
DIGESTIONE AEROBICA: consiste nella metabolizzazione delle sostanze organiche per opera di micro-organismi, il cui sviluppo è condizionato dalla presenza di ossigeno. Questi batteri convertono sostanze complesse in altre più semplici, liberando CO2 e H2O e producendo un elevato riscaldamento del substrato, proporzionale alla loro attività metabolica. Il calore prodotto può essere così trasferito all’esterno, mediante termofila autoriscaldata (Autoheated Termophilic Aerobic Digestion) per il trattamento delle acque di scarico. Più recentemente tale tecnologia si è diffusa anche in Canada e Stati Uniti.
SISTEMI “SMALL-MODULAR”: tali sistemi potrebbero potenzialmente soddisfare il fabbisogno energetico di oltre 2,5 miliardi di persone che sono sprovviste di energie elettrica.Tale potenzialità deriva dal fatto che la maggioranza di queste persone vive in aree dove sono disponibili grandi quantità di biomassa utilizzabile come combustibile. Uno small system con capacità di circa 5 MW potrebbe rappresentare un’ottima soluzione a livello di villaggio. Gli small system hanno un potenziale mercato anche nei paesi industrializzati, in quanto potrebbero essere utilizzati come fornitura energetica complementare all’ordinaria rete.
BENEFICI ECONOMICI DEL BIOPOWER: Il costo per generare elettricità da biomassa varia in base a: tipo di tecnologia grandezza dell’impianto costo dell’approvvigionamento della biomassa. La grandezza dell’impianto varia da pochi KW (comunque sufficienti al fabbisogno energetico domestico) per un’unità di generazione on-site fino a 80 MW per un impianto. Ogni MW di biopower genera energia a sufficienza per rifornire 525 utenze domestiche medie all’anno. Tuttavia le limitazioni delle fonti di biomassa a livello locale rendono il biopower antieconomico se viene superato il limite di 100MW. Attualmente il cofiring offre i vantaggi di bassi costi, basso rischio, piccoli investimenti economici rispetto alla capacità di generazione e un periodo di payback al massimo di due anni.
Affinché un impianto a biomassa si riveli economicamente vantaggioso è necessario minimizzare le distanze di trasporto tra il punto di approvvigionamento delle risorse e l’impianto: a tal proposito si è calcolato che se la distanza è superiore a 100 miglia l’impianto è antieconomico.
Le migliori condizioni economiche si hanno quando i residui di biomassa prodotti vengono utilizzati nel sito stesso di produzione della biomassa (es. cartiere, segherie, zuccherifici).
Solitamente, a monte di tutti i processi di conversione sono necessari opportuni pretrattamenti del materiale di base.
Questi possono comprendere lavaggio con acqua, essiccazione con mezzi meccanici (pressatura) o termici, riduzione in piccole dimensioni, densificazione (produzione di pellets, cubetti o formelle), separazione delle fibre (estrazione con solventi).
I prodotti finali, a seconda dell'impiego, debbono, a loro volta, essere trattati: per separarli (ad es. dal substrato che non ha reagito, dai catalizzatori, dai microrganismi, dai solventi), per purificarli e per concentrarli. Si ricorre, a seconda dei casi, alla sedimentazione, alla filtrazione, alla centrifugazione, alla distillazione, all'assorbimento, alla estrazione con solventi, ecc.
Può risultare utile una tabella che illustra i processi tipici di conversione di biomasse in energia, tenendo conto del rapporto C/N e della percentuale di H2O presente come discriminanti.
Tornando alla vera e propria produzione di calore per mezzo delle biomasse, bisogna considerare che riscaldarsi con le biomasse non fa solo bene all’ambiente ma anche alla propria economia, perché a parità di calore prodotto i combustibili vegetali costano molto meno rispetto a quelli fossili.
Il grafico consente un confronto tra i tre principali combustibili fossili da riscaldamento (gasolio, metano e gpl) e le tre principali biomasse. Il confronto è effettuato sulla base del costo dell’energia corrispondente a 1 litro di gasolio (litro-equivalente gasolio). Si nota immediatamente che il costo dell’energia da biomassa è in tutti i casi nettamente inferiore. Il risparmio di esercizio è quindi considerevole, e consente in molti casi un rapido recupero del capitale investito nell’impianto.

Risultano idonei alla conversione biochimica le colture acquatiche, alcuni sottoprodotti colturali (foglie e steli di barbabietola, ortive, patata, ecc.), i reflui zootecnici e alcuni scarti di lavorazione (borlande, acqua di vegetazione, ecc.), nonché alcune tipologie di reflui urbani ed industriali.