Impianti a Biogas

Il rapporto statistico dell'Eurostat del 2016 rivela che diversi stati membri, hanno già raggiunto o superato gli obiettivi previsti dal Piano. Nel 2016, l'Italia ha prodotto il 17,4% della sua elettricità (solo una parte dell’energia totale che utilizziamo)  da fonti rinnovabili, superando di 0,4% l'obiettivo fissato.

Tuttavia, il settore dei trasporti, che comprende biocarburanti ed energia elettrica, è l'unico in cui l'Italia non ha ancora raggiunto l'obiettivo concordato, che corrisponde al 10% secondo il Rapporto Statistico 2016 del GSE (Gestore dei Servizi Energetici)

Differenza tra Biogas e Biometano

Il biogas è una miscela di diversi gas, principalmente metano e anidride carbonica, generati attraverso la fermentazione batterica in assenza di ossigeno (anaerobiosi) di residui organici provenienti da fonti vegetali o animali. Per poter essere impiegato come biometano con la stessa versatilità del gas naturale, il biogas grezzo, composto principalmente per il 40-80% da metano, richiede un trattamento di purificazione (up-grading) atto a separare il metano dall'anidride carbonica.

Il biometano ottenuto dalla purificazione del biogas è adatto alla successiva compressione, rendendolo utilizzabile come combustibile alternativo al gas naturale. Il trasporto può avvenire attraverso l'inserimento del biometano nella rete del gas naturale o tramite appositi veicoli che lo trasportano a un impianto di distribuzione stradale, sotto forma di gas compresso o liquefatto.

Il biometano è definito "avanzato" quando risponde ai requisiti stabiliti nel decreto del 2018, in particolare quando è ottenuto da specifici sottoprodotti agro-alimentari. L'uso del biometano avanzato consente una notevole riduzione delle emissioni climalteranti lungo l'intero ciclo di vita, pari all'85% rispetto ai veicoli a benzina, tuttavia dipende estremamente dal tipo di carburante utilizzato, perché non tutti i biofuel sono uguali.

Il biometano mostra un notevole potenziale per sostituire i combustibili fossili, con una prevista produzione di 8,5 miliardi di metri cubi entro il 2030 (fonte: CIB). Gli incentivi mirano quindi a favorire l'uso dei biocarburanti nel settore dei trasporti, soprattutto aerei e nei settori dove non si può elettrificare in maniera significativa.

Le emissioni derivano principalmente dal processo di coltivazione delle piante e dalla loro trasformazione (l’unica parte veramente CO2-free è la combustione del biocarburante finale, visto che in principio quella CO2 è stata prima assorbita dalla pianta).

Feedstock del biometano

Il diesel e il biocherosene di origine biologica rappresentano elementi fondamentali nel percorso verso zero emissioni, trovando applicazione cruciale nei settori marittimo, aeronautico e del trasporto pesante, dove le alternative per la decarbonizzazione sono limitate. Tuttavia, per effettuare una transizione verso un percorso a zero emissioni, è necessario incrementare la produzione di oltre tre volte rispetto alla situazione attuale.

Secondo l'Agenzia Internazionale dell'Energia (IEA), sono disponibili circa 100 EJ di biomassa sostenibile (Valore stimato di energia prodotta in 1 anno raggiungibile in maniera sostenibile nel 2050) tra cui residui legnosi, rifiuti organici, piantagioni forestali e coltivazioni legnose a rotazione breve su terreni marginali. Queste risorse potrebbero supportare una produzione di biocarburanti liquidi fino a 50 EJ, ma è importante considerare la competizione con i produttori di biogas e bioenergia per l'utilizzo di tali risorse. Proiettando la domanda di biocarburanti su una traiettoria di zero emissioni nette, si stima che raggiungerà i 14 EJ entro il 2040 per i BioJet.

( Scenario: “Net Zero Emission by 2050” IEA)

Sebbene le tecnologie di gassificazione e pirolisi possano sfruttare queste materie prime più abbondanti, i costi di produzione stimati rimangono almeno del 50% superiori rispetto alle tecnologie convenzionali.

Il dilemma legato alla sostenibilità deriva, invece, dalla potenziale competizione tra la produzione agricola destinata al consumo alimentare e quella finalizzata alla produzione di biocarburanti. L'utilizzo di piante commestibili per la generazione di biocarburanti sta diventando sempre più limitato e regolamentato. Al contempo, si sta cercando di promuovere l'impiego di scarti, contribuendo così alla riduzione delle emissioni, poiché si evita la fase di produzione della biomassa.

Attualmente, la produzione da scarti rappresenta appena meno del 10% della produzione totale. Sebbene sia in aumento, si sta avvicinando pericolosamente ai limiti raggiungibili con gli scarti comunemente impiegati, come gli oli esausti e i grassi animali. Per incrementare questa percentuale, è necessario investire in impianti industriali in grado di utilizzare diversi tipi di biomassa da scarti, come ad esempio i residui forestali.

Inciso: Nella figura a destra la percentuale per il 2021 sembra essere intorno al 6%, ma nel testo originale della IEA si fa riferimento al 9%, che mi sembra più coerente coi valori assoluti riportati nella figura a sinistra (motivo per cui ho preso questo valore come riferimento). La difficoltà nel trovare abbastanza rifiuti adatti diventa particolarmente importante quando si guarda alla quantità di biocarburante di cui avremo potenzialmente bisogno in futuro.

La valorizzazione degli scarti alimentari

I sottoprodotti dell'industria alimentare sono principalmente derivati dalla trasformazione di materie prime agricole, che presentano naturalmente un basso impatto ambientale e un elevato grado di biodegradabilità.

Nonostante siano spesso erroneamente denominati "rifiuti", questi sottoprodotti rappresentano risorse preziose da utilizzare in diverse aree, che vanno dalla zootecnia alla farmaceutica, fino alla produzione di bioenergie. Tra gli scarti più significativi dell'industria agroalimentare ci sono i fanghi provenienti dalla lavorazione di carne o pesce, i residui di frutta, verdura o cereali, e i fanghi derivanti dalla produzione di prodotti lattiero-caseari. Insieme, costituiscono oltre la metà della quantità totale degli scarti industriali (fonte: Ecocerved).

Come funziona un impianto a biogas:

Gassificazione della Biomassa
La gassificazione è la conversione termochimica di combustibili solidi o liquidi in syngas (miscela di gas) tramite la presenza di un agente gassificante e altri reagenti. Gli gassificatori si classificano in updraft, downdraft e crossflow.

Caratteristiche della Biomassa per Processi Biologici
La biomassa adatta ai processi biologici deve avere un rapporto C/N [1] inferiore a 30 e un'umidità alla raccolta superiore al 30%.

Digestione Anaerobica
La digestione anaerobica è un processo biochimico di conversione che avviene senza ossigeno, producendo biogas costituito principalmente da metano e CO2. Il biogas ottenuto può alimentare gruppi di cogenerazione o essere trasformato in biometano.

Gestione del Digestato
Il digestato, prodotto residuo del processo, può sostituire i fertilizzanti sintetici. Le sue proprietà variano in base alla composizione delle biomasse di ingresso.

Separazione del Digestato
Il chiarificato e il separato solido risultanti dalla separazione del digestato hanno differenti composizioni. Il chiarificato contiene prevalentemente azoto in forma ammoniacale, adatto come fertilizzante a pronta utilizzazione. Il separato solido contiene principalmente azoto organico, più efficace come ammendante.

Distribuzione del Digestato
La distribuzione del digestato può avvenire attraverso diverse tecniche, inclusi spandiliquami, spandiletame, impianti di fertirrigazione. Le modalità di distribuzione variano in base alle caratteristiche del digestato e delle colture.

Aumentare la produzione di Biogas

Un'analisi critica della letteratura rivela che esiste una forte possibilità di potenziare la produzione di biogas in condizioni di campo. L'utilizzo di determinati additivi inorganici ed organici sembra promettente per migliorare la produzione di biogas. Tra i diversi tipi di biomasse (residui vegetali e colturali) utilizzati come additivi, alcuni sono stati individuati come capaci di incrementare significativamente la produzione di gas.

Il biogas, vede nella presenza di additivi quindi un metodo prezioso per potenziare in modo efficiente la produzione. All'interno del processo di digestione anaerobica, gli elementi metallici, fungendo da cofattori enzimatici con concentrazioni comprese tra 0,01 e 1000 mg/L, sono in grado di aumentare la resa di metano CH4 da un 7,0% fino al 120%. Gli acceleranti a base di carbonio, nell'intervallo di 1-50 g/L, stimolano la produzione di CH4 da un 13,1% a un notevole 121,97%, agevolando l'arricchimento di microrganismi durante la metanogenesi.

Gli additivi biologici, quali microrganismi ed enzimi, accelerano ulteriormente la resa di CH4, registrando incrementi che spaziano dal 4,9% fino al 330%. Inoltre, l'aggiunta di alcali (0,5%-4%) per il pretrattamento nella digestione anaerobica ha dimostrato di incrementare la produzione di CH4 da un 36,1% a un notevole 95,6%. L'introduzione di tali additivi costituirà quindi una base solida per migliorare l'efficienza energetica sostenibile.

L'uso di additivi nei sistemi di digestione anaerobica, oltre a essere economico, si presenta come un'opzione ecologica. Tale approccio è diventato un tema di rilevanza significativa, grazie alla sua capacità di potenziare le performance della produzione di biogas, abbreviare la fase di avvio e migliorare la stabilità del processo.

Riassumere le caratteristiche di vari additivi nel contesto del processo di digestione anaerobica fornisce informazioni di grande valore per migliorare l'efficienza della bioenergia. Tuttavia, va sottolineato che il processo di implementazione di ciascun additivo non è ancora perfetto e necessita di ulteriori approfondimenti. L'utilizzo combinato di diversi additivi, sfruttando i vantaggi di ciascun materiale, emerge come un'opzione superiore rispetto all'impiego di additivi singoli.

L'ottimizzazione della combinazione di diversi additivi richiede un'ulteriore esplorazione e analisi. Infine, per una scelta e utilizzo migliori in futuro, vengono qui sintetizzati sia i successi che le sfide di vari additivi. L'uso efficiente di tali additivi, ci si attende, contribuirà ulteriormente all'incremento della produzione di energia sostenibile e alla riduzione dell'inquinamento ambientale.

Lo stato attuale del potenziale globale della bioenergia

La quota delle fonti energetiche rinnovabili nel consumo di energia primaria è aumentata. Mentre nel 2012 0,24Gtep[2] del consumo mondiale di energia primaria è stato soddisfatto da fonti energetiche rinnovabili, questo valore è salito a 0,95Gtep nel 2021. Inoltre, circa il 7,4% della produzione totale di energia elettrica nel mondo è stata soddisfatta da fonti energetiche rinnovabili nel 2016, e questo tasso è aumentato al 12,8% nel 2021.

I sistemi di bioenergia incorporano considerazioni tecnologiche, sociali, culturali, economiche e ambientali (Zabaniotou, 2018) e offrono un'economia circolare basata sui rifiuti. Per avere successo, la bioeconomia dovrebbe includere la conoscenza locale, la salute pubblica e la resilienza della comunità. Tuttavia, il settore globale della bioenergia basato sui rifiuti può essere limitato dal recupero di nuovi biomateriali dalle stesse fonti. Pertanto, i sistemi di bioenergia sostenibili possono integrarsi con i modelli di bioraffineria a cascata. In alternativa, possono fornire soluzioni di gestione dei rifiuti tramite sistemi autonomi e decentralizzati.

Le catene di approvvigionamento di biomasse possono influenzare gli obiettivi politici futuri per lo sviluppo mondiale della bioenergia attraverso la competitività, l'affidabilità e la sostenibilità (Gabrielle et al., 2014). Le biomasse sono legate al tipo di coltura agricola, alle pratiche agronomiche, alle rese di materia secca, ai requisiti di input agricolo e agli impatti ambientali, al suolo e alle condizioni climatiche. L'uso di miscele erba-leguminosa o residui dai processi di conversione delle biomasse può migliorare il recupero delle biomasse. Ulteriori miglioramenti nell'approvvigionamento di biomasse per la bioenergia possono essere ottenuti attraverso risultati di ricerca su esperimenti multicoltura e multisito, ottimizzazione delle pratiche gestionali e sistemi di coltivazione innovativi, uso di terre alternative sotto futuri cambiamenti climatici, effetti diretti e indiretti dello sviluppo della bioenergia sul cambiamento dell'uso del suolo, indagine degli effetti delle coltivazioni perenni sulla biodiversità e miglioramento delle metodologie per valutare gli impatti sociali dei progetti di bioenergia.

[1] Il rapporto C/N, è il rapporto percentuale tra il contenuto di C organico e il contenuto di N organico presente all’interno della sostanza organica

[2] Un tep rappresenta la quantità di energia rilasciata dalla combustione di una tonnellata di petrolio grezzo, ovvero 41,86 GJ, o 11,63 MWh. In Kilowattora, invece, 1 tep corrisponde a 5347 kWh elettrici