Nozioni generali e classificazione Energia da biomassa Biocarburanti Bioprodotti Quadro del settore Notizie sulla energia da biomassa
Nozioni generali e classificazione
Biomassa è sostanza organica derivante direttamente o indirettamente (attraverso
le catene alimentari) dalla fotosintesi clorofilliana. Mediante la fotosintesi, le piante assorbono dall’ambiente anidride carbonica che
viene trasformata, con l’apporto di energia solare, acqua e sostanze nutrienti, presenti
nel terreno, in materiale organico (glucosio):
Ogni mole di glucosio possiede un contenuto energetico di 2872 kJ. Questa energia viene “immagazzinata”
nelle radici, nei tronchi, nei rami e nelle foglie. La reazione stechiometrica per la produzione
della legnocellulosa attraverso la fotosintesi ha la forma seguente:
Ogni anno si stima vengano fissate complessivamente 2x1011 tonnellate di CO2,
con un contenuto energetico equivalente a 70 miliardi di tonnellate di petrolio, circa
10 volte l’attuale fabbisogno energetico mondiale.
La Biomassa è la più antica e più diffusa delle fonti energetiche, sostituita gradualmente,
negli ultimi 150 anni, dai combustibili fossili. Anche i combustibili fossili
hanno origine organica, ma non sono ritenuti rinnovabili. Inoltre bruciare combustibili fossili significa bruciare “Vecchia biomassa” per produrre
“Nuova anidride carbonica”; bruciare “Nuova biomassa “ in modo ciclico, non
contribuisce alla produzione di “Nuova anidride carbonica”, in quanto le quantità
emesse sono bilanciate dalle quantità assorbite.
La Biomassa utilizzabile ai fini energetici consiste in tutti quei materiali organici
che possono essere utilizzati direttamente come combustibili o trasformati in altre
sostanze (solide, liquide o gassose) di più facile e conveniente utilizzazione negli
impianti di conversione.
Le principali tipologie di biomassa utilizzabili per la produzione di energia sono:
legna derivante dalle operazioni di cura e manutenzione dei boschi
residui dell’attività agricola ( paglia , potature)
residui delle attività agroindustriali (sansa, gusci, noccioli, lolla, pula)
scarti della lavorazione primaria del legno
reflui industriali, reflui civili, deiezioni animali, frazione organica dei rifiuti
solidi organici.
colture energetiche dedicate (ligneocellulosiche, oleaginose, amidaceee
zuccherine) coltivate per essere destinate alla produzione di energia e/o
combustibili.
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Energia da biomassa
 La bioenergia è qualsiasi forma di energia utile ottenuta dai biocombustibili. La biomassa rappresenta la più consistente tra le fonti di energia rinnovabile anche se esistono molteplici difficoltà di impiego dovute all’ampiezza e all’articolazione delle fasi che costituiscono le singole filiere.
Le alternative più valide per l’utilizzazione energetica delle biomasse sono sostanzialmente:
Conversione Termochimica: produzione di calore per il riscaldamento domestico,
civile e industriale, o generazione di vapore per produrre forza motrice o energia
elettrica (combustione diretta, carbonizzazione, pirolisi, gassificazione). Utilizzabile
per prodotti e/o residui cellulosici e legnosi in cui il rapporto C/N abbia valori superiori
a 30 ed il contenuto di umidità non superi il 30 %.
Conversione biochimica: permette di ricavare energia attraverso reazioni chimiche
in presenza di enzimi, funghi e altri microrganismi, da biomasse in cui il rapporto
C/N sia inferiore a 30 e l’umidità superiore al 30% ( fermentazione alcoolica,
estrazione di olii con produzione di biodiesel, produzione di biogas attraverso la
fermentazione anaerobica).
Tra le varie tecnologie di conversione energetica delle biomasse alcune possono considerarsi giunte ad un
livello di sviluppo tale da consentirne l’utilizzazione su scala industriale, altre necessitano invece di ulteriore
sperimentazione al fine di aumentare i rendimenti e ridurre i costi di conversione energetica. Le tecnologie
attualmente disponibili sono sinteticamente:
combustione diretta
carbonizzazione
pirolisi
gassificazione
digestione anaerobica
digestione aerobica
fermentazione alcoolica
estrazione di olii e produzione di biodiesel
steam explosion
applicazioni "small modular"
 La combustione diretta (per esempio, cofiring) è 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.
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. In U.S.A. gli impianti termoelettrici a carbone predisposti per il cofiring hanno avuto un tempo di ammortamento medio di 8 anni, ed è stato ritenuto molto conveniente dalle stesse società proprietarie di tali impianti.
Anche il cofiring di gas naturale con biogas o syngas può dare buoni risultati di efficienza, anche quando applicato a sistemi medio-piccoli.
  La carbonizzazione è, in sostanza, un processo di pirolisi.
E' 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 chiuse che offrono una maggior resa in carbone e vari altri prodotti (alcol, acido acetico, acetone, catrame, ecc.).
Il carbone di legna può essere usato come combustibile o anche come materia prima per l'ottenimento di prodotti chimici industriali quali ad esempio i carboni attivi. |
La 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.
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.). 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.
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.
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La gassificazione è un processo chimico-fisico complesso mediante il quale si trasforma un combustibile
solido (legno, scarti agricoli, rifiuti) in un combustibile gassoso. Il processo si realizza in 3 fasi:
una prima fase di essiccazione in cui si ottiene la disidratazione del materiale;
una seconda fase di pirolisi in cui si ottiene una parziale “distillazione” del legno;
una terza fase di gassificazione in cui i prodotti della pirolisi reagiscono con l’agente gassificante dando origine a vari prodotti di cui alcuni compatibili.
Il processo consiste nell'ossidazione incompleta (a causa dell’assenza o della carenza di ossigeno),
di una sostanza in ambiente ad elevata temperatura (900÷1’000°C). Il prodotto risultante è un gas
combustibile (detto gas di gasogeno o syngas) caratterizzato da un potere calorifico inferiore variabile
(valori intermedi attorno a 10.000 kJ/Nm3). Questa tecnologia è ancora in fase di sperimentazione
e presenta alcune problematiche.
I vantaggi della gassificazione rispetto alla più tradizionale combustione possono essere così riassunti:
elevato rendimento di generazione elettrica, anche a piccola scala;
buone prospettive di utilizzo in impianti di teleriscaldamento (central heating plant, anche combined heat and power generation CHP);
emissioni e relative esternalità più contenute.
 I gassificatori possono essere a letto fisso o a letto fluido (bollente o circolante). Un sistema di gassificazione
completo comprende: gassificatore, ciclone di abbattimento delle polveri, sistema di raffreddamento
del gas, sistema di lavaggio (cleaning) del gas, sistema di separazione delle condense
ed un sistema di depolverazione finale. La figura successiva rappresenta un tipo di gassificatore a
biomassa già da anni sperimentato con biomasse di vario tipo. Infatti, possono essere utilizzate tipologie
di materiali tipici regionali: olivo, cerro, quercia, bucce di mandorle e di albicocche e loro miscele.
Tra le maggiori applicazioni della biomassa gassificata7, vi è la cocombustione (cofiring) di syngas
in impianti a gas esistenti.
Un’altra applicazione della gassificazione, è rappresentata dagli impianti IGCC (Integrated gasification
and combined cycle), massima espressione del concetto biomass-to-electricity. I cicli IGCC
(integrated gasification combined cycles), invece, a fronte di una maggiore complessità impiantistica,
consentono di raggiungere rendimenti di generazione elettrica dell’ordine del 30 - 35%, anche nel caso delle biomasse. Inoltre, tecnologie innovative in grado di abbinare i cicli combinati con le celle a combustibile, consentono di raggiungere valori di rendimento superiori al 50% anche a piccole
scale (5 –10 MW elettrici).
Infine, vi è l’applicazione della gassificazione in letto fisso. Diversi impianti di questo tipo e di piccola
scala sono in esercizio nel mondo. Si tratta di esperienze di successo, ad esempio in Finlandia e
Danimarca, oppure in India e Cina (almeno 100 gassificatori a letto fisso), per la produzione di elettricità
ad uso locale per industrie e fattorie. Anche in altri Paesi vi sono gassificatori a letto fisso di
piccola taglia, caratterizzati da un fattore di utilizzo di almeno 1000 ore all’anno di generazione elettrica.
Tuttavia, nonostante ci siano numerose esperienze di impianti a scala pilota, vi sono solo
pochissimi impianti a scala commerciale nei Paesi dell’OECD.
In conclusione di quanto riportato, si può affermare che vi siano ancora delle lacune di carattere
tecnico scientifico sulla gassificazione ed i sistemi di lavaggio (cleaning) del syngas. Il cofiring rappresenta
l’approccio più competitivo per motivi di flessibilità ed emissioni evitate. Su piccola scala,
invece, la gassificazione in letto fisso ha vantaggi dovuti all’alto rendimento di generazione elettrica
ed alla possibilità di impiego del calore in situ. In questo caso, tuttavia, si riscontrano problemi di
gestione o di smaltimento degli effluenti liquidi e solidi. Gli impianti IGCC potrebbero
rappresentare l’ottimo per il futuro della massificazione. A tal proposito sarebbe opportuno fare ancora
sperimentazioni e verifiche.
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La 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.
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Il processo di 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
scambiatori a fluido. In Europa viene utilizzato il processo di digestione aerobica 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.
La fermentazione alcolica è un processo di trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in etanolo, impiegato come carburante per autotrazione. Oggi, vi sono anche prodotti alternativi, come l’ETBE (Etil-TerButilEtere), ottenuto combinando un idrocarburo petrolifero (l’isobutene) e l’etanolo.
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Gli olii vegetali possono essere estratti dalle piante oleaginose (soia, colza, girasole, ecc.). Caratteristica
comune di tutte le oleaginose è quella di essere ricche di materie proteiche che, dopo l’estrazione dell’olio,
sono impiegabili nell’alimentazione animale sotto forma di panelli. Le principali piante che si trovano in
Europa sono la colza e il girasole (i principali Paesi produttori europei sono, per la colza, la Germania, la
Francia, la Gran Bretagna e la Danimarca; per il girasole, la Francia, la Spagna e l’Italia); la coltivazione della
soia, invece, si trova principalmente in America (Stati Uniti, Brasile e Argentina). Gli olii possono essere
utilizzati come combustibili nello stato in cui vengono estratti oppure dopo esterificazione, ed il loro utilizzo
ha destato ormai da tempo un notevole interesse, sia per la disponibilità di tecnologie semplici di
trasformazione ed utilizzazione, sia perché consentono bilanci energetici accettabili, sia, infine, per la
riutilizzazione dei sottoprodotti di processo (es. la glicerina, utilizzata dall’industria farmaceutica).
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Lo Steam Explosion (SE) è un trattamento innovativo, a basso impatto ambientale, mediante il quale si
può ottenere una vasta gamma di prodotti, utilizzando come materia prima le biomasse vegetali. Rispetto
agli altri processi di pretrattamento, lo SE presenta il vantaggio fondamentale di separare in tre differenti
correnti le frazioni costituenti i comuni substrati vegetali (emicellulosa, cellulosa, lignina) rendendo possibile
l’utilizzazione totale delle biomasse.
Il processo consiste nell’uso di vapore saturo ad alta pressione per
riscaldare rapidamente legno, o qualsiasi altro materiale lignocellulosico, in un reattore che può essere ad
alimentazione continua o discontinua. Il materiale viene tenuto alla temperatura desiderata (180-230°C) per un breve periodo (1-10 minuti) nel corso del quale l'emicellulosa viene idrolizzata e resa solubile. Alla fine di questo intervallo di tempo, la pressione viene rapidamente riportata al valore atmosferico ottenendo una decompressione esplosiva che sfibra ulteriormente la biomassa.
Al centro di ricerca Trisaia dell'ENEA test sperimentali vengono effettuati utilizzando un impianto batch da 0.5kg/ciclo. Per lo scale up ci si avvale dell'impianto pilota in grado di trattare 300kg/h di biomassa. Parallelamente agli impianti operano i laboratori di chimica strumentale, di chimica preparativa e di chimica biologica dotati di strumentazione d'avanguardia e di bio-reattori operanti a diverse scale (2 e 10 litri per esperimenti di laboratorio e pilota da 50l per esperimenti di scale up). Nei laboratori chimici viene effettuata la caratterizzazione delle biomasse e di tutte le correnti di processo utilizzando tecniche moderne quali: HPLC, HPIC, GC, GC-MS, ICP-MS, TGA, DTA, AA, FTIR, UV.
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I piccoli sistemi modulari "small modular" alimentati con le più svariate tipologie di biomassa potrebbero potenzialmente soddisfare il fabbisogno energetico di oltre 2,5 miliardi di persone attualmente sprovviste di energia elettrica. Ciò per il fatto che queste popolazioni vivono in aree con abbondante disponibilità di biomassa destinabile all'ottenimento di combustibili bioenergetici, piccoli sistemi modulari da 5 kW a 5 MW potrebbero rappresentare soluzioni ottimali per le piccole comunità o interi villaggi. Non di meno questi sistemi possono avere un potenziale mercato anche nei paesi industrializzati in quanto hanno costi di produzione e di gestione molto interessanti e competitivi anche grazie alla loro modularità e taglia che permettono di avere una fonte di energia elettrica e calore in prossimità dei luoghi di utilizzo.
Il laboratorio nazionale per l'energia rinnovabile (NREL) con sede nel Colorado (USA) con la partecipazione di altri laboratori di ricerca stanno puntando molto su questi sistemi con progetti e realizzazioni in fase di studio e verifica di costi ed efficienza.
Un sistema prevede l'utilizzo di microturbine per cogenerazione esistenti in commercio (immagine a lato) integrate in un gassificatore di materiale legnoso (immagine sopra), il prototipo è di 30 kW e il costo di scala potrebbe essere inferiore ai 500 € al kW, per la produzione di elettricità l'efficienza è del 25-30%. |
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Biocarburanti
I biocarburanti sono prodotti derivati dalla biomassa che, oltre a prestarsi per produrre calore e/o energia elettrica, possono essere usati per autotrazione, sia miscelati con i carburanti da combustibili fossili e sia, in alcuni casi, utilizzati puri.
Si suddividono in:
bio-etanolo
bio-metanolo
bio-diesel
olio vegetale
biogas
bio-idrogeno
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Bioetanolo
Il bioetanolo è etanolo prodotto mediante un processo di fermentazione delle biomasse, ovvero di prodotti agricoli ricchi di zucchero (glucidi) quali i cereali, le colture zuccherine, gli amidacei e le vinacce.
La fermentazione alcoolica è un processo di tipo micro-aerofilo che opera la trasformazione dei glucidi contenuti nelle produzioni vegetali in bioetanolo (alcool etilico).
Senza entrare nei dettagli vengono di seguito elencate le reazioni chimiche rappresentanti la trasformazione della biomassa in etanolo:
Risulta un prodotto utilizzabile anche nei motori a combustione interna normalmente di tipo “dual fuel”, come riconosciuto fin dall’inizio della storia automobilistica. Se, però, l’iniziale ampia disponibilità ed il basso costo degli idrocarburi avevano impedito di affermare in modo molto rapido l’uso di essi come combustibili, dopo lo shock petrolifero del 1973 sono stati studiati numerosi altri prodotti per sostituire il carburante delle automobili (benzina e gasolio); oggi, tra questi prodotti alternativi, quello che mostra il miglior compromesso tra prezzo, disponibilità e prestazioni è proprio il bioetanolo, in alcuni paesi del sudamerica viene utilizzato puro in normali motori a combustione interna opportunamente tarati. Nell' immediato potrebbe essere utilizzato additivato alla benzina fino al completo sfruttamento delle risorse agricole disponibili senza dover lasciare improduttive le vaste aree per le quale oggi si incentiva il non sfruttamento in base alle vigenti norme sulle eccedenze agroalimentari.
 I residui di lavorazione e produzione sono sostanze azotate e minerali quindi fertilizzanti che riimmessi nei terreni di coltura completano e chiudono il ciclo energetico, in pratica si sfrutta il potere dei vegetali di produrre energia per azione della fotosintesi clorofilliana.
Le materie prime per la produzione di etanolo possono essere racchiuse nelle seguenti classi:
Residui di coltivazioni agricole;
Residui di coltivazioni forestali;
Eccedenze agricole temporanee ed occasionali;
Residui di lavorazione delle industrie agrarie e agro - alimentari;
Coltivazioni ad- hoc;
Rifiuti urbani.
Per quanto riguarda le coltivazioni ad hoc, quelle più sperimentate e diffuse sono la canna da zucchero (si veda l'esperienza Brasiliana), il grano, il mais. Ci sono poi altre colture, quali la bietola, il sorgo zuccherino, il topinambur ed altre, che rimangono ancora in fase sperimentale. Secondo la loro natura, le materie prime possono essere classificate in tre tipologie distinte:
Materiali zuccherini: sostanze ricche di saccarosio come la canna da zucchero, la bietola, il sorgo zuccherino, taluni frutti, ecc.
Materiali amidacei: sostanze ricche di amido come il grano, il mais, l'orzo, il sorgo da granella, la patata,
Materiali lignocellulosici: sostanze ricche di cellulosa come la paglia, lo stocco del mais, gli scarti legnosi, ecc.
Un progetto innovativo ad opera di una società canadese (www.biovisiontech.ca) è stato applicato ad un impianto in fase di costruzione in Nuova Scozia, questo impianto viene definito "bioraffineria" ed è basato su una tecnologia avanzata del frazionamento a vapore (steam fractionation), frazionamento sequenziale della biomassa con autoidrolisi, la produzione del bioetanolo si ottiene da materiale lignocellulosico quindi meno pregiato di quello che attualmente viene utilizzato per ottenere bioetanolo, questo comporta un minor costo del prodotto finito potendo utilizzare sia colture ad hoc ma a basso costo e sia biomassa derivante dagli scarti agro-industriali, forestali, ecc. Secondo i responsabili del progetto è necessario un minor apporto di energia per la produzione, gli attuali processi di distillazione richiedono, secondo i più recenti studi, 66 unità di energia per ottenerne 100 con un incremento di energia ottenuta del 34%. I sottoprodotti di produzione sono fertilizzanti, materiali polimerici biodegradabili e altri prodotti utili nell'industria chimica. Particolare attenzione progettuale è stata posta per evitare l'emissione di inquinanti alla fine del ciclo produttivo, i responsabili dichiarano che l'acqua di scarico è potabile.
Negli USA sono stati effettuati alcuni interessanti studi sulle potenzialità del bioetanolo tra i quali:
Minor costo della benzina se additivata con bioetanolo, tenendo presente che in quel paese la benzina ha un costo nettamente inferiore al nostro.
Maggior profitto per i coltivatori delle colture adatte ad ottenere bioetanolo, riduzione del deficit commerciale, 13.000 nuovi posti di lavoro
L'ultimo studio sul bilancio energetico nella produzione del bioetanolo segnala un attivo del 34%, tenendo presente che si basa sull'odierna tecnologia e non prende in considerazione le innovazioni che sicuramente ci saranno nei prossimi anni. Un rapporto governativo indica che le sovvenzioni date all'industria petrolifera sono maggiori di quelle concesse all'industria del bioetanolo, altri rapporti indicano molte sovvenzioni nascoste concesse all'industria petrolifera. Vari studi sul minor inquinamento dell'aria quando i carburanti fossero additivati con bioetanolo e la non contaminazione dei terreni e delle falde freatiche nel caso di sversamento incidentale del bioetanolo nell'ambiente.
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Biometanolo (alcol metilico)
Attualmente tutto l'alcool metilico si ottiene per idrogenazione dell'ossido di carbonio secondo la reazione CO+2H2DCH3OH. Bisogna operare a 350-400 °C e a circa 200 atm. in presenza di ossido di cromo e ossido di zinco.
Senza entrare nei dettagli vengono di seguito elencate le reazioni chimiche rappresentanti la trasformazione della biomassa in etanolo:
Il prodotto così ottenuto è puro e le rese sono pressoché quantitative. Il metanolo è un liquido mobile che bolle a 67 °C, miscibile in acqua e in numerosi solventi. Industrialmente viene impiegato come solvente per la produzione di eteri metilici degli acidi organici e inorganici. Per ossidazione con aria in presenza di rame o argento dà la formaldeide.
Il metanolo, può essere successivamente raffinato per ottenere benzina sintetica che può essere paragonata alle benzine tradizionali, oppure impiegato nella produzione del biodiesel.
 Dopo la crisi energetica, la necessità di sostituire il petrolio con combustibili alternativi ha risvegliato notevoli interessi verso l'uso energetico dell'alcool metilico o metanolo, specie nel settore dei trasporti dove può essere usato puro o mescolato alla benzina, senza porre eccessivi problemi di riprogettazione dei motori, oppure nelle centrali termiche o con tecnologie avanzate (ad esempio nelle pile a combustibile, in sostituzione dell'idrogeno). Fino agli anni Settanta tutto Il metanolo commercializzato nel mondo è stato ricavato da sintesi (CO+H2) o da gas naturale. Dopo la crisi energetica, vi è stata una notevole ripresa d'interesse per la produzione di metanolo a partire dalla biomassa. Il processo per la produzione di metanolo rappresenta una fase successiva, per esempio, al trattamento delle sostanze di rifiuto per via biologica. In un altro tipo di trattamento, per esempio del gas d'acqua, miscela di CO, CO2 e H2 a partire da carbone e acqua, il gas è raffreddato, depurato dagli inerti e dai componenti dello zolfo e introdotto in un reattore intermedio per aumentare il rapporto fra idrogeno e ossido di carbonio, mediante la reazione H2O+CO -> H2+CO2. Il prodotto risultante è infine immesso in un convertitore dove, in presenza di catalizzatori, avviene la reazione esotermica principale CO + 2H2 -> CH2 OH. In questo passaggio circa l'80% del valore energetico del gas iniziale viene trasferito al metanolo. Il rendimento del processo di liquefazione per gli impianti attualmente commercializzati, con gassificatori ad aria e del tipo a letto fisso, è del 35÷38%. Tuttavia la notevole attività di ricerca e sviluppo sul processo di gassificazione con ossigeno a letto fluido condotto sia in Germania sia negli USA ha messo a punto processi con rendimenti superiori al 50%. Un impianto americano, che utilizza tali processi, produce 428 t/giorno di metanolo partendo da 910 t/giorno di materiale lignocellulosico.
La coltivazione di colture adeguate, con alto valore lignocellulosico, permetterebbe di supplire all'attuale domanda di petrolio e gas utilizzando meno del 10% del terreno disponibile per tali colture, alcune specie vegetali non abbisognano di terreni particolarmente fertili, non richiedono diserbanti e hanno bisogno di modeste quantità d'acqua, praticamente solo quella delle precipitazioni atmosferiche.
La Daimler Chrysler ha sviluppato una tecnologia che usa il metanolo per risolvere il problema dell'accumulo di idrogeno in modo da renderlo disponibile "al distributore" senza dover creare una apposita rete di distribuzione.
Il metanolo viene "volatilizzato" insieme ad acqua ed inserito nel "reformer". Qui, la miscela viene in contatto con un catalizzatore (della Basf ) a base di ossido di rame ed altri ossidi di metallo . Ad una temperatura di funzionamento che varia da 200°C a 350°C, il metanolo e l'acqua sono convertiti in idrogeno ed in anidride carbonica.Questa miscela di gas "attiva" una fuel cell per ottenere l'energia elettrica.Questo processo genera meno anidride carbonica dei motori a combustione interna.
Il prototipo è dotato del reattore ATR (Reformer AutoTermico). In questo "dispositivo d'avviamento" il metanolo, insieme ad acqua e ad aria, è riformato parzialmente in idrogeno e parzialmente "combusto". Ciò porta rapidamente il sistema d' avviamento alla giusta temperatura di funzionamento, come con i veicoli diesel nel passato. E' chiamata "Necar5", ha una autonomia di 500 Km e una velocità superiore ai 150Km/h
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Biodiesel
Contrariamente a quanto si crede comunemente, il biodiesel non è un olio vegetale puro e semplice, come ad esempio l'olio di colza Brassica, bensì il risultato di un processo chimico a partire da questi o altri componenti biologici (processo di transesterificazione con alcol metilico).
Qualità del carburante, specifiche e proprietà
 Il biodiesel è un biocombustibile liquido, trasparente e di colore ambrato, ottenuto interamente da olio vegetale (colza, girasole o altri). Il Biodiesel ha una viscosità simile a quella del gasolio per autotrazione ottenuto per distillazione frazionata del petrolio grezzo.
Per l'identificazione delle miscele si ricorre alla siglatura BD (analoga alla BA per le miscele contenenti bio-alcol). Al biodiesel puro viene assegnata la sigla BD100, alle miscele un numero corrispondente alla percentuale di biodiesel contenuto (ad esempio, BD20 per un gasolio tagliato al 20% con biodiesel). Negli Stati Uniti la siglatura è simile, ma senza la D (B100, B20, B50, eccetera.).
Il biodiesel può essere mescolato con il gasolio in ogni proporzione ed impiegato nei moderni motori diesel, anche se alcuni autoveicoli possono subire una degradazione di tubi e giunti in gomma per via del maggior potere solvente del biodiesel rispetto al gasolio tradizionale. La gomma sciolta dal biodiesel può poi formare depositi o intasare le linee dell'alimentazione del veicolo. L'adozione di gomme più resistenti nei veicoli di recente fabbricazione (dal 1992 in poi) dovrebbe aver risolto questo inconveniente, senza contare che il maggior potere solvente del biodiesel aiuta a mantenere pulito il motore sciogliendo residui eventualmente presenti.
 Il biodiesel puro (BD100 o B100) può essere utilizzato in qualsiasi motore Diesel a petrolio, anche se viene più comunemente utilizzato in concentrazioni inferiori. In alcune zone è richiesto l'uso di diesel a bassissimo contenuto di zolfo, che riduce la naturale viscosità e lubrificazione del carburante poiché sono stati rimossi lo zolfo e certe altre sostanze. Per far sì che scorra propriamente nei motori sono richiesti degli addittivi, e il biodiesel è una popolare alternativa. Concentrazioni fino al 2% (BD2 o B2) si sono mostrate il grado di restituire la lubrificazione. Inoltre, molte municipalità hanno iniziato ad usare il biodiesel al 5% (BD5 o B5) nei mezzi per la rimozione della neve e in altri sistemi. Usato come additivo al gasolio, ne migliora il potere lubrificante. Poiché il biodiesel viene più spesso utilizzato in miscela con il diesel di petrolio, ci sono meno informazioni e studi formali sugli effetti del biodiesel puro sui motori non modificati e sui veicoli attualmente in uso, tuttavia non ci si attendono particolari problemi nell'utilizzo del biodiesel puro con i motori attuali, quantomeno finché tutte le parti del motore siano compatibili con il suo maggior potere solvente.
Il punto di gel del biodiesel è funzione della natura e delle quantità degli esteri che contiene. La maggior parte di esso tuttavia, compreso quello ottenuto dall'olio di soia, ha un punto di gel superiore a quello del gasolio; questo rende necessario il riscaldamento dei serbatoi di stoccaggio, soprattutto nelle zone a clima rigido. Il biodiesel ha un numero di cetano superiore a quello del gasolio, si incendia quindi più facilmente quando viene iniettato nel motore.
Il biodiesel, rispetto al gasolio, non è esplosivo, con un flash point posto a 150 °C per il biodiesel rispetto ai 64 °C del gasolio. Contrariamente al gasolio, è biodegradabile e non tossico, e riduce significativamente le emissioni tossiche quando viene bruciato come carburante.
 Impatto ambientale
Dal punto di vista ambientale, il biodiesel presenta alcune differenze rispetto al gasolio:
il biodiesel, rispetto al gasolio, riduce le emissioni nette di ossido di carbonio (CO) del 50% circa e di anidride carbonica del 78,45% perché il carbonio delle sue emissioni è quello che era già presente nell'atmosfera e che la pianta ha fissato durante la sua crescita e non, come nel caso del gasolio, carbonio che era rimasto intrappolato in tempi remoti nella crosta terrestre.
il biodiesel praticamente non contiene idrocarburi aromatici; le emissioni di idrocarburi aromatici polinucleati (benzopireni) sono ridotte fino al 71%.
il biodiesel non ha emissioni di diossido di zolfo (SO2), dato che non contiene zolfo.
il biodiesel riduce l'emissione di polveri sottili fino al 65%.
il biodiesel produce più emissioni di ossidi di azoto (NOx) del gasolio; inconveniente che può essere contenuto riprogettando i motori diesel e dotando gli scarichi di appositi catalizzatori.
Storia
La transesterificazione dell'olio vegetale era stata condotta già nel 1853, dagli scienziati E. Duffy e J. Patrick, molti anni prima che il primo motore Diesel diventasse funzionale. Il primo modello di Rudolf Diesel, un singolo cilindro in ferro di 3 metri con un volano alla base, funzionò per la prima volta ad Augusta (Germania) il 10 agosto 1893. In ricordo di questo evento, il 10 agosto è stato dichiarato Giornata Internazionale del Biodiesel. Diesel successivamente presentò il suo motore all'Esposizione Mondiale di Parigi del 1898. Questo motore rimase come esempio della visione di Diesel, poiché era alimentato da olio di arachidi - un biocarburante, anche se non strettamente biodiesel, in quanto non era transesterificato. Diesel credeva che l'utilizzo di un carburante ottenuto dalla biomassa fosse il vero futuro del suo motore. In un discorso del 1912, Rudolf Diesel disse, "l'uso di oli vegetali per il carburante dei motori può sembrare insignificante oggi, ma tali oli possono diventare, nel corso del tempo, importanti quanto i derivati dal petrolio e dal carbone dei nostri giorni".
Nel corso degli anni '20, i produttori di motori diesel modificarono i loro propulsori per sfruttare la minore viscosità del carburante fossile(petrodiesel) a scapito dell'olio vegetale, un carburante di biomassa. Le industrie petrolifere furono in grado di far breccia nel mercato dei carburanti perché il loro prodotto era più economico da produrre rispetto alle alternative ricavate dalla biomassa. Il risultato fu, per molti anni, la quasi completa eliminazione dell'infrastruttura di produzione del carburante di biomassa. Solo recentemente le preoccupazioni circa l'impatto ambientale e una differenza di costo in diminuzione hanno reso i carburanti di biomassa come il biodiesel un'alternativa sempre più valida.
Negli anni '90 la Francia ha lanciato la produzione locale di biodiesel (nota localmente come diester) ottenuto dalla transesterificazione dell'olio di colza. Viene mischiato in proporzione del 5% nel normale carburante diesel, e in proporzione del 30% nel carburante diesel di alcune flotte di mezzi (trasporto pubblico). Renault, Peugeot e altri produttori hanno certificato dei motori da camion per l'utilizzo con questo biodiesel parziale. Sono in corso esperimenti per impiegare un biodiesel al 50%.
Dal 1978 al 1996, il National Renewable Energy Laboratory (NREL) statunitense ha sperimentato l'uso delle alghe come fonte di biodiesel, nell'ambito dell'"Aquatic Species Program". Le sperimentazioni del NREL, durate 16 anni, sono attualmente terminate in quanto il programma di ricerca non è stato ulteriormente rifinanziato.
Produzione
Chimicamente il biodiesel è un carburante composto da una miscela di esteri alchilici di acidi grassi a lunga catena. Un processo di transesterificazione dei lipidi viene usato per convertire l'olio base nell'estere desiderato e per rimuovere gli acidi grassi liberi.
Dopo questo procedimento, contrariamente al semplice olio vegetale, il biodiesel possiede proprietà di combustione simili al diesel ricavato dal petrolio e può sostituirlo nella maggior parte dei suoi impieghi.
Il processo produttivo più diffuso impiega metanolo per produrre esteri metilici, tuttavia anche l'etanolo può essere usato, ottenendo così un biodiesel composto da esteri etilici. Come sottoprodotto del processo di transesterificazione, si ottiene il glicerolo.
Una varietà di biolipidi può essere usata per produrre il biodiesel. Tra questi troviamo:
Oli vegetali vergini; L'olio di colza o di soia è quello più comunemente usato, anche se altre coltivazioni come, senape, olio di palma e alghe sono promettenti;
Olio vegetale di scarto;
Grassi animali.
Molti sostenitori suggeriscono che l'olio vegetale di scarto sia la miglior fonte di olio per la produzione del biodiesel. Comunque, le forniture disponibili sono decisamente meno della quantità di carburante derivato dal petrolio che viene bruciato per i trasporti e il riscaldamento domestico in tutto il mondo. Secondo l'Environmental Protection Agency (EPA) degli Stati Uniti, i ristoranti degli USA producono circa 13.6 milioni di litri (3 milioni di galloni) di olio da cucina di scarto all'anno mentre ad esempio in Italia si consumano annualmente 39 miliardi di litri di gasolio e benzina.
Anche se è economicamente vantaggioso usare gli oli vegetali di scarto per produrre il biodiesel, è ancor più profittevole utilizzarli per convertirli in prodotti come il sapone. Perciò, la gran parte degli oli vegetali di scarto non viene gettato in discarica, ma usato per altri scopi. I grassi animali hanno limitazioni simili nella disponibilità, e non sarebbe efficiente allevare animali solo per il loro grasso. Comunque, produrre biodiesel con grassi animali che altrimenti verrebbero scartati potrebbe sostituire una piccola percentuale del diesel di petrolio.
Per avere una fonte veramente rinnovabile di olio, dovrebbero essere considerate coltivazioni apposite. Le piante utilizzano la fotosintesi per convertire parte dell'energia del sole in energia chimica. Parte di questa energia chimica viene immagazzinata nel biodiesel e rilasciata quando bruciata. Ne risulta che le piante potrebbero fornire una fonte sostenibile per la produzione di biodiesel.
 Ecco una stima della produzione media di alcune piante (in metri cubi per chilometro quadrato):
Soia: da 40 a 50
Senape: 130
Colza: da 100 a 140
Olio di Palma: 610
Alghe: da 10,000 a 20,000
Studi più recenti su una specie di alga con un contenuto di olio che può arrivare al 50% hanno concluso che potrebbero bastare appena 28.000 Km² del territorio statunitense (corrispondenti allo 0,3% del totale) per produrre il biodiesel necessario per sostituire tutto il carburante da autotrazione che viene attualmente utilizzato nel paese. Un ulteriore incoraggiamento arriva dal fatto che il terreno più adatto alla crescita delle alghe avrebbe caratteristiche di tipo desertico a forte irraggiamento solare, quindi con basso valore economico per qualunque altro utilizzo, e che si potrebbero utilizzare gli scarti agricoli e l'eccesso di CO2 prodotto dalle industrie per velocizzare la crescita delle alghe stesse.
Un recente documento di Michael Briggs del Biodiesel Group dell'Università del New Hampshire, offre stime per la sostituzione di tutto il carburante per autotrazione con biobiesel, utilizzando alghe che hanno un contenuto di olio superiore al 50%.
I critici affermano che non vi è alcuna sperimentazione in larga scala sulle alghe, non sono note le malattie che le affliggono quando si ha una monocoltura estesa, non si hanno i costi dell'impianto per produrre il biodiesel da alghe. Nel campo della produzione agricola intensiva non si usa più il concime naturale e si è dovuto metter mano a costose ricerche, prodotti chimici contro i parassiti e per la concimazione. I critici si chiedono se per le alghe ci saranno analoghe o nuove necessità per avere alte rese.
In un documento del "National Renewable Energy Laboratory" americano si pubblicano alcuni inconvenienti delle micro alghe come il costo doppio rispetto al gasolio considerando ipotesi di produzione "aggressive", la necessità di fare gorgogliare CO2 nelle vasche, il problema di riscaldare le vasche di coltura nel deserto durante la notte e altri problemi. Comunque la produzione di olio e quindi di biodiesel è ottima e si parla di una quantità 30 volte maggiore rispetto alle oleaginose che crescono sul suolo.
Tale rapporto è una summa dei risultati raggiunti ed è stato fatto in quanto la DOE (Dipartimento dell'Energia) americana ha deciso di tagliare i finanziamenti per i progetti che riguardano il biodiesel da alghe dopo 16 anni di studi per dedicare i propri fondi a ipotesi più promettenti.
La sorgente diretta del contenuto energetico del biodiesel è l'energia solare catturata dalle piante mediante la fotosintesi . L'efficienza della fotosistesi delle piante superiori si aggira sull'1 percento contro ad esempio una efficienza del 12% e sperimentale del 50% dei pannelli fotovoltaici, mentre il rendimento osservato negli esperimenti con le alghe unicellulari è stato attorno al 6%, e teoricamente si ritiene non possa comunque superare l'11%.
Disponibilità
Un sempre maggior numero di stazioni di servizio sta rendendo il biodiesel disponibile ai consumatori e un numero crescente di grosse compagnie di trasporto usa una percentuale di biodiesel nel loro carburante.
La produzione di biodiesel, in Italia, è stata contingentata per il 2005 a 200.000 tonnellate, perché il costo di fabbricazione è più alto di quello del gasolio e per renderlo competitivo viene detassato. In Italia il biodiesel non è disponibile presso le stazioni di servizio; però può essere miscelato in raffineria al gasolio (fino al 5%) per migliorarne il potere lubrificante.
Negli USA il prezzo del gasolio senza le tasse (20%) era ad agosto 2005 pari a 84 dollari al barile (0,66USD/l) mentre il biodiesel prodotto dall'agricoltura americana molto sovvenzionata dallo stato, ha un prezzo che nel 2001 era compreso escluse le tasse tra i 55 e i 63 dollari al barile (0,34-0,40USD/l).
Secondo una fonte del 2004 del governo australiano, il biodiesel non sovvenzionato ha un costo di 97 dollari al barile (0,80AUSD/gal). Visto che ad agosto 2005 il petrolio era a 58 dollari al barile si può calcolare in modo approssimativo che un prezzo del petrolio intorno ai 67USD/bar porterebbe per gli americani in pareggio il prezzo del biodiesel non sovvenzionato e quello del gasolio. Questo tipo di discorsi sono validi se il biodiesel non regge il suo prezzo su un petrolio che costi poco, cioè se i due prezzi sono indipendenti, cosa di cui gli esperti dubitano.
Il biodiesel è commercialmente disponibile nella maggior parte degli Stati produttori di olii vegetali degli Stati Uniti. Al momento è notevolmente più costoso del gasolio di origine fossile, tuttavia è ancora generalmente prodotto in quantità relativamente modeste (se confrontate con i prodotti del petrolio e con l'etanolo). Molti agricoltori che producono semi da olio usano per principio una miscela di biodiesel per trattori e macchinari, allo scopo di aiutare la produzione di biodiesel e stimolare l'opinione pubblica. Di norma è più facile reperire il biodiesel nelle aree rurali piuttosto che nelle città. Allo stesso modo, alcuni imprenditori agricoli e persone generalmente connesse alla produzione di semi da olio usano il biodiesel per ragioni legate alle relazioni pubbliche. Per il 2003 negli Stati Uniti sono state concesse riduzioni fiscali per l'uso del biodiesel. Nel 2002 quasi 3,5 milioni di galloni US (13 000 m³) di biodiesel prodotto commercialmente sono stati venduti negli Stati Uniti, in netto aumento rispetto al totale di 0,1 milioni di galloni US (380 m³) del 1998. A causa dell'innalzamento dei requisiti di controllo delle emissioni inquinanti e dei benefici fiscali, si prevede che l'utilizzo del biodiesel negli Stati Uniti aumenterà fino a 1 - 2 miliardi di galloni US (4 000 000 - 8 000 000 m³) entro il 2010. Il prezzo del biodiesel è sceso da una media di $3,50 per gallone US ($0,92/l) nel 1997 a $1,85 per gallone US ($0,49/l) nel 2002, ma rimane di solito più costoso del petrodiesel nei paesi produttori di petrolio (nel 2002, negli Stati Uniti, prima dell'introduzione della "road tax", il prezzo medio del gasolio era di circa $0.85 per gallone US, $0,22 al litro).
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 Biogas
Con il termine Biogas si intende una miscela di vari tipi di gas (per la maggior parte metano) prodotto dalla naturale fermentazione batterica in anaerobiosi (assenza di ossigeno) dei residui organici provenienti da rifiuti, vegetali in decomposizione, carcasse in putrescenza. L'intero processo vede la decomposizione del materiale organico da parte di alcuni tipi di batteri, producendo anidride carbonica, idrogeno molecolare e metano (metanizzazione dei composti organici).
Negli ultimi anni sono state sviluppate interessanti tecnologie che, tramite l'utilizzo di batteri in appositi "fermentatori", sono in grado di ottenere grandi quantità di biogas dai rifiuti organici urbani e dal letame prodotto dagli allevamenti. Il gas metano prodotto in questo processo può essere quindi utilizzato per la combustione in caldaie da riscaldamento o nei motori a scoppio. Quest'ultima applicazione ha trovato buon successo in Paesi del centro Europa quali Svizzera, Germania, Svezia ecc., e in via sperimentale anche in Italia (Amaroma), costituendo una delle più concrete promesse nel campo della mobilità eco-sostenibile.
 La CO2 prodotta dalla combustione del metano così ricavato, infatti, permette quasi di pareggiare il bilancio dell'anidride carbonica emessa in atmosfera: la CO2 emessa dal biogas è la stessa CO2 fissata dalle piante (o assunta dagli animali in maniera indiretta tramite le piante), al contrario di quanto avviene per la CO2 emessa ex-novo dalla combustione dei carburanti fossili. Ulteriore vantaggio ecologico nell'utilizzo del biogas, è quello di impedire la diffusione nella troposfera del metano emesso naturalmente durante la decomposizione di carcasse e vegetali: il metano è infatti uno dei gas-serra più potenti ed è quindi auspicabile la sua degradazione in CO2 e acqua per combustione. L'emissione di 1 kg di CH4, in un orizzonte temporale di 100 anni, equivale ad emettere 21 kg di CO2.
L’uso del biogas prodotto localmente è un esempio di un processo energetico a catena chiusa. La città di Stoccolma sviluppò inizialmente impianti per la produzione di biogas per ridurre la generazione di gas responsabili dell’effetto serra, provenienti dalle discariche e dagli impianti fognari. Adesso, il biogas viene purificato ed utilizzato come carburante sostituendo circa 360.000 litri di benzina all’anno.
Dal 1997 la quantità di biogas annualmente venduta a Stoccolma è più che triplicata, portandosi a più di 180.000 Nm3 L’utilizzo di questa quantità di biogas fa risparmiare ogni anno 850 GJ di energia da combustibili fossili. A partire dal 2001, a Stoccolma saranno prodotti circa 4,5 milioni Nm3 di biogas sufficienti per alimentare 3.000 auto.
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Bioidrogeno
 Per ottenere idrogeno puro è necessario produrre energia sufficiente a "strapparlo" da altre molecole e questa energia proviene ancora in massima parte da quelle fonti che dovrebbe andare a sostituire. Incoraggianti prospettive arrivano da eolico, solare e fotovoltaico ma la ricerca è alla caccia di metodiche di estrazione dell'idrogeno che abbiano sull'ambiente impatto zero. Ed ecco che i batteri, i funghi, i lieviti ma anche le alghe escono dal loro anonimato per salire alla ribalta delle nuove tecnologie. In natura viene prodotto idrogeno puro da tappe specifiche della fermentazione microbica e della ben nota fotosintesi clorofilliana. Da qui gli studi effettuati presso numerosi laboratori di ricerca per convincere microrganismi di ogni sorta a velocizzare i loro consueti processi per ottenere idrogeno più in fretta, in quantità maggiori e per giunta a basso costo.
 Una minuscola alga verde del genere Chlamydomonas è oggetto di attenzioni da parte di un gruppo di ricercatori dell'Università di Padova che lavora al progetto "Metodologie innovative per la produzione di idrogeno da processi biologici", in collaborazione con Enea e Cnr. L'idea consiste nell'utilizzare il normale processo fotosintetico dell'alga stimolando il suo corredo enzimatico a una maggiore reattività alla luce in modo da accrescere la produzione del prezioso idrogeno. Bisogna solo fornire all'alga acqua, anidride carbonica e luce solare. Nella prima parte del processo l'acqua viene scissa in idrogeno e ossigeno e nella seconda fase l'anidride è trasformata in glucosio, il nutrimento vero e proprio dei vegetali. Al momento l'efficienza di conversione (rapporto tra idrogeno prodotto e luce solare fornita) è piuttosto bassa e si aggira intorno al 5%.
Un intoppo è rappresentato dall'intolleranza del sistema biologico all'ossigeno prodotto nella scissione dell'acqua. Un trucco per aumentare la produzione consiste nell'allontanare subito il gas concorrente o nel selezionare tipi cellulari tolleranti all'ossigeno. Alcuni ricercatori del National Renewable Energy Laboratory di Golden in Colorado ci hanno provato con un batterio fotosintetico: il Rhodospirillum rubrum, capace di sviluppare idrogeno dall'acqua anche in presenza di ossigeno grazie alla sua portentosa idrogenasi, un particolare enzima produttore di idrogeno. Tramite manipolazioni genetiche si sta cercando di inserire tale vantaggioso enzima in altre cellule batteriche o addirittura in alghe verdi: l'efficienza aumenterebbe fino al 10-12%.
Accanto all'allevamento in cattività di sistemi cellulari cosiddetti whole-cell ("a cellula intera") un'ulteriore fase di ricerca sta tentando la realizzazione di sistemi cell-free ("privi di cellule") che utilizzano i soli enzimi specifici. In questo modo si ovvierebbe al problema di mantenere in vita gli organismi e la produzione di idrogeno sarebbe più costante e più efficace, raggiungendo punte del 25%. In alcuni casi si è sostituita del tutto la natura con processi esclusivamente elettrochimici. Negli anni Novanta, presso l'Istituto Federale Svizzero, comincia la sperimentazione della "foglia artificiale", nella quale al posto della clorofilla si utilizza un pigmento bianco, il biossido di titanio, sostanza facilmente rintracciabile nell'etichetta di paste dentifrice, pastiglie medicinali e vernici. Il sistema (vagamente assimilabile al fotovoltaico) è costituito da larghi moduli e pannelli che mimano il processo fotosintetico producendo , invece che glucosio, idrogeno ed elettricità. La resa sarebbe del 7% con luce solare diretta e dell'11% con luce diffusa. Ed ecco un nuovo problema. Tutte le modalità finora passate in rassegna non possono fare a meno di un formidabile alleato: il Sole. Ma che succede se la giornata è nuvolosa o peggio ancora di notte? Si sono identificate per questa ragione circa 400 specie di batteri capaci di combinare, nell'oscurità più completa, monossido di carbonio e acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno. Alcune specie di cianobatteri (chiamati anche alghe blu) si sono mostrate finora le migliori candidate all'esperimento.
In una sorta di reazione inversa che può fare completamente a meno della luce, presso l'Università del Wisconsin vengono impiegati microrganismi che a partire dal prodotto zuccherino finale della fotosintesi (glucosio ma anche xilosio, lattosio e saccarosio) liberano idrogeno, questa volta tramite l'azione di enzimi decompositori, raggiungendo un'efficienza del 50%. I protagonisti principali sono due batteri ipertermofili (quelli che muoiono di freddo se la temperatura scende al di sotto degli 80°C) dai significativi nomi: Thermoplasma acidophilum e Pyrococcus furiosus. Anche l'Escherichia coli, il comune costituente della nostra flora batterica intestinale, si è dimostrato un candidato promettente. Essendo di bocca buona, grazie alla capacità di far andare in decomposizione la materia organica, è stato alimentato a torsoli di mela, bucce di banana e rifiuti di cucina in genere, per produrre idrogeno. Con questo vivace microbo basterebbe una fornitura di soli 50 grammi di zucchero per tenere accesa una lampadina da 40 watt per un tempo leggermente inferiore alle 8 ore!
 Un progetto integrato, che vede coinvolti l’ENEA e diverse società industriali (Ansaldo, Fiat, Peugeot, Renault), nonchè università italiane e straniere (L’Aquila, Vienna, Londra, Belfast, Patrasso) ed enti di ricerca europei (VTT, ECN), si propone di:
sviluppare processi e tecnologie per la produzione di biocarburanti liquidi (etanolo) da destinare alla produzione di H2 per autotrazione on board;
sviluppare processi e tecnologie per la produzione di idrogeno mediante reforming catalitico di oli di pirolisi;
sviluppare, mettere a punto e caratterizzare un processo di gassificazione a vapore di biomasse per la produzione di syngas ad alto contenuto di idrogeno per la generazione distribuita di energia elettrica mediante celle a combustibile;
sviluppare e caratterizzare un processo di gassificazione con ossigeno per la produzione di un syngas ad alto contenuto di idrogeno da utilizzare in combustori di turbine a gas e in caldaie di post combustione;
sviluppare processi e tecnologie di separazione dell’idrogeno dal gas prodotto da impianti di gassificazione che sfruttano differenti tecnologie.
Le attività ENEA previste, svolte presso il Centro Ricerche Trisaia, sono così articolate:
ottimizzazione dei processi di pretrattamento delle biomasse, dell’idrolisi enzimatica e della fermentazione per rendere competitiva la produzione di etanolo mediante processi biologici;
upgrading degli oli ottenuti dalla pirolisi delle biomasse mediante stabilizzazione del prodotto;
messa a punto di differenti tecnologie per la gassificazione da biomasse con produzione di syngas ad alto tenore di idrogeno;
sviluppo di tecnologie innovative per il cleaning e l’arricchimento in idrogeno del syngas prodotto;
sperimentazione dell’integrazione dell’impianto di gassificazione con cella combustibile a carbonati fusi.
Una delle possibilità più concrete per ridurre i costi è l’utilizzo delle parti lignocellulosiche delle piante (fusto, foglie ecc.) che spesso costituiscono un residuo delle coltivazioni e processi industriali. L’etanolo prodotto può a sua volta essere utilizzato in motori a combustione interna, miscelato con la benzina o sotto forma di ETBE.
Un’altra possibilità consiste nella produzione on board di idrogeno e utilizzazione in celle a combustibile, eliminando quindi tutti i problemi connessi allo stoccaggio dell’idrogeno.
La produzione di biocombustibili gassosi rende molto più versatile l’impiego delle biomasse e permette di utilizzarle direttamente in motori a combustione interna e in cicli combinati, con sensibili incrementi dei rendimenti energetici di conversione e con possibilità di produrre direttamente energia elettrica per potenze e richieste specifiche.
In particolare la gassificazione con ossigeno e/o vapore permette di produrre gas ad alto tenore di idrogeno che si presta ad essere utilizzato anche in celle a combustibile e/o per la produzione diretta di idrogeno.
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Bioprodotti
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Oltre a dare un notevole contributo alla produzione di prodotti alimentari ed essere una potenziale risorsa energetica considerevole la materia organica fotosintetica, opportunamente trasformata, può avere molteplici impieghi:
Materiali per l'industria edilizia ed abitativa e per la produzione di compositi
Fibre tessili
Prodotti per l'industria quali lubrificanti, solventi, plastiche biodegradabili, additivi vari, ecc.
Cellulosa, carta ed assimilati
Fertilizzanti o ammendanti per i terreni agricoli
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Quadro del settore
Ad oggi, le biomasse soddisfano il 15% circa degli usi energetici primari nel mondo, con 55 milioni di TJ/anno (1.230 Mtep/anno). L’utilizzo di tale fonte mostra, però, un forte grado di disomogeneità fra i vari Paesi. I Paesi in Via di Sviluppo, nel complesso, ricavano mediamente il 38% della propria energia dalle biomasse, con 48 milioni di TJ/anno (1.074 Mtep/anno), ma in molti di essi tale risorsa soddisfa fino al 90% del fabbisogno energetico totale, mediante la combustione di legno, paglia e rifiuti animali.
Nei Paesi Industrializzati, invece, le biomasse contribuiscono appena per il 3% agli usi energetici primari con 7 milioni di TJ/anno (156 Mtep/anno). In particolare, gli USA ricavano il 3,2% della propria energia dalle biomasse, equivalente a 3,2 milioni di TJ/anno (70 Mtep/anno); l’Europa, complessivamente, il 3,5%, corrispondenti a circa 40 Mtep/anno, con punte del 18% in Finlandia, 17% in Svezia, 13% in Austria, l’Italia, con il 2,5% del proprio fabbisogno coperto dalle biomasse, è al di sotto della media europea.
L’impiego delle biomasse in Europa soddisfa, dunque, una quota abbastanza marginale dei consumi di energia primaria, rispetto alla sua potenzialità.
All’avanguardia, nello sfruttamento delle biomasse come fonte energetica, sono i Paesi del centro-nord Europa, che hanno installato grossi impianti di cogenerazione e teleriscaldamento alimentati a biomasse. La Francia, che ha la più vasta superficie agricola in Europa, punta molto anche sulla produzione di biodiesel ed etanolo, per il cui impiego come combustibile ha adottato una politica di completa defiscalizzazione. La Gran Bretagna invece, ha sviluppato una produzione trascurabile di biocombustibili, ritenuti allo stato attuale antieconomici, e si è dedicata in particolare allo sviluppo di un vasto ed efficiente sistema di recupero del biogas dalle discariche, sia per usi termici che elettrici. La Svezia e l’Austria, che contano su una lunga tradizione di utilizzo della legna da ardere, hanno continuato ad incrementare tale impiego sia per riscaldamento che per teleriscaldamento, dando grande impulso alle piantagioni di bosco ceduo (salice, pioppo) che hanno rese 3÷4 volte superiori alla media come fornitura di materia prima. Nel quadro europeo dell’utilizzo energetico delle biomasse, l’Italia si pone in una condizione di scarso sviluppo, nonostante l’elevato potenziale di cui dispone, che risulta non inferiore ai 27 Mtep!
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Fonti: www.enea.it, www.enel.it, www.energoclub.it, www.greencrossitalia.it
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