L'utilizzo delle alghe per la produzione di biocarburanti

Premessa

Energia e trasporti sono due settori a strettissimo contatto. Nei paesi industrializzati circa un terzo del consumo totale di energia primaria è utilizzato per i trasporti e si tratta nella quasi totalità di energia da fonti fossili. Come riuscirà a reggere questo comparto alla diminuita disponibilità di petrolio che si prospetta per i prossimi anni?

Una risposta, sia pure parziale, è data dall'utilizzo di biomasse per la produzione di carburanti. Essenzialmente i filoni tecnologicamente maturi sono il bioetanolo (su cui gravano sospetti di un EROEI minore di 1, ossia di richiedere per la produzione più energia di quella che viene restituita) e il biodiesel. Quest'ultimo è ottenuto quasi completamente dai semi delle oleaginose (colza, girasole, palma, ecc.).

Se a prima vista questo genere di produzione ha impatti positivi in termini di autonomia energetica e di ridotta emissione di CO2 (che viene parzialmente compensata dalla CO2 assorbita dalla pianta durante la sua crescita) non pochi dubbi sono stati sollevati su questa filiera di produzione, in termini di sostenibilità ambientale e di utilizzo della superficie agricola, bene strategico in un mondo sempre più affamato.

L’utilizzo di olio ricavato da biomassa algale permette, in prospettiva, di ridurre alcuni dei problemi suddetti in quanto le alghe non sono utilizzate come alimento primario e inoltre non richiedono terreni agricoli. Oltre all'uso energetico le alghe possono essere usate per colture alimentari, per la depurazione delle acque e come fertilizzanti, in quanto sono coltivate in particolari reattori che possono essere posti ovunque vi siano condizioni favorevoli in termini di temperatura e irraggiamento. Sono inoltre possibili più raccolte durante l’anno e non, come per tutte le altre piante a terra, uno o al massimo due raccolti l’anno.

Biodiesel, il quadro normativo

In Europa le modalità di utilizzo dei biocarburanti sono dettati dalla Direttiva Europea 2003/30/CE, recepita in Italia dal Decreto Legislativo 30/05/2005 n.128 nel quale vengono definite le modalità di tassazione alla quale devono essere sottoposti i biocarburanti. La Direttiva 2003/30/CE aveva come scopo la promozione e l’introduzione di biocarburanti o di altri carburanti rinnovabili in sostituzione del carburante diesel o di benzina nei trasporti al fine di rispettare gli impegni della Comunità Europea in materia di cambiamenti climatici e per contribuire all’approvvigionamento rispettando l’ambiente e promuovendo fonti di energia rinnovabile: a questo scopo il Decreto 30/05/2005 prevedeva un incentivo alla produzione di oli minerali o biodiesel in quanto, in relazione ad un programma della durata di sei anni dal 1°gennaio 2005 al 31 dicembre 2010, esentato dalle accise nei limiti di un contingente di 200.000 tonnellate.

L'obiettivo nazionale nell’introduzione di biocarburanti ed altri carburanti rinnovabili, espressi come percentuale del totale del carburante diesel e di benzina nei trasporti, prevedeva il raggiungimento della soglia del 1% entro il 31 dicembre 2005, il 2,5% per il 31 dicembre 2008 e il 5,75% per il 31 dicembre 2010 (quest’ultimo coincide inoltre con l’obiettivo europeo). Il decreto del 25 gennaio 2010, però, ha ridotto questi obiettivi al raggiungimento della quota minima nazionale per il 2010 del 3,5 %, calcolato su base del tenore energetico; per l’anno 2011 tale quota è fissata al 4% e per il 2012 al 4,5%; percentuali comunque molto lontane dalla quota minima europea che è appunto del 5.75% .

Il biodiesel da microalghe

La produzione di biomassa algale ha trovato sempre più grande attenzione negli ultimi decenni in quanto sembra essere la risoluzione ai problemi legati alla produzione da colture tradizionali. Le microalghe potrebbero, infatti, produrre da 50.000 a 200.000 Litri di olio da trasformare in biodiesel per ettaro all’anno, in confronto ai 1.000, 2.500 o 6.000 (per l’olio di palma) litri per ettaro ottenibili dalle colture a terra.

La quantità di biodiesel prodotto dipende dal contenuto di lipidi nelle alghe , che a sua volta dipende dalla specie algale e dalle condizioni in cui viene coltivata. Alcune tipologie di alghe possono arrivare a contenere più del 80% di lipidi nella loro massa secca.

Il problema principale è al momento dovuto al costo molto alto della produzione di biodiesel da alghe, il quale è dovuto principalmente ai processi di raccolta della biomassa e alla concentrazione ed essiccamento della stessa: il biodiesel è un composto prodotto attraverso una reazione di trans-esterificazione a partire da trigliceridi e alcoli in presenza di un catalizzatore. Attualmente non sono ancora presenti impianti che permettano la produzione di biomassa su larga scala, in quanto questa nuova tecnologia è ancora in fase di sperimentazione.

Le microalghe: fonte perpetua di energia

La coltura di massa delle microalghe è studiata già da 60 anni, a cominciare dall’inizio degli anni ‘50 come potenziale fonte di sostentamento per l’umanità, con la prospettiva di risolvere la carenza alimentare dei paesi più poveri.

Le preoccupazioni riguardo l’inquinamento delle acque, negli anni ’60, svilupparono l’interesse nell’uso delle microalghe per il trattamento delle acque reflue. Trattare la acque reflue, infatti, sembrava essere il modo migliore, e più economico, per associare la depurazione delle acque, ricche di elementi fondamentali per la sintesi algale, alla crescita delle microalghe. Nel corso degli anni 80 si sono sviluppati negli Stati Uniti sia impianti di dimensioni importanti che centri di trattamento delle acque reflue di medie o piccole dimensioni che utilizzavano open pond, e in rari casi si effettuava la raccolta della biomassa algale prodotta.

Le microalghe sono microorganismi unicellulari autotrofi o eterotrofi che crescono, come le piante terrestri, attraverso un processo di fotosintesi in cui catturano anidride carbonica e energia luminosa, e le convertono in lipidi. Il gruppo delle microalghe include procarioti (cianobatteri o alghe verdi-azzurre) e eucarioti (alghe verdi, diatomee, alghe rosse, etc...). Una delle più grandi sfide nella coltura delle alghe è individuare le specie che crescnoa velocemente e che contengano al loro interno un alto contenuto di lipidi, i quali siano facili da estrarre e raccogliere.

Le colture di microalghe sono usate comunemente come alimentazione in acquacoltura e per la produzione di molecole ad alto valore aggiunto, a causa dell’alto contenuto di acidi grassi delle alghe. Affinchè la crescita possa essere attuata e favorita devono essere rispettate alcune condizioni ambientali fondamentali. Nelle prime due fasi di crescita deve essere fornito un apporto di nutrienti, ed essendo le alghe organismi autotrofi fotosintetici è costituito, perdipiù, da concentrazioni adeguate di CO2, N (sotto forma di nitrati di ammonio) e P (sotto forma di fosfati) oltre che un esposizione alla luce adeguata. L’energia radiante, infatti, è in grado di promuovere i processi di fotosintesi che consentono la fissazione dell’anidride carbonica e degli altri nutrienti inorganici presenti in fase fluida, producendo materiale organico che costituisce la cellula algale; questa può quindi accrescersi e moltiplicarsi per fissione o duplicazione producendo altra biomassa ad alto contenuto lipidico.

Le specie più promettenti

Nella produzione di biodiesel da alghe i parametri fondamentali da considerare per individuare le specie algali migliori, sono l’analisi della concentrazione di lipidi e la velocità di crescita. A parte questi due valori fondamentali devono essere considerati, inoltre, il rischio di contaminazione della coltura, apporto di nutrienti necessario e le tecnologie di raccolta e concentrazione della biomassa. Potrebbe infatti essere favorita la coltura di una specie in grado di effettuare bioflocculazione in particolari condizioni ambientali. In seguito verranno passate in rassegna alcune delle specie algali più usate.

Arthrospira platensis: È conosciuta anche con il nome di Spirulina per la sua particolare forma. È coltivata sia all’interno di fotobioreattori che in lagune aperte o raceway. La specie Spirulina è relativamente resistente alla contaminazione quanto cresce all’interno di un mezzo che contiene un’alta concentrazione di bicarbonato (15g/L). La maggior parte dei sistemi di produzione di questa specie usa raceway poco profondi, foderati di plastica e miscelati con ruote a pale che permettono un buon controllo delle condizioni.

Dunaliella salina: La coltura di questa tipologia di alga richiede particolari condizioni climatiche ed ambientali oltre alla disponibilità di specifici substrati nutritivi che ne favoriscono ed incrementano la crescita. La produzione di questo tipo alga avviene solitamente in raceway non molto profondi miscelati con ruote a pale. Possono essere usati, tuttavia, anche grandi pond non miscelati posizionati in luoghi dove il costo del terreno non è rilevante, in modo da diminuire cosi il costo di produzione.

Botryococcus braunii: È un microalga verde a forma di piramide. Le colonie di questa tipologia di alghe possono crescere in laghi ed estuari della zona tropicale o temperata e possono fiorire in presenza di elevati livelli di fosforo disciolto. L’olio derivante da questa specie algale non permette di ottenere biodiesel attraverso trans-esterificazione in quanto esso presenta trigliceridi di acidi grassi; può essere usato come materia prima per idrocracking e raffinazione dell’olio per produrre ottano, cherosene e diesel.

Recupero della biomassa algale e conversione dei lipidi in biocarburante

Una volta prodotta, la biomassa algale essa deve essere recuperata dai terreni di coltura per essere trattata e utilizzata nei suoi vari impieghi. La raccolta e l’isolamento della produzione delle colture microalgali è una delle aree più problematiche nella tecnologia di produzione del biocarburante dalle alghe. Questo è dovuto al costo dei processi di recupero della biomassa da una soluzione fortemente diluita, soprattutto se la coltura è stata effettuata in vasche aperte.

I metodi di recupero della biomassa sono diversi e presentano oltre a caratteristiche differenti anche costi variabili. La biomassa diluita raccolta deve essere concentrata di oltre 100 volte per raggiungere una densità sufficiente (almeno 50g/L, preferibilmente 100g/L o oltre) a consentire il suo successivo processamento e conversione a biocombustibile.

Le principali tecniche usate per il recupero e concentrazione di biomassa sono:

Flocculazione: È la raccolta delle cellule in una massa aggregata attraverso l’addizione di polimeri. Le cellule microalgali aggregate offrono il vantaggio di una più facile separazione dal brodo di coltura;

Centifugazione: Può essere utilizzata per quasi tutti i tipi di alghe anche se è sconsigliata per quelle che presentano cellule molto fragili. La centrifuga è praticamente un serbatoio di sedimentazione nel quale vi è un miglioramento della forza di gravità per favorire la sedimentazione;

Filtrazione: Viene usata in campo commerciale per raccogliere la Spirulina e questo processo risulta relativamente a basso costo usando i cosiddetti microfiltri. Si tratta solitamente di filtri rotanti con un controlavaggio, filtri inclinati o vibrofiltri;.

Una volta separata la biomassa algale deve essere in primo luogo sottoposta a un processo di estrazione dei lipidi per ottenere l’olio di alga, il quale, poi, verrà trattato per essere trasformato in biodiesel. La frazione lipidica può essere estratta dalla biomassa attraverso estrazioni con solventi, meccaniche, o con l’utilizzo degli ultrasuoni. Può essere sottoposta inoltre a pirolisi o cracking.

Conclusioni

Da quanto esposto risulta chiaro come le potenzialità della produzione di biodiesel da microalghe siano estremamente interessanti. Al momento, in tutte le sperimentazioni effettuate, il problema risultano essere gli elevati costi di separazione e trasformazione della biomassa in carburante. Ciononostante la possibilità di integrare la produzione di biocarburanti con altre produzioni (quali ad esempio la produzione di integratori alimentari, biofertilizzanti, mangimi o carta) o altri utilizzi (come ad esempio la depurazione delle acque reflue) rende il settore delle alghe uno dei più promettenti nel panorama delle energie rinnovabili.