LA PRODUZIONE DI IDROGENO DALLE ALGHE. CENNI STORICI.

Nel 1939 un ricercatore tedesco, Hans Gaffron, durante i suoi studi presso l'università di Chicago, notò che le alghe che stava osservando, la Chlamydomonas reinhardtii

(un'alga verde), a volte passava dalla produzione di ossigeno a quella di idrogeno. Gaffron non riuscì però a scoprire la causa che provocava questo cambiamento, e per molti anni la causa rimase misconosciuta fino alla fine degli anni '90 quando il professor Anastasios Melis, all'epoca ricercatore presso l'Università della California a Berkeley, scoprì che se la coltura di alghe veniva privata di zolfo questa cessava di produrre ossigeno (la normale fotosintesi), passando a produrre idrogeno. Scoprì inoltre che l'enzima responsabile di questa reazione è l'idrogenasi, ma che l'idrogenasi perdeva la sua funzione in presenza di ossigeno. Melis scoprì che privando l'alga dello zolfo questa interrompeva il flusso interno di ossigeno, creando così un ambiente in cui l'idrogenasi poteva reagire, producendo idrogeno.

Estrarre idrogeno dalle alghe, la ricerca italiana.

Attualmente si adoperano alcuni particolari batteri e alcune tipologie di micro-alghe. Quindi su microorganismi, sia procarioti che eucarioti, che hanno imparato con l’evoluzione a utilizzare l’energia solare meglio di qualunque altro essere. La sfida è utilizzare questi processi naturali per ottenere idrogeno, che sembra essere il vettore emergente per produrre energia pulita. Allo stato naturale alcuni tipi di alghe sintetizzano piccolissime quantità d’idrogeno che utilizzano a fini metabolici. L' intervento di modificazione genetica consiste nel fargli produrre più idrogeno. A tal fine vi è una collaborazione in atto tra l’Università di Firenze, l’Enea e il CNR di Napoli e Firenze con coordinamento del gruppo a Padova. Si stanno seguendo tre linee di ricerca. La prima è l’utilizzo di microorganismi per ottenere idrogeno da biomassa. La biomassa si può ottenere dai residui di lavorazione degli allevamenti, ma anche nelle acque reflue cittadine.

La seconda linea di ricerca è forse la più difficile e ambiziosa: modificare geneticamente alghe e organismi per produrre idrogeno. La terza linea è la più ingegneristica: combinare i risultati delle prime due linee per realizzare un impianto pilota in cui realizzare il frutto di questi processi. Sarà il momento in cui sarà possibile valutare il costo, l’economicità e la possibilità di questa innovazione. In prospettiva potremmo avere dei bioreattori che sotto illuminazione solare saranno capaci di produrre idrogeno.

 Chlamydomonas moeweesi è considerata dagli studiosi una buona candidata per la produzione di idrogeno.

Nella prospettiva di una produzione diffusa dell’idrogeno, possiamo immaginare piccoli impianti che producano, almeno in parte, l’energia necessaria.

Ad esempio un allevamento o un’azienda agricola che potrà installare un bioreattore e soddisfare il suo fabbisogno (Guelci, 2007).

Prospettive della ricerca mondiale

La produzione biologica d’idrogeno è fatta in bioreattori ed è basata sulla produzione di idrogeno da parte di alcune alghe private di zolfo.

Problemi nella realizzazione di bioreattori:

·                    Si ha diminuzione di produzione di idrogeno in via fotosintetica dovuta alla formazione di un gradiente protonico.

·                    Inibizione di tipo competitivo della produzione fotosintetica di idrogeno da parte del biossido di carbonio .

·                    Necessità di un legame bi carbonico nel foto sistema II (PSII) per mantenere efficiente l'attività fotosintetica.

·                    Cattura competitiva degli elettroni da parte dell'ossigeno durante la produzione di idrogeno da parte delle alghe.

·                    Fattibilità economica-efficienza energetica: la conversione di luce solare in idrogeno deve raggiungere il 7-10% (le alghe nella loro forma naturale riescono a raggiungere lo 0,1% al massimo).

Attualmente ci sono progetti in corso per risolvere questi problemi con l'uso della bioingegneria.

Traguardi raggiunti :

2006 - Ricercatori dell'Università di Bielefeld e dell’Università del Queensland, hanno modificato geneticamente l'alga verde unicellulare Chlamydomonas reinhardtii in modo da rendere possibile da parte dell'alga la produzioni di grandi quantità di idrogeno. La Stm6, come è stata chiamata, può produrre nel lungo termine, cinque volte il volume di idrogeno prodotto dall'alga nello stato naturale con una efficienza energetica di produzione di circa l'1,6-2%. Un articolo non pubblicato dell'Università di Berkeley (il programma è stato svolto dal Midwest research Institute, un operatore esterno che lavora per il NREL) potrebbe aver trovato la soluzione tecnologica che consente di aumentare l’efficienza energetica del processo, rendendo fattibile da un punto di vista economico il progetto. Questo risultato è stato ottenuto accorciando i blocchi di clorofilla negli organuli deputati alla fotosintesi. In Germania all’università di Karlsruhe è in corso di sviluppo un prototipo di bioreattore contenente 500-1.000 litri di colture algali. Il reattore sarà utilizzato nei prossimi 5 anni per provare la fattibilità economica del programma (W.a 4/4/2007).

G.N.

PROCESSI PER LA PRODUZIONE DELL’IDROGENO

Esistono diversi modi per estrarre l'idrogeno. Osserviamoli e confrontiamoli.

La trasformazione degli idrocarburi:

Lo steam reforming del metano è un processo ben sviluppato ed altamente commercializzato e attraverso il quale si produce circa il 48% dell'idrogeno mondiale. Tale metodo può essere applicato anche ad altri idrocarburi come l'etano e la nafta. Non possono essere utilizzati idrocarburi più pesanti perché essi potrebbero contenere impurità. Altri processi, invece, come l'ossidazione parziale, sono più efficienti con idrocarburi più pesanti. Lo SMR implica la reazione di metano e vapore in presenza di catalizzatori. Tale processo, su scala industriale, richiede una temperatura operativa di circa 800 °C ed una pressione di 2,5 MPa. La prima fase consiste nella decomposizione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Nella seconda fase, chiamata "shift reaction", il monossido di carbonio e l'acqua si trasformano in biossido di carbonio ed idrogeno. Il rendimento del processo si aggira sul 50%-70%. Nello steam reforming tradizionale, gli idrocarburi sono la fonte sia dell’energia chimica, sia dell’energia termica:

circa il 45% del consumo degli idrocarburi è destinato alla produzione di calore. Poiché l’idrogeno in tal modo prodotto è più costoso della sostanza di partenza, il metano, la sostituzione di questo con l’idrogeno come combustibile non è conveniente. I costi dello SMR sono notevolmente inferiori a quelli dell'elettrolisi e competitivi con quelli delle altre tecnologie, esso comporta inoltre un ridottissimo impatto ambientale.

Alcuni autori, sostengono che la tecnologia SMR può essere conveniente, se combinata con l'alimentazione di veicoli, per l'applicazione su celle a combustibile prodotte su scala ridotta. Altre innovazioni invece, riguardano più in particolare lo SMR stesso. Uno degli obbiettivi della ricerca è infatti, quello di migliorare il tradizionale processo SMR con il perfezionamento di un nuovo processo denominato:

Sorbtion Enhanced Reforming (SER). Rispetto al tradizionale SMR tale processo implica la produzione di idrogeno a temperatura particolarmente bassa e  l’abbinamento di un processo di rimozione selettiva dell’anidride carbonica rilasciata durante la fase di reforming. Il vantaggio principale del SER quindi, consiste nell’ottenere direttamente dei flussi separati, estremamente puri, sia di idrogeno che di CO₂ senza ricorrere a costosi sistemi di purificazione. Questo nuovo processo ha dunque la possibilità di prevalere rispetto ai processi convenzionali, e di favorire l’introduzione a breve termine dell’idrogeno, non solo per i ridotti costi operativi che esso comporta ma anche per il contributo alla riduzione della concentrazione dei gas serra nell’atmosfera.

Le attività di ricerca sono ovviamente volte all’individuazione dei materiali più idonei all’assorbimento di CO₂, alla dimostrazione della validità tecnica dei sistemi sperimentali e all’analisi dei relativi vantaggi economici.

Gassificazione del carbone e dei combustibili fossili:

Il processo di gassificazione consiste nella parziale ossidazione, non catalitica, di una sostanza solida, liquida o gassosa che ha l'obiettivo finale di produrre un combustibile gassoso, formato principalmente da idrogeno, ossido di carbonio e da idrocarburi leggeri come il metano.

Tramite la gassificazione il carbone viene convertito, parzialmente o completamente, in combustibili gassosi i quali, dopo essere stati purificati vengono utilizzati come combustibili, materiali grezzi per processi chimici o per la produzione dei fertilizzanti.

La produzione di idrogeno mediante gassificazione del carbone è una tecnologia che trova numerose applicazioni commerciali, ma è competitiva con la tecnologia SMR solo dove il costo del gas naturale è molto elevato (per esempio la Repubblica Popolare Cinese e il Sud Africa). La gassificazione di combustibili fossili si presenta economicamente interessante nelle regioni in cui il carbone abbonda ed è poco costoso.

Idrolisi dell’acqua.

Elettrolisi:

questo è sicuramente il processo più maturo per la produzione industriale, e sono stati costruiti alcuni grandi impianti nelle vicinanze di centrali idroelettriche che producono elettricità a basso costo. E’ importante però ricordare che, seppur svantaggioso, dalla produzione di idrogeno mediante il processo elettrolitico si ottiene anche ossigeno puro, da utilizzare in diversi modi. L'elettrolisi è il metodo più comune per la produzione di idrogeno anche se incontra notevoli ostacoli per la quantità limitata di idrogeno prodotta e per i costi, ancora troppo elevati, dovuti all'impiego di energia elettrica.

Attualmente, solo il 4% della produzione mondiale di idrogeno avviene per elettrolisi dell'acqua e solo per soddisfare richieste limitate di idrogeno estremamente puro. Per risolvere questo problema, si prevede l’applicazione dell’elettrolisi con vapore ad alta temperatura (900-1.000 °C).

L’alta temperatura del sistema accelera le reazioni, riduce le perdite d’energia dovute alla polarizzazione degli elettrodi ed accresce l’efficienza complessiva del sistema. Questa tecnologia offre l’opportunità di ridurre il consumo di elettricità al 35% di quella utilizzata dagli attuali elettrolizzatori in commercio. Questa notevole riduzione dei costi, e l’elevata efficienza di conversione stimata (circa il 90%), consentirebbe all’elettrolisi di essere competitiva anche con lo steam reforming, che richiede notevoli investimenti strutturali.

Termolisi:

la termolisi è la dissociazione delle molecole di acqua tramite solo apporto di calore che richiede temperature molto elevate, dell’ordine dei 3.000°C .

Con temperature così elevate, è complicato però separare l’idrogeno dall’ossigeno dati i notevoli problemi che pone la resistenza dei materiali.

 Decomposizione mediante cicli termochimici:

con temperature più basse, tecnologicamente compatibili con i materiali conosciuti, è possibile ottenere la dissociazione dell’acqua per mezzo di cicli chiusi di reazioni chimiche di tipo endotermico. Tali tecnologie di produzione sono motivate dalla speranza di individuare un processo che possa utilizzare direttamente una fonte di calore ad alta temperatura, solare o nucleare (in particolare nei reattori HTGR, caratterizzati da una alta temperatura di uscita dei vapori) con un rendimento globale maggiore di quello ottenibile da un impianto di elettrolisi.

Fotolisi:

Essa si propone di ottenere la dissociazione della molecola dell’acqua fornendo l’energia necessaria sotto forma di radiazioni luminose solari.

Decomposizione mediante foto elettrolisi:

 L’ultima possibilità di produrre idrogeno impiega il biossido di titanio o rutilio – TiO2 – come fotoelettrodo. Questo sistema, scoperto nel 1972, ha dato vita a numerosi ed interessanti studi e ricerche.

Altri processi:

Oltre ai metodi analizzati nei precedenti paragrafi, la ricerca è attiva in diversi settori riguardanti la produzione dell’idrogeno. Essa si muove fondamentalmente

 in due direzioni: migliorare le tecnologie esistenti e sperimentare nuovi metodi. L’obiettivo principale è quello di abbattere i costi delle tecnologie ormai in uso riducendo la quantità dei materiali impiegati e aumentando quindi i rendimenti di conversione degli impianti esistenti. In secondo luogo, si cercano di perfezionare nuovi sistemi che consentano di risolvere la questione dell’impatto ambientale delle tecnologie basate sull’impiego degli idrocarburi. In particolare, si sta puntando molto su sistemi che consentano la produzione di idrogeno tramite l’impiego diretto dell’energia solare, in sostituzione dell’energia elettrica necessaria per l’elettrolisi dell’acqua. Uno di questi, la produzione dell'idrogeno per fotoconversione, associa un sistema di assorbimento della luce solare ed un catalizzatore per la scissione dell'acqua. Questo processo usa l'energia della luce senza passare attraverso la produzione separata di elettricità richiesta dall'elettrolisi. Ci sono due classificazioni principali di tali sistemi: fotobiologico e fotoelettrochimico. Si tratta, tuttavia, prevalentemente di tecnologie in fase sperimentale, le cui attività di laboratorio richiedono ancora notevoli perfezionamenti.

Tecnologie foto elettrochimiche:

 I sistemi foto elettrochimici usano degli elettrodi semiconduttori in una cella foto elettrochimica per convertire energia ottica in energia chimica. Esistono essenzialmente due tipologie di tali sistemi: una utilizza semiconduttori, l'altro metalli complessi dissolti.

 Nel primo tipo, un materiale semiconduttore è utilizzato sia per assorbire l'energia solare sia per agire da elettrodo per la scissione dell'acqua. Il secondo tipo di sistemi foto elettrochimici usa materiali complessi dissolti come catalizzatori. Il materiale complesso solubile assorbe energia e crea una separazione tramite carica elettrica che conduce alla reazione di scissione dell'acqua. La ricerca si sta occupando di individuare dei catalizzatori che possano dissociare più efficientemente l'acqua e produrre idrogeno.

Tecnologie fotobiologiche:

 I processi di produzione fotobiologici riguardano la generazione dell'idrogeno da sistemi biologici, che usano generalmente la luce solare. Alcune alghe e batteri sono in grado di produrre idrogeno sotto specifiche condizioni pigmenti delle alghe assorbono l'energia solare e gli enzimi nella cellula agiscono da catalizzatori per scindere l'acqua nei suoi componenti di idrogeno e ossigeno. La ricerca sta analizzando i meccanismi dettagliati di questi sistemi biologici. In ogni caso si è ai primi stadi ed il livello di efficienza di conversione in energia (rapporto tra l'ammontare di energia prodotta dall'idrogeno e l'entità della luce solare impiegata) è basso, circa il 5%. Per la produzione di idrogeno su larga scala, questi processi richiedono efficienza più elevata e riduzione dei costi.

Esistono numerose attività di ricerca che hanno lo scopo di adeguare i sistemi di produzione fotobiologica a tali difficoltà. A breve termine si prevede l’identificazione di batteri e sviluppo di un sistema che possa produrre idrogeno puro a temperatura e pressione ambiente, nell'oscurità.

Attualmente, sono state isolate circa 400 specie di questo tipo di batteri, capaci di combinare, nell'oscurità, monossido di carbonio ed acqua per produrre quantità piuttosto elevate di idrogeno e biossido di carbonio.

L'analisi dettagliata di venticinque specie, ha dimostrato che esse sono in grado di produrre idrogeno da circa il 100% del monossido di carbonio impiegato ma un solo tipo di sistema, basato sull'azione di alcune specie di cianobatteri, ha dato risultati soddisfacenti

(www.energylab/pdf/hidrogen, 2004).

G.N.

L'IDROGENO E LE ALGHE

L’idrogeno, elemento chimico di simbolo H e numero atomico 1, appartenente al gruppo IA  della tavola periodica, è un gas molto reattivo, incolore, inodore e insapore. Fu scoperto nel 1766 dal chimico britannico Henry Cavendish, come prodotto dell'azione dell'acido solforico sui metalli e come elemento costituente dell'acqua; nominato inizialmente "aria infiammabile" da Joseph Priestley, fu poi chiamato idrogeno dal chimico francese Antoine-Laurent Lavoisier. Come molti elementi gassosi, l'idrogeno è diatomico (la molecola contiene due atomi), ma ad alte temperature si dissocia in atomi liberi.

Ha punto di ebollizione e di fusione più bassi di ogni altra sostanza, fatta eccezione per l'elio: solidifica a -259,2 °C e liquefa a -252,77 °C. Alla temperatura di 0 °C e alla pressione di 1 atmosfera, si presenta allo stato gassoso con densità 0,089 g/l..

Il peso atomico è 1,007. L'idrogeno liquido, ottenuto per la prima volta dal chimico britannico James Dewar nel 1898, è incolore e ha densità relativa 0,070.

Il gas idrogeno è una miscela di due forme diverse, l'orto idrogeno (con spin dei nuclei paralleli), che costituisce circa il 75% della miscela, e il para idrogeno (con spin anti paralleli). Ai punti di fusione e di ebollizione la composizione è leggermente diversa.

Esistono tre isotopi dell'idrogeno:il nucleo dell'idrogeno ordinario è composto da un solo protone; il deuterio, presente nel normale idrogeno per lo 0,02%, ha nucleo costituito da un protone e un neutrone, e ha quindi massa atomica 2; il trizio, isotopo radioattivo e instabile, ha nucleo formato da un protone e due neutroni, e ha massa atomica 3.

 L'idrogeno libero è presente solo in ridottissime quantità nell'atmosfera, ma dall'analisi degli spettri solari e stellari, risulta l'elemento più abbondante nell'universo. È presente in grandi quantità anche sulla Terra, in diversi composti, tra i quali il più importante è l'acqua,  della quale rappresenta l’11% in peso. È parte essenziale di tutti gli idrocarburi e di molte sostanze organiche. Inoltre tutti gli acidi contengono idrogeno.

Un kg di idrogeno contiene la stessa quantità di energia di 2,1 kg di gas naturale o di 2,8 kg di benzina. L’idrogeno brucia nell’aria a concentrazioni volumetriche comprese nel range del 4-75% (il metano brucia in un range del 5,3-15% e il propano del 2,1-9,5%).

 La più alta temperatura di ignizione dell’idrogeno pari a 2.318°C è raggiunta alla concentrazione volumetrica del 29 %, mentre, in un’atmosfera ricca di ossigeno, può raggiungere temperature di ignizione fino a 3.000°C (le temperature di iniezione più alte in aria per il metano sono 2.148°C per il metano e 2.385°C per il propano).

La minima energia di iniezione richiesta per una miscela stechiometrica combustibile/ ossigeno, è 0,02 Mj per l’idrogeno, 0,29 Mj per il metano e 0,26 Mj per il propano. Le temperature per la spontanea combustione dell’idrogeno, del metano e del propano sono 585°C, 540°C e 487°C rispettivamente.

La regione di esplosività per l’idrogeno e per il metano è compresa tra il 13-59% per il primo e tra il 6,3-14% per il secondo. Il range di esplosività dell’idrogeno è chiaramente molto più ampio, laddove il metano è già esplosivo a concentrazione molto più bassa.

 Il coefficiente di diffusione dell’idrogeno è pari a 0,61 cm²/s, mentre per il metano è 0,16 cm²/s. Pertanto l’idrogeno diffonde nell’aria più velocemente del metano o del vapore di benzina, e ciò costituisce un vantaggio in luoghi aperti, ma uno svantaggio in luoghi chiusi o scarsamente ventilati. L’idrogeno e il gas naturale tendono a salire velocemente essendo più leggeri dell’aria, mentre il propano e i vapori di benzina rimangono sul suolo essendo più pesanti.

BENEFICI AMBIENTALI

Bruciare idrogeno con aria in condizioni appropriate all’interno di motori a

combustione o turbine a gas determina una notevole riduzione delle emissioni. Le emissioni di ossido d’azoto aumentano esponenzialmente con la temperatura di combustione e dunque vengono limitate da un appropriato controllo del processo. Poiché l’idrogeno offre una maggiore flessibilità rispetto agli altri combustibili, lavorando a temperature più basse, vale a dire con eccesso di aria, si riducono le emissioni di NOx.

Le emissioni di particolati e zolfo sono pressoché nulle. L’uso di idrogeno nei sistemi di propulsione che utilizzano celle a combustibile, elimina tutti i problemi di impatto ambientale. L’unico coprodotto volatile che si ottiene nel processo di generazione di energia elettrica da idrogeno e ossigeno è l’acqua demineralizzata. Qualche problema di emissione di CO₂ si ha nel processo di reforming del metanolo per la produzione di idrogeno. Se nelle celle a combustibile si lavora in condizioni di alta temperatura, è stato dimostrato che le emissioni sono 100 volte inferiori a quelle registrate con le convenzionali power stations.

 G.N.

PALMA DA SAGO (Metroxylon sagu).

Palma da sago (Metroxylon sagu)

Famiglia Arecaceae
Vi sono 55 generi nelle Arecaceae, 2 specie in Metroxylon.
Classificazione (Usda, 2007).

Metroxylon sagu Rottb
Regno	Plantae – Piante
Sottoregno	Tracheobionta –  piante vascolari
Superdivisione	Spermatophyta – Piante a seme
Divisione	Magnoliophyta – Piante a fiore
Classe	Liliopsida – Monocotiledoni
Sottoclasse	Arecidae
Ordine	Arecales
Famiglia	Arecaceae – Famiglia delle palme
Genere	Metroxylon Rottb. – metroxylon
Specie	Metroxylon sagu Rottb. – palma da sago

Sinonimi: Metroxylon rumphii (willd.) C.Martius .

Descrizione.

Il Metroxylon sagu o palma da sago è originaria dell'Asia del sud est ove l'amido che contiene in elevata quantità nel tronco fornisce la maggior parte dell'apporto calorico alle popolazioni locali di cacciatori raccoglitori che vivono ai confini o entro la foresta tropicale, habitat ideale della palma da sago. L'amido chiamato “tapioca“ una volta pronto per il consumo, è ricavato dal tronco della pianta dopo una lunga lavorazione: inizialmente bisogna abbattere la palma quindi dividere il tronco in due e batterlo a lungo poi bisogna separare l'amido dalle sostanze tossiche contenute all'interno del tronco.

 Poi l'amido è ulteriormente lavorato fino a dare la tapioca. La palma da sago rimane attualmente  una pianta in prevalenza presente allo stato selvatico. L'istituto internazionale per le risorse genetiche(IPGRI) che cerca di diversificare il raccolto agricolo nel mondo riscoprendo o domesticando specie selvatiche, considera che la palma di sago sia un raccolto "underutilized" tipico (Fonte:Biopact.com).

Uno degli usi potenziali della palma da sago è l'etanolo. In tutto il suo “lifecycle”, l'albero accumula un ammontare enorme d’amido, mentre giunge ad un massimo verso i 15 anni d'età, poco prima che fiorisca con un enorme infiorescenza. Nella palma selvatica, circa 5 tonnellate d'amido per ettaro possono essere raccolte, ma le piantagioni mostrano  produzioni d'amido anche di 30 tonnellate per anno. Inoltre dato l'accumulo d'amido che si protrae fino ai 15 anni, la struttura della piantagione di sago con opportuni sesti dinamici potrebbe adattarsi al fluttuare del prezzo sul mercato ritardando o anticipando il raccolto con pochi danni, dando così un maggior controllo al produttore che potrebbe avere maggiore controllo sui rischi produttivi (fonte: osservazione dell’autore, 2007). L'amido è di tale qualità che l'efficienza di conversione ad etanolo raggiunge il 72% (per l’idrato d’etanolo). Prendendo un raccolto max di 20 tonnellate d’amido pulito ad ettaro, s'avranno 14.400 litri d'alcol, facendo del sago uno dei raccolti d'energia più produttivi. (Biopact; Doelle, 1998). Contrariamente alla  palma da olio, soia, cocco, manioca, il sago soffre di mancanza di ricerca e sviluppo sulla fitopatologia e tecniche di gestione della piantagione.

Nonostante simposi annuali sul sago, ci vorrà un pò di tempo fino a che la coltura s'imponga a livello internazionale.

Il governo della Malesia ha avviato una piantagione di 50.000 ettari con la palma da Sago in Sarawak, e lo considera   la coltura di bioetanolo del futuro. Il Sago sarà il secondo pilastro dopo la palma da olio del programma di bioenergia della Malesia. La capacità di produzione della palma da sago varia tra 2-5 tonnellate d’amido/ha s.s.  allo stato spontaneo fino a 10-25 t/ha in  coltivazione (Flach, 1983).

La densità d’impianto è 1.480 palme/ha . Una piantagione ben organizzata può produrre 175 kg d’amido/palma, mentre da un prodotto totale di 25 tonnellate  amido/ha. (Doelle, 1998). Dopo la rimozione della corteccia, del rachide e delle foglioline dal midollo che probabilmente è la parte più dispendiosa del trattamento, l’amido deve essere estratto dal midollo. Con la palma da sago si possono fare (Doelle, 1998): 

·                    Materiali da edificio eccellenti per case locali ed urbane, capannoni o altri edifici 

·                    Concime organico ( bio-fertilizzanti) 

·                    Risorse per gassificazione e produzione energia 

·                    Amido per alimentazione zootecnica  

·                    Etanolo per biocarburanti

·                    Energia attraverso gassificazione

·                    Metano o bio-gas

·                    Acquicoltura usandola come mangime per pesci

Rientra appieno nella categoria di specie da bio-sistemi rurali integrati: ipotetiche fattorie autosufficienti anche a livello energetico (Doelle, 1998).

G.N.

CARBURANTI DA BIOMASSA

I principali combustibili tratti dalla biomassa sono biodiesel, metanolo, etanolo, idrogeno, gas naturale, propano, bio-crude oil. Conosciamoli meglio!

BIODIESEL

La reazione di transisterificazione richiede 1,05 t d’olio e 0,11 t d’alcol per ottenere 1 t d’estere 0,1 t di glicerina e 0,023 d’acidi grassi.

Circa 1,12 t di biodiesel pari a 1.273 l è prodotta da 1 ha coltivato a colza.

Il biodiesel comporta una riduzione delle emissioni di CO₂ di quasi 6 volte rispetto al gasolio ovvero 520 g CO₂/l rispetto a 2.960 g CO₂/l per il gasolio (Basosi, 2005 ).

Dal punto di vista del bilancio d’energia (Tab.1) l’energia prodotta dal biodiesel è doppia rispetto a quella spesa in energia fossile per la produzione.

Considerando tutti i co-prodotti, l’energia totale prodotta sarà 5,4 volte l’unità d’energia spesa per la sua produzione.

Il bilancio energetico del biodiesel secondo invece il Dipartimento di Chimica dell’università di Siena è di soli 0,31 unità d’energia fossile per produrre un’unità di biodiesel. La riduzione della CO₂ emessa è il 78% rispetto al gasolio fossile.

Le emissioni di particolato sono il 32% del gasolio, idem per il monossido di CO₂, gli ossidi di zolfo non superano mai l’8% rispetto al gasolio.

Possiamo stabilire per le coltivazioni terrestri d’oleaginose che l’estrazione e la coltivazione dell’olio di semi richiedono circa il 41% dell’energia dell’intero processo.

La raffinazione ne richiede il 23%, mentre la transesterificazione ne richiede il 5% ed il restante 31% rappresenta il contenuto energetico del metanolo.

Tab 1. Bilancio energetico per la produzione di biodiesel (Gj/ha).

(Sharmer, Gosse 1996).

Energia per produrlo	26-35
Energia ricavata dal biodiesel	42-50
Energia ricavata dai sottoprodotti	31-37

Nel caso d’impiego d’oli usati i vantaggi sono ulteriormente amplificati.

Secondo Lara Riello dell’università di Padova (2004) la CO₂ immobilizzata nel biodiesel (metilestere di girasole) è:

peso specifico del metilestere = 880,2 g*lˉ¹;

contenuto di carbonio nel metilestere = 78,7%;

coefficiente di liberazione CO₂ con il processo di combustione = 44/12.

Quindi dall’ossidazione d’un litro d’estere s’ottengono: (1 x 880,2 x 78,7/100 x 44/12) = 539,9 grammi di carbonio; La quantità di CO₂ immobilizzata nel metilestere fino al momento della combustione è pari alla resa in estere moltiplicata per il fattore d’emissione dell’anidride mentre la quota di CO₂ immobilizzata nelle farine si determina come valore di sostituzione ossia si valutano i singoli elementi (Bittante, 1990) in termini di C presente e se ne ipotizza la combustione.

Il biodiesel ottenuto dall’olio di colza consente d’ottenere un miglioramento degli effetti delle emissioni sulla salute umana del 120%.

L’utilizzo del biodiesel è notevole in Germania, Austria, Svezia.

In Germania il 50% del gasolio venduto è biodiesel, in Austria gli autobus della città di Graz vanno ad olio usato nella ristorazione transisterificato.

L’Unione Europea invece importerà dalla Malesia e Indonesia grandi quantità d’olio di palma per sostituire il 6% della propria quota di carburante con biocombustibili entro il 2010, obbligando i produttori a quintuplicare la propria produzione entro il 2010

(Mpoc, 2006).

Olio puro

Possiamo utilizzare anche olio vegetale puro come combustibile evitando il processo di transisterificazione e con svantaggi motoristici lievi se modifichiamo i motori.

E’ stato calcolato che per ogni kg di gasolio sostituto dall’equivalente quantità d’olio vegetale ho un risparmio sulle emissioni di CO₂ di 1,4kg (circa 2,6 applicando l’allocazione) mentre per ogni kg di gasolio sostituito dall’equivalente quantità di biodiesel si ha un risparmio sulle emissioni di circa 1,6 kg (2,4 se applichiamo l’allocazione) in questi termini la differenza sul risparmio d’emissioni usando olio puro invece di biodiesel è assente perchè nonostante il processo d’esterificazione industriale generi 11,41 grammi di CO₂/mj (CTI, 2006) nel bilancio bisogna tenere presente anche che il potere calorifico del biodiesel che è più vicino a quello del gasolio rispetto all’olio puro rispettivamente 37 mj/kg contro 40 Mj/kg e aumentando i consumi, questo riduce le differenze. Se invece ipotizziamo l’uso dell’olio vegetale per ottenere energia usandolo come combustibile per alimentare un generatore elettrico opportunamente modificato (350 Kwe, 35% rendimento), tralasciando l’aspetto economico non conveniente, vediamo invece che il consumo d’energia primaria per produrre un Kw elettrico da olio di girasole è di 2,77  Mj con un rapporto energia prodotta su energia primaria pari a 1,3. Per dare l’idea del valore di tale analisi cito i dati del Comitato Termotecnica Italiano secondo il quale per produrre 1 Kwh elettrico con il gasolio occorrono 2,2 Kwh d’energia primaria, per un rapporto energia prodotta su energia primaria pari a 0,45.  Se ne deduce che il bilancio energetico dell’olio vegetale, in specie di quello di girasole, è migliore del gasolio.

Metanolo

Il metanolo (CH3-OH)  prodotto principalmente dal gas naturale può essere anche ottenuto dal carbone o dalla biomassa.

Da 2 kg di biomassa o da 4,35 kg di carbone otteniamo 1 litro di metanolo.

Risulta che la biomassa è da prendere in considerazione per la produzione di biodiesel perché da rese migliori.

Recenti studi hanno confermato che circa il 50% del contenuto energetico del legno può essere convertito in metanolo ad un costo economico di produzione pari a 5 volte il metano. Il methyl-tertiary-butyl-ether (mtbe) è adesso utilizzato in Usa per la produzione delle benzine riformulate obbligatorie in alcune zone del paese per ridurre l’inquinamento atmosferico. L’aggiunta d’ mtbe permette nelle benzine riformulate d’innalzare il numero d’ottano e di creare benzina ossigenata: ciò promuove una migliore combustione e riduce le emissioni di CO₂  e altre sostanze tra cui il benzene.

Esistono però seri problemi d’inquinamento delle acque causato dal metanolo tali da far pensare ad un possibile ritiro dal mercato dell’mtbe e del metanolo entro breve tempo sostituendolo con l’etanolo e il suo derivato, l’etbe  (Renew, 2004).

Etanolo

L’etanolo è un combustibile liquido privo di calore e dall’odore caratteristico, utilizzato sia in miscela al 10% in veicoli tradizionali che all’85% o più in veicoli appositamente trasformati per permetterne l’uso.

Dall’etanolo si può inoltre produrre un etere l’etbe (ethyl tertiary butyl ether), additivo ossigenato per le benzine riformulate (RFG) solitamente al 10%.

Si stima che 90 litri d’etanolo siano in grado di sostituire un barile (circa 160 litri) d’olio combustibile (Basosi, 2005).

Assumendo un consumo di 15 miliardi di litri per anno (in Usa) ne deriverebbero circa 26 milioni di metri cubi di CO₂ non emessi e quindi d’emissioni evitate.

L’etanolo è ottenuto a partire da biomassa piante o alghe con  quantità d’amidi fermentabili o zuccheri elevato.

E’ possibile ottenere etanolo anche da risorse ligno-cellulosiche ma è ancora una tecnologia allo studio e costosa.

Una miscela d’etanolo al 5-7% permette di ridurre le emissioni di CO₂ del 15-20%. Dal punto di vista del bilancio energetico da 1,05 Kj (1 btu) d’energia fossile consumata per la produzione del combustibile, s’ottengono rispettivamente 7,17 Kj (6,8 btu) nel caso d’etanolo (da mais) e 0,833 Kj (0,79 btu) nel caso di benzina riformulata con etbe derivato ossigenato dell’etanolo.

Vi è quindi il fatto sperimentale che le benzine addizionate con etanolo riducono più di due volte le emissioni di CO₂ rispetto alle benzine addizionate di metanolo.

Vi è un progetto allo studio per la produzione integrata di bio-etanolo  dalla manioca e dal sorgo zuccherino in Cina.

Se il progetto è realizzato sono prodotte circa 600.000 t/anno d’etbe (da 280.000 t/ha) ed evitate circa 1.000.000 t/anno di CO₂.

Il bio-etanolo risparmia all’atmosfera valori di biossido di carbonio e ossido nitroso rispetto al petrolio tradizionale in percentuali del 30% usando etanolo ottenuto dal grano, del 78% usando etanolo ottenuto dalla cellulosa e dell’82% usando etanolo ottenuto dalla canna da zucchero.

I vantaggi dei biocombustibili si traducono anche in vantaggi economici, politici in quanto a differenza del petrolio non esiste al momento alcun paese che domina il mercato mondiale per la produzione d’etanolo o di biodiesel.

Nella classifica dell’utilizzo il primato spetta al Brasile con l’etanolo dalla canna da zucchero seguito dall’america con l’etanolo ottenuto dal mais.

In Brasile vi sono auto flex fuel in grado di funzionare esclusivamente con etanolo ad un costo pari alla metà della benzina tradizionale.

L’etanolo ha conquistato anche le compagnie aeree che sostituiscono il kerosene con etanolo tanto che l’Embrear prima  ditta costruttrice d’apparecchi ad etanolo non è in grado di soddisfare la richiesta.

Negli Stati Uniti l’utilizzo dell’etanolo dal mais è riuscito a prendere forza grazie alle ultime leggi ambientali e ad un generoso credito fiscale erogato e associato alla produzione e al consumo di questo carburante.

Tanto che tra il 2000 e il 2005 la quantità di biocombustibili prodotti dagli Usa è raddoppiata arrivando a coprire il 3% del consumo totale del combustibile da trasporto all’interno degli Stati Uniti.

in Svezia studi dell’Università di Stoccolma hanno provato ottime rese e  vantaggi dell’etanolo soprattutto nel caso dei trasporti pesanti.

Più di 30 paesi dalla Thailandia all’India all’Australia al Malawi hanno messo in piedi coltivazioni di palma da cocco e olio, soia e canna da zucchero destinate esclusivamente all’utilizzo come biocombustibili. 

Recentemente Venezuela e Indonesia  annunciano di voler seguire il Brasile nella direzione della conversione del paese all’utilizzo d’etanolo da trazione.  Il mercato mondiale ha bisogno di biocombustibili.

La Thailandia ha appena annunciato la costruzione di 12 impianti per la produzione d’etanolo dalla canna da zucchero e dalla lolla la parte esterna che contiene il chicco di riso. Questa produzione verrà in  parte destinata al consumo nazionale e in parte esportata in Giappone e Cina (www.ecoport.com, 2006).

Il governo di Pechino ha poi stanziato milioni di dollari per la realizzazione del più grande impianto di produzione d’etanolo nella città di Jilin, in questo caso il prodotto usato nella distillazione sarà estratto dalla fermentazione di mais, canna da zucchero, manioca e patate dolci. Come tutte le principali economie comunque anche la Cina sta considerando l’ipotesi d’importare etanolo dal Brasile che è il primo paese produttore a livello mondiale.

Il Giappone ha già intrapreso questa strada con la sottoscrizione d’un contratto per importare il 3% della benzina giapponese con etanolo brasiliano nella cifra di 15 milioni di litri d’etanolo, 1.880 milioni di litri l’anno.

Un barile d’etanolo costa  25 $  ma le quotazioni potrebbero impennarsi se la risposta dei mercati supererà la capacità d’adattamento del sistema produttivo all’aumento della domanda (Biofox.com; Renew, 2006).

G.N.