CONFRONTO ENERGETICO TRA LE VARIE FORME D’ENERGIA RINNOVABILE E LE ALGHE

Proviamo ad applicare i sistemi di valutazione tra queste due diverse tecnologie di produzione. L’energia elettrica ha un costo in termini di produzione di CO2.

Se i fossili sono controindicati a causa di questo limite è anche vero che non tutte le energie rinnovabili sono esenti da emissioni inquinanti e alti impatti ambientali (vedi Tab.2), anzi analisi come quelle LCA vengano applicate con l’intenzione di comprendere come ridurre o annullarle.

Nella tabella 1 è riportata un’indicazione per una facile visualizzazione visuale del confronto in termini di CO2 emessa e milioni di tonnellate equivalenti del petrolio tra l’energia fossile e rinnovabile.

Tab.1. Fonti energetiche che concorrono alla produzione d’energia elettrica.

Determinazione CO2  media emessa dalla produzione d’energia elettrica per ciascuna fonte  energetica in Italia (Pietrogrande, 2005).                                     

Fonte	Mtep	%(1)	Fattored’emissione(2) CO2	(1)*(2)
Importazione	8,2	0,1385	5	0,692
Geotermica	0,8	0,0135	7	0,094
Nucleare	0	0	3,5	0
Idrica	9,2	0,1554	1	0,0155
Gas naturale	9,3	0,1571	70	11,94
Combustibili solidi	6,4	0,1081	100	10,810
Petrolio	25,3	0,4274	80	29,915
TOTALE	59,2	1		52,665

Per produrre un Megajoule con impianti termoelettrici a combustibili fossili si rilasciano nell’atmosfera 0,9159 kg di CO2 usando carbone, 0,715 usando petrolio, 0,543 usando gas naturale. Le emissioni d’anidride carbonica delle centrali elettriche da fonti rinnovabili rispetto alle centrali a idrocarburi emettono anidride carbonica in una quantità che potremmo definire comunque “trascurabile”.  

Molti invece sono i limiti e anche gli impatti ambientali di queste tecnologie che finora ne hanno impedito la diffusione su larga scala (Tab 2).

In generale nessuna d’esse può prendere il posto da sola ad esempio delle centrali termoelettriche a  petrolio ma tutte insieme possono differenziandosi a seconda del luogo, produrre gran parte dell’energia necessaria a patto che vi sia la seria volontà da parte dei governi d’intrapendere questa strada.

Tab.2 Diffusione delle centrali da fonti rinnovabili ( Pietrogrande, 2005).

Biomassa	Geotermico	Fotovoltaico	Idroelettrico	Eolico
25 Gw	9 Gw	1 Gw	530 Gw	25 Gw
1° Usa	Usa	Giappone	Canada	Germania
2° Giappone	Filippine	Germania	Usa	Usa
3° Brasile	Messico	Usa	Cina	Spagna
P.O*: 10 milioni di (1) tep per l’Italia usando gli scarti agricoli. Oggi 1.400.000 ha in UE.	P.O: 80.000 watt.	P.O: 20%energia mondiale nel 2020.	P.O: 1.350 Gw con l’apertura della diga delle tre gole in Cina.	P.O: il10% dell’energia mondiale nel 2020.Oggi l’en.rinn.più competitiva.
P.F**: 200.000 tep usando i terreni incolti per le sovvenzioni Pac.	P.F: 50x10*12 watt usando la reiniezione d’acqua in strati di rocce calde	P.F: 1.000 w/m² è l’energia solare effettivamente usufruibile al mondo con i nuovi pannelli.	P.F: Con il microidro (microimpianti che sfruttano anche  i ruscelli) molto alte ma con limiti di crescita.	P.F: Quattro volte il consumo energetico mondiale
Limiti: efficienza energetica, competizione con terreni a colture alimentari	Limiti: disponibilità. Costi d’impianto	Limiti: Il costo del pannello, l’intermittenza della luce; ma che dovrebbero essere superati con la crescita del mercato e i nuovi accumulatori.	Limiti: Impatto ambientale. La sommersione della vegetazione nel bacino genera fermentazione con produzione e dispersione di   metano (4volte più inquinante CO2 ).	Limiti: Bassa disponibilità. Efficienza bassa se zona poco ventosa. Elevata intermittenza. Alto impatto paesaggistico.

*P.O: potenzialità odierna. **P.F: potenzialità futura.

(1) tonnellate equivalenti di petrolio.

La penuria di petrolio fa si che s’utilizzi molto il carbone, come in Cina il primo produttore e consumatore del mondo e difatti uno dei paesi più inquinanti (Pietrogrande, 2005).

Per ovviare a questo si pensa a soluzioni alternative per fissare l’enorme quantità di CO₂ rilasciata da questi impianti.

Negli Stati Uniti il MIT ha studiato la possibilità d’immobilizzarla negli oceani, con l’utilizzo di condotte sottomarine e concimi fosfatati (www.energialab.it, 2006).

A parte l’originalità del progetto che è subito parso poco credibile, si è invece trovata una valida soluzione, nell’utilizzo dei gas di combustione delle centrali per alimentare vasche di coltura di micro e macroalghe.

In tal modo la CO₂ è fissata per oltre il 50% del totale emesso nella biomassa dalla quale si possono ottenere oli combustibili e materiali edilizi con la CO₂ fissata in un substrato solido a tempo indeterminato con grandi vantaggi ambientali (www.energialab.it).

Ciò ridurebbe il fabbisogno di petrolio e potrebbe portare alla conversione degli impianti con un incremento dell’utilizzo del carbone meno costoso del caro petrolio (ormai a 25 centesimi di euro al litro) ma più inquinante, rientrando comunque nei parametri di Kyoto. In fatto di ritorno energetico tra le bioenergie per vettori energetici l’EROEI più alto è dell’olio estratto dalle microalghe. Nella tabella 3 vengono tra di loro confrontati i vari EROEI delle fonti energetiche rinnovabili, bioenergie e fossili.    

Tab.3. EROEI delle principali fonti energetiche e vettori energetici.

(www.energoClub.it, 2007. EnergoClub Onlus. Treviso, Italia).

Fonte primaria o secondaria	Minimo	Massimo
Fonti energetiche esauribili
Petrolio	5	15
Metano	8	20
Carbone	2	17
Nucleare	1	20
Sabbie bituminose	1	1,5
Fonti energetiche rinnovabili
Idroelettrico	30	100
Eolico	10	80
Geotermico	2	13
Fotovoltaico	3	60
Termosolare riscaldamento	30	200
Solare termodinamico	10	20
Biomasse solide	3	27
Impianti biogas	10	20
Energia dalle onde, dalle maree e correnti marine	2	10
Risparmio energetico	2	300
Vettori energetici rinnovabili
Gassificazione biomassa	2	10
Bioetanolo da cereali-barbabietole-leguminose	1	5
Bioetanolo da canna da zucchero	3	8
Bioetanolo da cellulosa	2	7
Biometanolo da gassificazione	2	6
Olio vegetale da oleaginose	3	6
Biodiesel	3	5
Olio da microalghe	5	10

Secondo Kadam (1997) applicando la captazione dei gas esausti ad una centrale elettrica a carbone calerebbe l’efficienza energetica d’un 10-30 % e di riflesso il suo EROEI sarebbe minore, inoltre il prezzo dell’elettricità aumenterebbe d’un 30-130 % se convertito. Ma le tecnologie future porterebbero ad una riduzione dei costi rendendo il tutto possibile.

 Ciò già avviene negli Stati Uniti dove il 2 % della CO₂ emessa è riciclata mediante previo assorbimento con la tecnologia Mea (monoetalonammine) e utilizzata nell’industria alimentare, dei carburanti e composti vari sia per l’industria plastica che edilizia che farmaceutica. La conversione di CO₂ in microalghe è economicamente conveniente per alcune selezionate aeree geografiche. Le conclusioni dello studio LCA di Kadam dicono che vi sono effettivi benefici ambientali derivanti dal processo di coaptazione dell’anidride carbonica prodotta dalle industrie termoelettriche a carbone per alimentare vasche di coltura delle alghe in rapporto all’opzione impianto elettrico a carbone libero senza coaptazione fumi. L’ampiezza di tale beneficio varia a seconda delle tipologie tecnologiche e specie di alghe adottate. In particolare abbiamo diminuizioni notevoli grazie alle alghe di SOx e NOx, particolato emesso, diossido di carbonio e metano ed energia fossile consumata. Gli impatti ambientali dovuti all’eutrofizzazione sono invece alti e in generale passando a impianti elettrici alimentati a petrolio e gas, i loro fumi captati e raffinati per alimentare le alghe non danno le stesse rese, costringendo ad aumentare le dosi di fertilizzante. Facendo sì che il valore dell’lca specifico per il prelevamento e uso risorse naturale sia alto.

Nella tabella 4 riporto i dati del lavoro di Kadam relativi al “life cycle inventory” della produzione d’energia dal carbone senza coaptazione fumi in confronto ai dati relativi alla coaptazione fumi per alimentare vasche di coltura microalgali. Nello specifico i dati sono riferiti esclusivamente a un impianto di 50 MW termoelettrico tradizionale ma con un riciclo della CO₂ dal 25 % fino al 50% ottenuti adibendo con 1.000 ha ad acquilcoltura di alghe. Le microalghe sono essiccate con l’energia solare per massimizzare le rese(probabile uso di collettori solari).

 Tab.4. Analisi LCA di un impianto di bio-coaptazione gas esausti.

(Kadam, 2002).

		Processo d’iniezione diretto (usando essiccazione solare): il 50 % della CO2 è riciclato.
Caso base	Senza acquicoltura la CO2 è rilasciata nell’atmosfera o venduta.	Con acquicoltura	Differenza% = Scenario1 valore-scenario2 valore/scenario1 valore*100
Risorse naturali
Carbone	4.083t	2.394t	41
Gas naturale	23kg	170kg	-658
Olio	28t	59t	-111
Emissione aria
Diossido di carbonio	7.943t	4.996t	37
Monossido di carbonio	2.056kg	2.172kg	-6
Idrocarburi(no CH4)	498kg	536kg	-8
Metano	18kg	12,8kg	-29
Ossido di nitrogeno	37kg	23kg	-39
Ossidi nitrosi	231kg	140kg	-39
Particolato(pm10)	9,6G	6 G	-39
Articolato generico	47kg	28kg	-39
Ossidi sulfuri	67t	44t	-33
Residui
COD(domanda chimica dell’ossigeno)	60kg	394kg	-557
Residui solidi	2.148t	1.839t	14
Energia
Energia non rinnovabile	Mj 1,2 per 10 alla 8°	8 Mj per 10 alla 7°	34
Energia rinnovabile	Mj 41.007	4,6 per 10 alla 7°	NM
Energia del processo	Mj 1,22per 10 alla 8°	1,25 per 10 alla 8°	-2

 Il dato più importante che si ottiene dall’analisi di Kadam è che 1.000 ha di una coltivazione a microalghe arrivano a processare circa 21.000 t/anno di CO₂  (Kadam, 2002). Un impianto di 50 Mw genera 414.000 t/anno di CO₂ che con 1.000 ha  a microalghe sono ridotte della metà (dal 25% al 50% in meno di CO₂).

La produzione elettrica ottenuta usando la biomassa algale dipende dalla quantità d’anidride carbonica riciclata.  Naturalmente il bilancio netto della CO₂ emessa dalle microalghe durante la crescita fino alla combustione  è ritenuto uguale a zero.

In sintesi l’analisi LCA adoperata da Kadam fa sì che s’adoperi un confronto fra lo scenario 1 in cui non vi è coaptazione dei fumi e l’acquicoltura e lo scenario 2 con l’acquicoltura, ottenendo ottimi valori nell’LCA per quest’ultimo. 

 E’ un analisi comparata dei due processi. L’unita base per la comparazione tra le tipologie, è la quantita di carbone o alghe necessaria per generare un Mj (vedi Tab. 5). Si nota dall’analisi LCA valori bassi d’efficienza se i fumi dell’impianto non sono raffinati ma direttamente usati per alimentare le vasche a microalghe.

Tab.5. Parametri della coltivazione in vasche delle microalghe (1.000ha) alimentate con la CO₂ d’un impianto termoelettrico a carbone da 50 Mw.

(Kadam, 2002).

Parametri	Unità	Valori
Parametri facilitati
Dimensioni facilitate	ha	1.000
Modulo dimensioni	ha	20
Numero di moduli		43
CO2 totale processata	t/anno	204.175
Effettiva frazione area culturale		0,86
Contenuto in lipidi	Wt.fr.dsb*	0,50
Contenuto in proteine	Wt.fr.dsb	0,26
Contenuto in carboidrati	Wt.fr.dsb	0,16
Contenuto in lignina	Wt.fr.dsb	0,08
Tolleranza alla salinità	G TDS/L	35
Radiazione solare	kcal/m²/giorno	5.000
Stagione operativa	d/anno	300
Concentrazione cellulare	G dcw/l	0,8
Tempo di residenza	D	4
Produttività	g/m²/d	45
Produzione alghe lorda	t/anno	104.490
Energia prodotta dalle alghe	10*6° kcal/anno	691.701
Efficienza raccolta		0,95

Notiamo in tabella 10.6 e 10.7 come i costi d’impianto e di produzione rendano le colture algali al momento svantaggiate, con l’operazione di raccolta e essiccazione come fattori limitanti dato che richiedono quantità d’energia notevoli. L’essicazione per le colture algali destinate a metano non è attuata e quindi si risparmiano 14Gj/t.

La raccolta richiede i ¾ dell’energia ottenuta e a questo si cerca d’ovviare con la ricerca e l’utilizzo di alghe filamentose.

Il problema è che le microalghe non legano tra loro spontaneamente formando colonie in maniera che l’aumento del peso specifico le faccia precipitare al fondo.

Tab.6. Input e output della coaptazione gas esausti-acquicoltura.

(Kadam, 2002).

	Per giorno	Per t CO2
INPUT
INIEZIONE DIRETTA
t CO2.	680,6	1
Elettricità, Kwh	15.100	22,2
ESTRAZIONE,CON PROCESSO  MEA
CO2 t	680,6	1
Corrente di vapore, Kg	1.369.570	2.010
Elettricità, Kwh	22.225	32,65
COLTIVAZIONE ALGHE
NH3, kg	16,85	24,76
Superfosfato, kg	12	17,84
Potassio solfato, kg	9,41	13,83
CO2, kg	680,6	1.000
Elettricità, Kwh	56.280	82,7
ESSICAZIONE ALGHE
Essiccazione solare	0	0
Vapore, kg	1.615.584	2,374
OUTPUT
CO2, kg	470	0,69
Alghe-Peso secco, kg	314.300	461,8
Alghe-Peso umido, kg	628.600	923,6
Energia delle alghe disidradate  in Mj.	8.120.000	11.927

Tab.7. Costi economici stimati e costi energetici per la produzione di alghe.

 (da Russel, 1976).

Capitale ammortizzato	$ /t	Gj/t alghe
Lavoro	18
Costi di miscelazione	7,30	2,8
Separazione	80	42
Essiccazione		14
Tasse, assicurazione	20
Crediti (credit sewage)		4,3
Totale	235	57,6

Se i costi  non verranno limati con le nuove tecniche a disposizione, visto che non sono stati fatti sostanziali passi in avanti a riguardo da decenni, rimangono due strade: la prima è l’utilizzo di microalghe filamentose; la seconda è passare allo studio e alla messa in atto di progetti riguardanti le macroalghe nonostante le tacite rese inferiori (le microalghe inoltre sono  state molto più studiate dal dopoguerra perchè usate nella pescicoltura).

Le tecniche usate per la raccolta delle microalghe essenzialmente sono: filtrazione; la centrifugazione; la flocculazione e la bioflucculazione. Nella bioflocculazione, il flocculante è prodotto dalle alghe stesse sotto forma d’essudati che legano tra loro la massa algale permettendo la precipitazione.

Nel caso della flocculazione invece il flocculante è una sostanza esterna chimica o naturale.

Dopo aver esaminato questi dati relativi nel primo caso di Kadam sia al bilancio energetico che all’LCA relativi a un impianto di riciclo della CO2 usata per  aquicoltura di microalghe a scopo energetico, attuiamo un confronto con un lavoro di Michele Aresta sull’utilizzo della CO2 prodotta da una centrale elettrica a carbone per alimentare vasche di coltura questa volta a macroalghe.

 L’impianto elettrico ha una potenza tra i 100-500 Mw. Vi sono inoltre acque reflue, affluenti di fiumi o nel caso ipotizzato le acque colme di residui fecali d’una pescicoltura distante meno di 5 km.

Il contenuto in olio delle alghe variava dal 7 al 20% per le specie di alghe selezionate (C.linum e C.capicella). Il progetto d’Aresta prevede la caratterizzazione fisiologica dei ceppi d’alghe proveniente dal Mar di Taranto e Adriatico e la loro resistenza a anidride carbonica, monossido d’azoto e solfati.

La filiera produttiva include i seguenti passaggi: recupero gas di scarico da impianti energetici, separazione CO₂, trasporto dell’anidride carbonica, distribuzione del gas, crescita delle macroalghe, collezione delle alghe, estrazione bio-carburante dalle alghe, esterificazione eventuale e lavorazioni eventuali sottoprodotti.

 Le metodologie per la raffinazione dei gas di scarico includono: M.E.A process; assorbimento fisico; criogeno; e speciali membrane.

La maggior parte delle variabili del processo sono inserite nel “compubio” un software creato per l’occasione. S’è notato che l’efficienza più alta si ha con il processare le alghe attraverso la tecnologia  Supercritical CO₂ ma tutti i processi d’estrazione più usati e efficaci sono comparati tra loro: solventi organici; la pirolisi e gassificazione; liquificazione. Il processo scCO₂ si basa sull’utilizzo di CO₂ ad alte pressioni e temperature di 304 K° come solvente ed è il più efficace nonchè meno tossico. L’unità funzionale energetica come nell’esempio precedente è stata fissata in un Mj d’energia prodotta dalle alghe. In questo studio l’LCA è stato valutato per verificare la produzione d’energia dalla biomassa.

Le analisi di Aresta (vedi tab10.7)sono state effettuate grazie all’apporto d’un software creato appositamente in virtual basic il Compubio, software di possibile utilizzazione in molte filiere energetiche della biomassa.

 Tab.7. Bilancio energetico d’un impianto d’aquicoltura di microalghe alimentato con gas esausti e acque di scarto. (Aresta, 2006) .

Processo		Energia consumata (Mj)	Energia prodotta (Mj)
Trasporto gas	Iniezione diretta	0,0799 (a)*
	Separazione CO2	1,672 (a)
Distribuzione CO2		0(b)
Produzione alghe	Coltivazione	2,15 (c )
	Supplementi nutritivi	4,55  (c )
	Raccolta	O,85, (m); 5,55(M)
	Essicazione	0(f)
Tecnologie   conversione	Gassificazione	5,95(d)
	Pirolisi	2,5(g)	15-20(g)
	Liquefazione	6,7-11,9(g)	35(h)
	Digestione anaerobica	2,6(h)
	Combustione	11,9(d)

*a: per kg CO₂; b: la energia consumata è zero ; c: per kg alghe; m: per kg microalghe;

 m: per kg macroalghe raccolte in laguna; f: energia solare usata; g: per kg d’olio; h: per kg di biomassa.

Da notare in tab.7 che l’energia consumata nella raccolta delle macroalghe è 6 volte l’energia richiesta dalla raccolta delle microalghe per Aresta. L’esatto contrario di quanto sostenuto da altri autori. Aresta nota come l’energia netta prodotta dipende dal processo tecnologico di conversione adottato e pubblica valori per le macroalghe di 11.000 Mj/t di s.s.alga contro valori d’energia netta per le microalghe di 9.500Mj/t usando la gassificazione.

Mentre l’analisi energetica è molto positiva altrettanto non è per il bilancio economico e delle emissioni di CO₂ che vogliono studi approfonditi.

Secondo stime del National Renewable Energy Department del 1998 per rifornire di solo diesel da autotrazione i mezzi di trasporto privati e pubblici degli Stati Uniti servirebbero tanti ettari coltivati a piante oleaginose quant’è la superficie libera dell’intero stato. Ugualmente la stima è simile per l’Italia ove per la Coldiretti bisognerebbe convertire tutta la nostra superficie non solo quella agricola a colza (la coltura oleaginosa temperata più produttiva).

Se consideriamo invece la coltivazione di alghe da biodiesel la superficie necessaria si riduce al 2% del territorio americano ovvero una superfice pari all’odierna Albania. Purtroppo a sfavore delle alghe giocano l’alta energia richiesta nella fase di raccolta, l’energia per il riscaldamento e l’agitazione delle vasche e la costruzione dell’impianto che alzano sia i costi energetici che monetari a fronte d’ottime rese produttive con 90 t/ha/anno con una rese in olio crudo di 5.600 litri/ha/anno.

La selezione e il miglioramento genetico hanno portato a ottenere microalghe con fino al 50% d’olio e una maggiore efficienza fotosintetica con notevoli sottoprodotti utilizzabili in tantissimi campi e con ancora più sbocchi commerciali del glicerolo sottoprodotto del biodiesel di cui se vi fosse l’auspicato aumento della produzioni nonostante gli usi diversificati il mercato si saturerebbe.

Il costo a litro dell’olio tratto dalle alghe era di 0,6 dollari statunitensi nel 1998.

Invece 30.000 $/ha/y sono i costi per alcune tipologie d’impianto. Mantenere in movimento l’acqua nelle vasche richiede 1 kw/ha, la produttività è di 70 t/ha/y con punte  di 50 g/m²/d (Sheehan, 1998). Interessante per le aziende è la possibilità d’utilizzo delle acque di scarto (allevamento zootecnico, pescicoltura, acque reflue agricole e anche civili previa depurazione) e le emissioni di anidride carbonica.

G.N.