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pubblicato il 10 maggio 2017 in energia

I Biocarburanti

Fillmore è uno dei personaggi caratteristici del film “Cars” (Disney Pixar). E’ un autobus Volkswagen del 1960, i suoi simboli psichedelici liberal-ambientali lo rappresentano chiaramente come un hippie. Filmore è un acceso sostenitore dei prodotti “naturali” e si guadagna da vivere vendendo carburante organico.

Cosa sono?
Con il termine “biocarburanti” si indicano i carburanti allo stato liquido o gassoso ottenuti a partire dalla biomassa, che possono essere utilizzati per l’alimentazione di motori a combustione interna. Sono tradizionalmente impiegati per l’autotrazione, in sostituzione (o in miscela) dei combustibili fossili, ma il loro impiego si sta rapidamente espandendo e il campo di applicazione dei biocarburanti si sta orientando anche verso la generazione elettrica e termica, in particolare verso la cogenerazione.
La volontà e la necessità di scoprire carburanti rinnovabili è fortemente aumentata, negli ultimi decenni, a causa degli ormai riconoscibili impatti ambientali e climatici generati dalle fonti fossili e in nome della sicurezza dell’approvvigionamento. I vantaggi derivanti dall’impiego dei biocarburanti rispetto alle fonti fossili sono notevoli: sostenibilità, riduzione delle emissioni di gas serra, opportunità di sviluppo economico a livello regionale ed incremento occupazionale e, non ultima, anche una maggiore sicurezza di approvvigionamento. Infine, non dimentichiamo che le emissioni di CO2, SO2 e Nox derivanti dalla combustione di risorse fossili sono la causa principale dell’inquinamento atmosferico. Quanto alla riduzione generale delle riserve delle fonti fossili prevista nel futuro più o meno prossimo,avanzata nel1956 dal geofisico americano Marion King Hubbert e recentemente ripresa da diversi studiosi, c’è da dire che l’avvicinarsi del picco produttivo e la conseguente discesa non sono così imminenti come alcuni studiosi affermano. Nella tabella 1 sono riassunti i dati storici e previsionali della domanda di energia primaria mondiale, suddivisi per fonte, e in figura 1 è rappresentato lo scenario storico e previsionale (in Milioni di Tonnellate di equivalenti di greggio).

Tabella 1

Figura 1: scenario storico e previsionale della domanda di energia mondiale (in Milioni di Tonnellate di equivalenti di greggio), fonte Agenzia Internazionale dell’Energia.

Nel settore petrolifero dedicato all’autotrazione, gli sforzi economici e tecnologici degli ultimi anni hanno consentito di migliorare in modo significativo la qualità di benzina e gasolio e sono stati guidati da due obiettivi principali: il contenimento dei consumi e la diminuzione continua delle emissioni inquinanti. Con queste finalità,lo sviluppo tecnologico negli ultimi decenni è stato condizionato dalla progressiva introduzione di componenti di origine biologica nei combustibili liquidi tradizionali.In Europa si può considerare come data di partenza di questo processo il 1997, a seguito del mandato M/245 della Commissione Europea che ha affidato al CEN il compito di elaborare la norma per gli esteri metilici degli acidi grassi (biodiesel) per autotrazione. In altre parole, nel mandato si richiede di elaborare una norma che definisca le specifiche di qualità, le caratteristiche minime necessarie per il corretto funzionamento dei motori, per il contenimento delle emissioni inquinanti e per la sicurezza nella distribuzione.L’obiettivo della Commissione è stato duplice: ridurre l’impatto delle emissioni da combustione sui cambiamenti climatici antropogenici e diversificare le fonti energetiche.
Nella definizione attuale, i biocarburanti sono distinti in due categorie che dipendono dalle materie prime e dallo stato di avanzamento delle tecnologie di produzione. Si definiscono biocarburanti di prima generazione il biodisel, gli oli vegetali puri, il bioetanolo prodotto dai cereali e dalle materie prime zuccherine, il bio-ETBE (etil-terbutil-etere, prodotto per idrolisi del bioetanolo) e il biogas. La loro produzione e le loro applicazioni sono già avviate.
I biocarburanti di seconda generazione sono rappresentati dal bioetanolo prodotto dalle materie prime lignocellulosiche, il biodimetiletere, il bio-MTBE, il biobutanolo e il diesel sintetico ottenuto attraverso la reazione di Fischer-Torpsch. Altre materie prime impiegate per la produzione dei biocarburanti di seconda generazione sono le alghe, i rifiuti industriali o le graminacee che possono essere coltivate in terreni residuali come il miscanto. In alcuni casi si tratta di tecniche ancora sperimentali e non ancora avviate a scala reale, in altri si è già arrivati alla commercializzazione dei prodotti.

Non tutti i biocarburanti sono uguali. La loro evoluzione
Per quale motivo si è passati ai così detti biocarburanti di seconda generazione?La scelta è stata dettata dalla consapevolezza, raggiunta nel tempo, che impiegare materie prime edibili per la produzione di biocarburanti è tutt’altro che sostenibile. Se da un lato il biofuel di prima generazione ha degli innegabili benefici ambientali, soprattutto in termini di impronta di carbonio netta, dall’altro ha dato via libera nel tempo a coltivazioni intensive di canna da zucchero, olio di colza oppure di mais, riservate esclusivamente all’industria dei carburanti, sottraendo così terreni alle colture agricole alimentari. Infatti, sicurezza alimentare a parte, i biocombustibili di prima generazione sono strettamente correlati a fenomeni di appropriazione di terreni (landgrabbing), di deforestazione e agli effetti dannosi del cambio di destinazione del suolo (fattore ILUC – indirect land use change).  Solo nel 2012 l’Unione europea ha dedicato il 3 per cento della sua terra coltivata alla produzione di materie prime per i biocarburanti. In sintesi i vantaggi sono:la biodegradabilità, la riduzione delle emissioni di gas-serra, la riduzione dei livelli di ozono negli strati più bassi dell’atmosfera, la riduzione delle emissioni di COV (Composti Organici Volatili). Ma se a questi vantaggi accostiamo gli svantaggi ambientali provenienti dalla deforestazione e dell’agricoltura intensiva associata all’uso di diserbanti, di concimi e pesticidi, aggiungiamo il consumo idrico per l’irrigazione delle colture e il trasporto, il bilancio finale non è poi così conveniente.
Altri fattori da prendere in esame per valutare l’impatto ambientale dei biocarburanti:

  • emissioni per la produzione e il trasporto della biomassa;
  • irrigazione e uso di fertilizzanti;
  • emissioni per la produzione e il trasporto del biocarburante.

Queste attività necessitano di energia, dunque producono CO2. Se consideriamo l’intero ciclo di produzione, dalla biomassa alla pompa di distribuzione, non tutti i biocarburanti sono sostenibili dal punto di vista ambientale!
Alle nostre latitudini, gli oli vegetali per la produzione dei biocarburanti di prima generazione sono ricavati dalle colture oleaginose, costituite dalla colza, dal girasole e, in misura inferiore, dalla soia. La superficie italiana destinata alla produzione di colture oleaginose presenta numeri importanti, riportati nella tabella sottostante (dati in ettari, fonte Istat).

Tabella 2

Nel 2009 risultavano circa 125.000 ettari di terreni per la coltivazione del girasole e oltre 20.000 ettari per la colza, destinati alla produzione di olio vegetale puro e biodiesel. Oltre agli oli vegetali provenienti dalle colture dedicate, possono essere impiegati oli derivanti dalla preparazione e conservazione degli alimenti, provenienti dalle industrie agroalimentari, dalle attività di ristorazione, ma anche dalle utenze domestiche. Lo stesso vale per i grassi animali residui dalla lavorazione delle carni. Questi materiali “residuali” sono però di qualità inferiore, a causa soprattutto della loro elevata acidità. Necessitano, pertanto, di un trattamento preliminare di “rigenerazione” prima della conversione a biodisel, in miscela con gli oli vegetali ottenuti dalle colture oleaginose, rendendo economicamente meno vantaggioso l’intero processo. Pertanto, l’attenzione dell’industria si è spostata verso la produzione dei biocarburanti di seconda generazione, che non richiedono l’uso esclusivo di terreni fertili ma eventualmente residuali, e l’impiego di scarti di derivazione agricola (materie prime lignocellulosiche). In questo modo la biomassa è già disponibile!
Ad esempio, gli scarti della coltivazione della canna da zucchero forniscono biomassa lignocellulosica utile alla produzione di bioetanolo.

Il bioetanolo: è possibile rimpiazzarei carburanti fossili?
L’utilizzo dell’etanolo come combustibile per motori a combustione interna non è certo una novità, se consideriamo che i primi motori progettati (siamo nei primi anni del XX secolo) erano adatti a essere alimentati con alcool puro (metanolo o etanolo).

Figura 2: La Dodge 1800 fu il primo prototipo di motore alimentato ad etanolo puro. È in mostra al MemorialAeroespacial Brasileiro, CTA, São José dos Campos. (Fonte: I. Caipiracaipira, CC BY-SA 3.0, https://commons.wikimedia.org/w/index.php?curid=2425001).

L’uso della benzina come carburante, infatti, si diffuse solo nel periodo prossimo alla Prima guerra mondiale. L’etanolo possiede caratteristiche interessanti per essere usato come combustibile nelle autovetture a benzina: ha, per esempio, un numero di ottano elevato (è infatti usato anche per aumentare il numero di ottano delle benzine) e quindi consente di aumentare il rapporto di compressione migliorando l’efficienza del motore. Già nei primi anni Settanta, all’indomani della crisi energetica, il Governo brasiliano iniziò a promuovere il National Alcohol Program, con l’intenzione di ridurre le importazioni di petrolio e sostituire il carburante fossile con una fonte propria e facilmente reperibile. Lo scopo principale fu la parziale sostituzione del gasolio di origine petrolifera con l’etanolo ottenuto dalla biomassa, in particolare dalla canna da zucchero. Nel 1979 il Governo brasiliano firmò un accordo con l’industria automobilistica e furono sviluppati prototipi da diverse case automobilistiche (Fiat inclusa) in grado di utilizzare etanolo al 100% (Fig. 4). Nel 1984, in Brasile, il94% delle auto vendute erano ad alcol. Negli anni successivi,al termine della crisi petrolifera, la tendenza innescata in Brasile è andata progressivamente calando, ma con gli aumenti del prezzo della benzina degli ultimi anni le auto a etanolo sono tornate alla ribalta: nel 2010 erano ben 3 milioni gli esemplari di auto a etanolo circolanti.L’impiego dell’etanolo al posto della benzina non è però privo di criticità. Intanto l’etanolo è molto solubile in acqua e molto igroscopico, e quando ne assorbe molta, in miscela con la benzina, si può originare una separazione di fase che può provocare danni al motore. Ècorrosivoe manca di potere lubrificante, quindi è necessario l’impiego di materiali nuovi rispetto a quelli utilizzati per i carburanti di origine petrolifera nel sistema di stoccaggio e di distribuzione, nonché in alcuni componenti meccanici delle auto, come i filtri. Può essere invece impiegato in miscela con la benzina fino al 20-22% senza apportare modifiche al motore delle auto. Per i motivi menzionati in precedenza, solo le auto così dette FlexibleFuelVehicles (FFVs), sviluppate a partire dal 2005 da alcune case automobilistiche, fra le quali la FIAT, possono essere alimentate esclusivamente con l’etanolo.

Come si produce bioetanolo di seconda generazione?
Il bioetanolo di seconda generazione è ottenuto dalla biomassa lignocellulosica, per reazione di idrolisi enzimatica,ed è oggetto di ricerca già dagli anni Settanta. La cellulosa e l’emicellulosa sono i polisaccaridi,che costituiscono i materiali di partenza dai quali, per idrolisi enzimatica, si ottengono gli zuccheri semplici, da trasformare in bioetanolo mediante fermentazione. Gli enzimi “tagliano” selettivamente i polisaccaridi (cellulosa, emicellulosa o amido) consentendo di ottenere molecole di glucosio, più semplici (Fig. 3).

Figura 3: Rappresentazione schematica dell’idrolisi enzimatica della cellulosa. Fonte: Ethanolas biofuelfortransport applications, Isabella De Bari, ENEA-Renewable energy division, Unesco School, TRISAIA 2005.

Successivamente, il glucosio viene trasformato in etanolo mediante il processo di fermentazione e il Saccharomycescerevisiae (lievito) è il microrganismo generalmente più usato.
La produzione di etanolo da cellulosa, che appunto non è nuova, è considerata particolarmente interessante ed è oggetto di investimenti da parte di alcuni importanti operatori industriali. Il suo impiego è particolarmente vantaggioso in quanto la biomassa lignocellulosica, proveniente per esempio dagli scarti agricoli, è una materia prima abbondante e non comporta alcuna competizione con la produzione agricola alimentare. La disponibilità degli scarti agricoli in alcuni paesi europei e in Italia è mostrata nelle figure 5 e 6.

Figura 4: Disponibilità di scarti agricoli in alcuni paesi dell’Unione Europea. Fonte FAO.

Sviluppi futuri
Nella seduta del 28 aprile 2015 il Parlamento europeo ha approvato la direttiva sui biocarburanti di seconda generazione, che spinge a ridurre la produzione di quelli derivanti da coltivazioni agricole, e imprime la tendenza verso la produzione di biocarburanti avanzati, derivati da rifiuti, residui e nuove fonti come le alghe. L’impiego di queste ultime, secondo quanto dimostrato da recenti studi condotti dai ricercatori della Rice University (Houston, Texas, USA), consentirebbe di risolvere contemporaneamente due problemi ambientali: la depurazione di acque di scarico di tipo civile e la produzione di biocarburante. Infatti, le alghe impiegate nell’esperimento sono state coltivate utilizzando le acque reflue civili di un depuratore di Huston, “cibandole” letteralmente con il fosforo e con i nitrati in esse contenuti e ottenendo così un’azione depurativa di queste acque. In pratica, facendo crescere le alghe in reattori contenenti acque reflue, i produttori non dovrebbero più ricorrere ai fertilizzanti e si potrebbero ottenere biocarburanti più sostenibili, unitamente alla depurazione delle acque impiegate. Ma questa è solo una delle possibili “soluzioni” indagate. La ricerca tecnologica e biotecnologica nel campo della produzione sostenibile di biocarburanti di seconda generazione è di fatto divenuta una frontiera molto vivace negli ultimi decenni e nuovi scenari si manifestano dinnanzi alla platea del mondo. È fondamentale, infatti, che la produzione di biocarburanti avvenga in maniera sostenibile, se davvero vogliamo annullare in tutto o in parte gli effetti nocivi legati all’uso dei carburanti fossili.

A cura di Tiziana Perri

Riferimenti bibliografici

 
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