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L’energia da Biomasse : il Biogas – Roberto Renzetti
Le biomasse sono tra i principali prodotti dell’energia solare; sono biomasse: le piante, gli animali ed i loro escrementi (biomasse sono quindi anche tutti i rifiuti organici, agricoli, industriali e urbani).
Se si sottopongono delle biomasse a processi di fermentazione si ottiene del gas di natura biologica (BIOGAS) che è costituito essenzialmente da una miscela dei seguenti gas (nelle percentuali indicate): METANO (CH4), tra il 57 ed il 70%; ANIDRIDE CARBONICA (CO2), tra il 27 e il 45%; IDROGENO (H2), tra l’1 ed il 10%; azoto (N2), tra lo 0,5 ed il 3%; ossido di CARBONIO (CO), intorno allo
0,1%; ossigeno ed IDROGENO solforato in tracce.
Come si vede, la percentuale di quel gas METANO, molto pregiato (brucia senza lasciare residui) e con alto POTERE CALORIFICO (intorno alle 9000 calorie al m3), è molto elevata e può essere ulteriormente elevata con opportuni interventi; in particolare eliminando l’ANIDRIDE CARBONICA.
I processi di fermentazione della BIOMASSA, che avvengono in natura, sono di due tipi: quello aerobico (generato da microrganismi in presenza di ossigeno, come nelle paludi o nella decomposizione di animali all’aria aperta) e quello anaerobico (generato da microrganismi in assenza di ossigeno, come nella decomposizione nei cimiteri che dà origine, appunto, al noto fenomeno dei “fuochi fatui”).
Di questi due processi solo quello anaerobico è in grado di originare il METANO che, da un punto di vista energetico, interessa; il processo aerobico invece, origina ammoniaca ed ANIDRIDE CARBONICA.
Oltre che naturalmente, è possibile originare le decomposizioni in oggetto in modo artificiale (allo scopo di accelerarle) con opportuni sistemi.
Il processo aerobico è utilizzato per il trattamento dei rifiuti organici urbani negli impianti di depurazione: esso genera calore, ammoniaca (NH3), ANIDRIDE CARBONICA (CO2) e residui che possono essere utilizzati come fertilizzanti; come contropartita richiede, per essere attivato, grandi quantità di energia.
Il processo anaerobico, del quale ci occuperemo più in dettaglio, avviene in opportuni impianti (digestori) e origina, oltre all’importante BIOGAS sopracitato, anche fanghi e fertilizzanti.
L’energia che il processo richiede è piccola, sufficiente cioè a mantenere la temperatura ad un livello tale (circa 35° C) da rendere ottimale il processo.
Le figure 1 e 2 mostrano gli schemi riassuntivi dei due processi di fermentazione ora descritti.
Mentre non serve dir nulla a proposito della figura 1, che si spiega da sola (della torba parleremo più avanti e l’humus non è altro che l’insieme delle sostanze organiche, decomposte o in via di decomposizione, che costituiscono il terreno), la figura 2 ha bisogno di qualche chiarimento.
Figura 1
Figura 2
All’inizio (stadio 1) le piante e gli animali producono rifiuti organici costituiti da molecole molto complesse; una cultura mista di batteri (stadio 2) attacca queste molecole per trarne nutrimento e, poiché all’inizio del processo vi è presenza di ossigeno, sono i batteri aerobici quelli che danno il maggior contributo; durante questa prima fase i batteri aerobici consumano tutto l’ossigeno presente liberando ANIDRIDE CARBONICA(CO2); alla fine di questa prima fase (stadio 3) le molecole complesse sono state trasformate in molecole più semplici (essenzialmente amminoacidi, zuccheri e acidi grassi), tutti i rifiuti organici sono diventati liquidi ed entrati in soluzione nell’acqua presente (o naturalmente o immessa artificialmente), i batteri aerobici sono morti essendo terminato l’ossigeno, si cominciano a sviluppare altri batteri (anaerobici – acidi produttori) che, per nutrirsi (stadio 4), trasformano le molecole presenti in acidi e sali più semplici (viene liberata ancora CO2 ed una certa quantità di idrogeno); via via che questo processo va avanti, i batteri acido-produttori si riducono e lasciano spazio ai batteri anaerobici-metaniferi che trasformano le sostanze presenti, appunto,in METANO (stadio 5); è chiaro che tutti questi processi, se c’è un’alimentazione continua di rifiuti organici, vanno avanti con continuità di modo che, nelle successive trasformazioni, sono sempre presenti tutti i tipi di batteri, ciascuno specializzato in una funzione (ed in particolare va avanti anche il processo che riguarda i batteri aerobici).
Studiando con cura tutti i fenomeni in gioco (che tra l’altro non sono ancora ben compresi) si è capito che, mentre i batteri possono lavorare in una vasta gamma di temperature “dell’ambiente” e a diversi gradi di acidità delle sostanze da decomporre, i batteri anaerobici richiedono condizioni molto particolari che devono essere mantenute pena il rallentamento o addirittura la cessazione del processo (l’intero processo si sviluppa normalmente in circa 50 giorni: tra il 10° ed il 20° giorno si ha la produzione massima di BIOGAS).
I parametri che devono essere mantenuti, al fine di una produzione ottimale di BIOGAS, sono principalmente:
1) la temperatura che deve essere mantenuta intorno ai 35° C si noti che vi sono due tipi di batteri anaerobici: quelli mesofili che possono lavorare tra i 5 ed i 40° C; quelli termofili che
possono lavorare tra i 40 ed i 60° C.
Se si mette insieme questa notazione con il dato sperimentale che vede una maggiore produzione di BIOGAS all’aumentare della temperatura, sembrerebbe che si possa lavorare in modo
ottimale intorno ai 55° C.
Le cose non stanno così semplicemente perché i batteri termofili danno prodotti di più bassa qualità di quelli originati dai mesofili, è quindi conveniente lavorare al massimo di temperatura
congeniale a questi ultimi.
Inoltre lavorare a 35° C richiede una minore energia esterna per mantenere il processo;
2) il grado di acidità (chiamato pH)della soluzione di molecole organiche in acqua deve essere mantenuto intorno ad un livello ottimale (pH compreso tra 6,5 ed 8,5, il che vuol dire che la
soluzione deve essere o leggermente acida, o neutra, o leggermente alcalina);
3) non vi deve essere un’alta concentrazione di metalli pesanti e di ioni positivi;
4) occorre poter mescolare bene la soluzione;
5) l’alimentazione con nuove sostanze organiche deve avvenire con continuità e regolarità.
La qualità di METANO che verrà prodotta dipenderà poi dalla composizione chimica dei rifiuti organici, dalla concentrazione della soluzione (se si hanno soluzioni troppo diluite, occorre aggiungere materiali organici che abbiano un basso quantitativo di acqua nella loro composizione chimica) e dalla durata della fermentazione.
Allo scopo di ottenere METANO mediante i processi descritti sono stati ideati degli opportuni strumenti (digestori) che hanno lo scopo di ottimizzare la produzione.
La figura 3 riporta uno schema tipico di digestore adatto al recupero di strutture già esistenti in fattorie o case di campagna (vasche ndi raccolta rifiuti, fosse settiche, ….).
In questo digestore il riscaldamento dei liquami avviene mediante dell’acqua calda che circola in una serpentina ed è prodotta da collettori solari piani (si può anche usare una resistenza elettrica o uno scaldabagno alimentato a METANO utilizzando circa il 20% del METANO prodotto dal digestore); la termo stazione è assicurata dal potere isolante del terreno entro cui è posto il digestore.
Il digestore deve essere alimentato giornalmente da rifiuti organici mescolati con acqua in modo da garantire che la densità della soluzione rimanga pressoché costante.
Quando il gas si forma la campana metallica scorrevole, sospesa alle carrucole, si solleva sempre di più dando una indicazione di quanto gas si è prodotto (la campana deve potersi muovere impedendo che dell’aria entri a contatto con i liquami.
Figura 3
Rielaborazione di - I.F. Quercia, P. Quercia "La conservazione biologica dell'energia solare" Le scienze n° 119
La figura 4 riporta invece un altro schema di digestore (ad uno stadio) più adatto per aziende di medie dimensioni: zootecniche, agricole,di trasformazione, ….(nella figura non compaiono né l’apparato per il riscaldamento né quello per la termo stazione).
Per quanto riguarda poi il rendimento di un digestore, esso è di difficile calcolo poiché i parametri che entrano in gioco sono numerosi ed ancora non sufficientemente studiati (si può comunque pensare che il rendimento di conversione di BIOMASSA in METANO possa arrivare al 50% ed in tal caso, tenuto conto di tutte le spese di impianto, il METANO così prodotto avrebbe un costo circa la metà di quello del petrolio – prezzi ’81 – a parità di energia fornita).
Figura 4
Per dare un’idea, comunque, della resa di un digestore riporto lo schema di fig. 5 che si riferisce ai rifiuti di un allevamento di maiali (si noti la quantità d’acqua immessa: da alcuni calcoli risulta che bisogna introdurre acqua circa 500 volte in più rispetto alla quantità di BIOMASSA secca che si ottiene nella vasca di essiccamento).
Figura 5
Esempio di resa di un impianto di digestione anaerobica di rifiuti di porcilaia: oltre a BIOGAS, si produce fertilizzante che, tra gli altri pregi, ha quello di essere inodore e non inquinante. (Da: Le Scienze n° 119)
Figura 5 bis
Possibili applicazioni di una coltivazione massiva di alghe (Da: V. Bettini – Siti Impossibili – Feltrinelli)
Più in generale (da : Butera, citato):
- un bovino adulto produce, attraverso la digestione delle sue deiezioni, l’equivalente energetico di 0,5 Kg di gasolio al giorno;
- un suino produce l’equivalente di 0,18 Kg di gasolio;
- 100 polli l’equivalente di 0,6 Kg di gasolio;
- da 100 Kg di torba si possono ottenere 30 m3 di gas, equivalenti a 10 Kg di gasolio;
- da un ettaro coltivato si ricavano mediamente da 40 a 120 quintali di sotto-prodotti organici il cui valore energetico equivale a 1400 – 4200 Kg di gasolio.
Come si vede si tratta di cifre grandi.
Il BIOGAS così prodotto, a seconda dei vari e semplici processi di purificazione (per eliminare da esso ANIDRIDE CARBONICA), avrà un contenuto di METANO che potrà arrivare fino al 95% ed in ogni caso avrà un POTERE CALORIFICO compreso tra le 5500 e le 8500 calorie al m3.
Questo gas potrà essere appropriatamente utilizzato per riscaldamento, ILLUMINAZIONE, alimentazione di motori, per autotrazione o per produrre elettricità.
Un altro modo di utilizzazione delle biomasse, che sembra molto promettente, è nella coltura delle alghe.
Queste piante acquatiche possono essere utilizzate sia come cibo per gli animali, sia, dopo averle sottoposte a digestione anaerobica, per produrre METANO e fertilizzanti (si veda lo schema di principio della figura 5 bis).
Questo processo di coltura delle alghe integra l’uso della digestione anaerobica con quello dell’energia solare che direttamente va a riscaldare le vasche di coltura (si veda la figura 6 in cui si utilizza sterco di gallina, unitamente all’effluente del digestore, per alimentare una coltura di alghe).
Si osservi che con le alghe si può anche produrre con continuità idrogeno.
È anche possibile integrare ulteriormente il sistema descritto nella figura 6 con l’introduzione di un ulteriore ciclo per la produzione di piccoli crostacei: come effetto dei meccanismi nutritivi
dei crostacei si ottiene dell’acqua completamente depurata ed inoltre, successivamente, i piccoli crostacei possono servire da alimento in vasche di allevamento pesci (figura 7).
Figura 6
Schema di impianto sperimentato all’Università della California a Berkeley: tramite alghe e batteri anaerobi, l’energia solare trasforma pollina in BIOGAS (70% di METANO) e ottimo concime (Da: Le Scienze n° 119).
Schema di impianto della National Oceanographic and Atmosphere Administration a Galverston nel Texas: mediante la luce solare e le alghe, i rifiuti nutrono crostacei e purificano l’acqua (Da: Le Scienze n° 119).
La resa energetica di impianti come quello visto nella figura 6 (con rendimento foto sintetico che varia tra il 3 ed il 5%) è dell’ordine di 15 KWh al m2 per ogni anno (in METANO); occorre quindi disporre di una vasca di un ettaro per produrre intorno ai 150 mila KWh l’anno. I costi di questa energia sono ancora elevati (è come se si producesse gasolio a 0,052 – 0,078 euro al Kg) ma bisogna tener conto anche di altri fattori che non vengono direttamente valutati:
1) la produzione di fertilizzanti che è abbinata al processo (con conseguente risparmio di energia negli impianti petrolchimici)
2) la depurazione delle acque che costa circa la metà di quanto occorre spendere per ottenerla con metodi tradizionali;
3) l’eliminazione dei rifiuti senza nessun INQUINAMENTO.
Secondo quanto osservano I.F. Quercia e P. Quercia (Le Sienze n° 119) riportando studi U.S.A., “in una data regione basterebbe dedicare solo il 10% dell’area per realizzare una capillare produzione di energia elettrica, senza ricorrere a grossi impianti né alla destinazione di aree troppo larghe né all’uso di una costosa e poco efficiente rete di DISTRIBUZIONE a grande distanza”.
E ciò che oggi sembra più conveniente è proprio il rivolgersi a piccole unità produttive (fattorie solari) che usino in modo integrato tutte le cose che abbiamo visto (i terreni migliori all’agricoltura, gli altri alle vasche ed agli impianti di raccolta e produzione energetica) e tutte le altre possibili mediante pannelli solari, di cui abbiamo parlato, ed energia del vento.
La figura 8 mostra un esempio di fattoria solare; in una delle vasche si procede alla coltura del giglio d’acqua che è adattissimo a vivere e svilupparsi in acque anche molto inquinate.
Il giglio d’acqua ha la proprietà (come le alghe ed i piccoli crostacei) di disinquinare l’acqua e quindi, utilizzato nella digestione anaerobica, può fornire ogni anno 80 mila m di METANO per ogni ettaro di stagno.
Figura 8
Esempio di fattoria modello progettata negli Stati Uniti per utilizzare ogni sorta di rifiuto organico che viene convertito in gas, fertilizzante, e foraggio.
Per concludere, resta solo da parlare, riprendendo quanto detto precedentemente, dei processi di trattamento di una particolare BIOMASSA, la cellulosa, per la produzione di alcool, di proteine ed altre sostanze utilizzabili.La quantità di cellulosa che ogni anno viene prodotta sulla Terra si aggira sulle 1011 tonnellate.
Dalla cellulosa, con un procedimento che utilizza degli enzimi (agenti che facilitano le reazioni) estratti dai funghi, si ricava glucosio che, sottoposto a fermentazione, produce alcool.
Ora l’utilità di produrre alcool da glucosio risiede essenzialmente nel fatto che, mentre il glucosio può essere utilizzato solo da esseri viventi, l’alcool trova impiego anche nelle macchine (per autotrazione o per mettere in moto un generatore di corrente) ed inoltre è utilissimo per l’industria chimica (potendo sostituire in gran parte il petrolio della petrolchimica).
Figura 9
Schema di uno dei processi più promettenti per la conversione di cellulosa in glucosio, utilizzante enzimi o enzimi ricavati da funghi. La cellulosa può essere ricavata da piante, erbe, paglia di cereali e anche rifiuti domestici (che contengono fino al 60% di carta o residui vegetali). Da una tonnellata di carta da macero si può produrre mezza tonnellata di glucosio, che può essere trasformata in 250 litri di alcool (Da: Le Scienze n ° 119).
Il costo dell’alcool così prodotto era , nel 1975, solo di un 50% superiore a quello prodotto con metodi tradizionali.
È evidente che miglioramenti nelle tecnologie (soprattutto nella macinazione della cellulosa) e ulteriore aumenti nel prezzo del petrolio renderanno presto competitivo questo metodo di produzione dell’alcool.