Biocombustibili

I biocombustibili rappresentano oggi un’importante fonte di energia a basso impatto ambientale. La disponibilità di varie materie prime rinnovabili e i crescenti investimenti che vengono fatti nel settore potrebbero portare i biocombustibili a competere con il petrolio, diminuendo la dipendenza energetica dalle fonti fossili.

Introduzione

In generale possiamo definire come biocombustibili tutte quelle sostanze in grado di produrre energia che derivano direttamente o indirettamente da una biomassa. In altre parole sono tutti quei combustibili solidi, liquidi e gassosi provenienti da fonti rinnovabili come le piante e gli animali. Ad esempio alcuni biocombustibili sono il biodiesel, i bioalcol (bioetanolo, biometanolo, etc.), il biogas (metano), il syngas (monossido di carbonio + idrogeno), la legna e il carbone. Per la produzione di biocombustibili le biomasse che possono essere utilizzate sono molteplici e comprendono:

• Raccolti di prodotti ricchi in zuccheri (barbabietola da zucchero, canna da zucchero, etc.)
• Raccolti di prodotti ricchi in amido (mais, frumento, etc.)
• Raccolti di prodotti erbosi e lignocellulosici
• Raccolti di prodotti oleosi (semi di girasole, ravizzone, canola, colza, soia, arichidi, etc.)
• Scarti di agricoltura (paglia, etc.)
• Foreste a basso tempo di rotazione (salici, pioppi, eucalipti, etc.)
• Rifiuti legnosi (residui di foreste, segatura, residui industriali della lavorazione del legno)
• Residui solidi urbani
• Residui di lavorazione industriale (industria alimentare)

I biocombustibili si possono distinguere tra primari e secondari. I biocombustibili primari sono quelli dove la biomassa si utilizza tal quale senza essere processata, come la legna, i trucioli di legno e il pellet. Questi biocombustibili si bruciano direttamente per produrre energia. Mentre quelli secondari derivano dalla biomassa che subisce determinati processi di tipo chimico, termochimico o fermentativo. Da questi processi si formano combustibili solidi come il carbone, liquidi come l’etanolo e il biodiesel o gassosi come il biogas, il syngas e l’idrogeno.

Anche se la maggior parte dei biocombustibili viene adoperata per uso domestico (ad esempio sono ormai molto diffuse le stufe a pellet), negli ultimi anni ha subito una notevole crescita l’utilizzo di biocombustibili liquidi per il trasporto, con lo scopo di limitare l’uso di carburanti di origine fossile. In particolare il bioetanolo e il biodiesel sono quelli che hanno avuto il maggior sviluppo e sono quelli più presenti sul mercato attuale.

Bioetanolo

La quasi totalità del bioetanolo si ottiene dalla fermentazione di prodotti ricchi di zucchero o amido (canna da zucchero, barbabietola da zucchero, mais, grano, etc.) ad opera di microrganismi od enzimi. L’etanolo o alcol etilico è biodegradabile, ha una bassa tossicità ed ha un basso impatto ambientale se decomposto. Rispetto alla benzina 1 litro di etanolo fornisce il 66% di energia ma ha un più elevato numero di ottani e quando miscelato con la benzina ne migliora le prestazioni. Inoltre migliora la combustione della miscela riducendo le emissioni di monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti, anche se può favorire un aumento della produzione degli NO_x. Infine il bioetanolo non contiene le quantità di zolfo delle benzine ed aiuta a ridurre le emissioni degli ossidi di zolfo che presentano una certa cancerogenicità e sono tra i responsabili delle piogge acide.

Il 90% del bioetanolo si produce in USA e in Brasile e viene largamente utilizzato in miscela con le benzine. Si ottengono prodotti che contengono fino al 95% di etanolo (ED95). In Brasile soprattutto è da mezzo secolo che attuano politiche per l’utilizzo di bioetanolo come carburante grazie al notevole sviluppo che c’è stata nella coltivazione della canna da zucchero e sono diventati leader di un processo sostenibile per la produzione di questo biocombustibile. Invece negli USA, così come nei Paesi UE, il bioetanolo si produce principalmente da cereali come il mais, ottenendo gli zuccheri da fermentare dall’amido.

Biodiesel

La maggior parte del biodiesel, invece, si ottiene combinando oli vegetali (soia, girasole, cocco, arachidi, palma, jatropha, etc.) o grassi animali con un alcol (metanolo o etanolo) ed un catalizzatore attraverso un processo chimico di transesterificazione. Il biodiesel, rispetto al bioetanolo, può avere composizioni chimiche differenti in base alla materia prima utilizzata e quindi può mostrare diverse proprietà fisiche e di combustibilità. Rispetto al diesel tradizionale il biodiesel ha un contenuto energetico che varia dal 88 al 95%. Inoltre ha buone proprietà lubrificanti e, avendo un contenuto di ossigeno più elevato rispetto al diesel da fonte fossile, fornisce una combustione più completa riducendo le emissioni di particolato, monossido di carbonio e di idrocarburi incombusti. Come il bioetanolo anche il biodiesel non contiene praticamente zolfo, riducendo così le emissioni di ossidi di zolfo dagli autoveicoli.

Circa il 60% della produzione di biodiesel avviene nei Paesi UE sfruttando principalmente l’olio di colza. Esso si utilizza sia in miscela con il diesel tradizionale che puro (B100). Invece in USA, nei Paesi sudamericani e in Asia il biodiesel si produce sfruttando principalmente l’olio di soia e in minor misura anche l’olio di palma, cocco o di jatropha. Inoltre negli ultimi anni ha subito un’impennata la produzione di biodiesel a partire dal grasso giallo (pollame) e da quello bianco (lardo).

Controversie sui biocombustibili

Ci sono dei vantaggi nell’utilizzo dei biocombustibili per il trasporto, sia per quanto riguarda la loro funzionalità che per l’impatto ambientale, ma nella loro attuale produzione ci sono pro e contro.

Tra i pro va considerato che, rispetto ai combustibili di origine fossile, la produzione dei biocombustibili può derivare da differenti fonti e ciò garantisce una certa sicurezza nell’approvvigionamento energetico. Si riduce così la dipendenza dalle importazioni di combustibili fossili. Inoltre i biocombustibili emettono molta meno anidride carbonica rispetto alla controparte fossile, in quanto quella prodotta dal loro uso è quella che poi la biomassa assorbe per la sua crescita. Però in merito a quest’ultimo aspetto sono stati condotti molti studi che hanno evidenziato come il bilancio energetico in effetti sia negativo.

L’energia che si deve fornire per la produzione del biocombustibile è maggiore di quella che poi viene rilasciata dal biocombustibile stesso. Infatti bisogna considerare l’energia consumata e l’inquinamento che ne deriva dai processi di lavorazione meccanica, concimazione, trattamento antiparassitario, irrigazione, raccolta, trasporto e trasformazione.

Tra i contro quello più importante è che attualmente la maggior parte dei biocombustibili liquidi prodotti sono di “prima generazione”, ovvero derivano da colture alimentari coltivate su terreni coltivabili. Con questa generazione di biocarburanti le colture alimentari sono quindi esplicitamente coltivate per la produzione di carburante e non per altro. Ciò mette in diretta competizione la produzione di energia con la produzione di cibo. Ad esempio nei Paesi tropicali sempre più terreni sono destinati alla produzione di biodiesel. A tal scopo ampi territori vengono deforestati per la coltivazione della palma o per la coltivazione della jatropha. Come conseguenza si provoca, oltre ad un elevato impatto ambientale, una diminuzione dell’offerta locale di cibo ed un aumento dei prezzi di prodotti di prima necessità.

I biocombustibili di “seconda generazione”

Essendo note le problematiche relative ai processi di produzione dei biocombustibili di prima generazione, parallelamente ad essi, si sono sviluppati quelli che vengono definiti biocombustibili di “seconda generazione” che derivano da fonti non adatte al consumo umano. Le materie prime di biocarburanti di seconda generazione includono colture energetiche non commestibili, oli coltivati ​​non commestibili, rifiuti agricoli e municipali, oli usati e alghe. L’obiettivo dei processi di biocarburanti di seconda generazione è di estendere la quantità di biocombustibile che può essere prodotta in modo sostenibile. Ad esempio si può utilizzare la biomassa costituita dalle parti non alimentari residue delle colture attuali, come steli, foglie e gusci che sono materiale di scarto dopo che è stata eseguita la coltura.

La problematica principale dei processi di produzione dei biocombustibili di seconda generazione è data dalla difficoltà di estrarre le materie utili dalla biomassa legnosa o fibrosa. Infatti è necessario rendere più accessibile la cellulosa e l’emicellulosa (contenenti gli zuccheri)  che sono intrappolate dalla lignina, un costituente strutturale presente in tutte le piante. Ciò ha determinato un più lento sviluppo dei biocombustibili di seconda generazione rispetto a quelli di prima generazione dato dalla difficoltà di rendere fattibile la produzione su larga scala.

Però negli ultimi anni continua a crescere la loro disponibilità sul mercato grazie sia al progresso della tecnologia che ad una migliore comprensione delle materie prime da trattare. La tecnologia sviluppata per i biocombustibili di seconda generazione è differente da quella utilizzata per i biocombustibili di prima generazione. Infatti anziché incrementare i processi fermentativi, si sono sviluppati processi di tipo termochimico come la gassificazione e la pirolisi che non richiedono complessi trattamenti preliminari della biomassa come ad esempio separare la cellulosa dalla lignina.

Gassificazione

La gassificazione è un processo di conversione termica della biomassa in syngas, un gas costituito da monossido di carbonio e idrogeno. Il processo prevede che la biomassa, precedentemente essiccata, deve essere riscaldata a temperature sopra i 700 °C in presenza di una quantità limitata di ossigeno che serve a prevenire la combustione. Il syngas poi può essere convertito in biocombustibile attraverso differenti reazioni sintetiche che possono portare alla formazione di benzine (processo via DME), biodiesel (processo Fischer-Tropsch), biometano (processo Sabatier) e bioalcoli. Inoltre il syngas può essere utilizzato per la produzione di energia elettrica sia meccanicamente che utilizzando l’idrogeno prodotto per alimentare le celle a combustibile.

Pirolisi

L’altro processo utilizzato è la pirolisi che consiste nella degradazione termica della biomassa che avviene in assenza di ossigeno sopra i 300 °C. Si formano un solido (biochar), un liquido (bio-olio) e un gas (miscela di gas combustibili). Per la produzione di biocombustibili il solido ed il liquido si convertono in syngas tramite gassificazione, mentre il gas si brucia per sostenere energeticamente il processo di pirolisi.

Combustibile algale

Si stanno sviluppando i biocombustibili del futuro a partire dalle microalghe. Da esse è possibile estrarre un bio-olio che può essere trasformato in biodiesel, mentre con il residuo essiccato, ulteriormente rielaborato, è possibile produrre bioetanolo.

Le microalghe, crescendo nelle acque, non necessitano di suolo (quindi di erbicidi, pesticidi, etc.) e così non riducono le terre utilizzabili per i raccolti, occupando anche meno spazio. Inoltre esse possono essere coltivate su terreni marginali inutilizzabili per le colture ordinarie e possono utilizzare l’acqua proveniente da falde acquifere salate che non è utile per l’agricoltura o per bere.

Rispetto ad altre fonti di biocarburanti, la produzione e la combustione di biocarburanti algali non produce ossidi di zolfo e ossidi di azoto e produce una quantità ridotta di monossido di carbonio e idrocarburi incombusti. Attualmente sono necessari molti finanziamenti, tecnologie e processi per far diventare la produzione di olio algale commercialmente fattibile su una scala molto ampia e per renderla competitiva con il petrolio e gli altri biocombustibili.

Conclusione

Si può dire che da sempre il sistema di trasporto mondiale si è basato su un unico combustibile: il petrolio. E ad oggi non sembra esserci un’alternativa realistica ad esso, vista l’elevata domanda energetica. Nonostante le politiche di salvaguardia ambientali la domanda di petrolio dovrebbe crescere ancora per molti decenni, insieme alla domanda complessiva di energia. I biocombustibili possono aiutare a soddisfare questa domanda come sostituto della benzina (bioetanolo) o del diesel (biodiesel). Anche se non sostituiscono completamente il petrolio, possono e devono essere considerati parte integrante del mix energetico mondiale insieme alle altre fonti energetiche rinnovabili.

Bibliografia

• Food and Agriculture Organization of the United Nations, The State of Food and Agriculture, Roma, 2008
• D. S. Kim M. A. Kumar, Trend of biodiesel feedstock and its impact on biodiesel emission characteristics, Environmental Progress & Sustainable Energy, 2017