Il ruolo delle bioenergie negli scenari energetici del futuro

 

A cura di Pietro Salatino, ordinario di Impianti Chimici – Università degli Studi di Napoli “Federico II”

 

Articolo Pubblicato su CPMC 3/2022

 

 

I recenti eventi connessi con l’instabilità politica internazionale e il conflitto Russia- Ucraina hanno drammaticamente evidenziato la fragilità di un sistema energetico nazionale non adeguatamente diversificato nelle tipologie delle fonti energetiche e nelle rispettive provenienze. In particolare, è stata messa in crisi la percezione che l’operare nel mercato globale delle commodities energetiche possa compensare l’aleatorietà di un sistema energetico caratterizzato da una crescente penetrazione di fonti energetiche rinnovabili non programmabili (eolico, fotovoltaico) in assenza di fonti di approvvigionamento nazionali. Il ricorso al vettore elettrico associato a fonti energetiche rinnovabili non programmabili, come l’eolico e il fotovoltaico, sarebbe pienamente rispondente agli obiettivi di decarbonizzazione e ha largamente recuperato il divario di costi rispetto
alle fonti energetiche fossili. Esso però richiede una infrastruttura adeguata di accumulo energetico per compensare l’aleatorietà delle fonti. Inoltre esso pone preoccupazioni in ordine al consistente fabbisogno di Materie Prime Critiche (Critical
Raw Materials, CRM, quali litio, cobalto, terre rare, ed altro) intrinsecamente non rinnovabili, caratterizzate da riserve limitate e
il cui approvvigionamento è potenzialmente soggetto a condizionamenti di ordine geopolitico e dalla competizione sui mercati
internazionali. La prospettiva di muovere da una economia carbon-constrained a una economia resource-constrained richiede
valutazioni ponderate, soprattutto in paesi fortemente dipendenti dall’estero negli approvvigionamenti di risorse quale l’Italia.
Altri due fattori da tenere in considerazione. Il fattore tempo: tutte le soluzioni verso la decarbonizzazione richiedono tempi
non facilmente prevedibili connessi con la infrastrutturazione dei sistemi energetici decarbonizzati e con il definitivo deployment
delle nuove soluzioni tecnologiche. Il fattore di scala: tutte le esperienze sinora sviluppate si riferiscono a livelli di penetrazione delle rinnovabili ancora relativamente contenuti. All’orizzonte si profila il terawatt challenge! La sostituzione estensiva delle fonti fossili con le fonti rinnovabili, fino a coprire in misura maggioritaria – se non esclusiva – i quasi 20 terawatt di fabbisogno energetico attuale del nostro pianeta.

 

È difficile prevedere quali possano essere le implicazioni di un così consistente passaggio di scala sul piano tecnologico, regolatorio, di impatto sui sistemi socio-economici, di sostenibilità globale. La situazione è ben sintetizzata da Fatih Birol,
Executive Director dell’International Energy Agency, in premessa al recente rapporto The Role of Critical Minerals in Clean Energy Transitions – World Energy Outlook Special Report, IEA – May 2021: “…Today’s supply and investment plans for many critical minerals fall well short of what is needed to support an accelerated deployment of solar panels, wind turbines and electric vehicles.… High geographical concentration, the long lead times to bring new mineral production on stream, the declining resource quality in some areas, and various environmental and social impacts all raise concerns around reliable and
sustainable supplies of minerals to support the energy transition…”. Queste considerazioni, e le incognite che ne derivano, per un verso devono stimolare una rapida definizione degli indirizzi politici, per altro verso consigliano di muoversi su uno spettro diversificato di traiettorie tecnologiche che contemplino anche soluzioni “ponte” in grado di assicurare la rapida moderazione delle emissioni climalteranti: risparmio ed efficientamento energetico, transizione a low-carbon fuels, ricorso a tecnologie NET (Negative Emission Technologies).

 

Gli scenari sono evidentemente complessi e aleatori, e suggeriscono di muoversi verso un sistema energetico nazionale più resiliente che contempli la diversificazione delle fonti energetiche primarie e la realizzazione di un sistema multi-commodity basato su reti di vettori energetici differenziati (energia elettrica, termica, idrogeno, gas naturale e di sintesi, biocombustibili) tra loro interconnesse, gestite in ottica di sector coupling per ottimizzare dinamicamente la risposta ai fabbisogni energetici.
In questo quadro generale il ricorso alle bioenergie può assumere un ruolo primario per favorire una decarbonizzazione “sostenibile” del sistema energetico. Quali i vantaggi? L’energia da biomasse è una fonte primaria di energia rinnovabile non aleatoria e ben distribuita sui territori. Essa può inserirsi efficacemente in logiche di utilizzo “a cascata” in cui la generazione di energia rappresenta la fase finale di percorsi di trasformazione che prevedono l’ottenimento preliminare di platform chemicals e di prodotti ad elevato valore aggiunto. La valorizzazione di biomasse è di gran lunga meno dipendente dall’accesso alle Materie Prime Critiche rispetto ad altre fonti energetiche rinnovabili. Inoltre, la valorizzazione delle biomasse, in senso lato,
si inserisce agevolmente in schemi e processi della economia circolare, dal momento che consente di valorizzare scarti e sottoprodotti organici. Infine, è da sottolineare che la valorizzazione delle biomasse, implementata nelle varianti BECCS (Bioenergy with carbon capture and storage) o BECCSU (Bioenergy with carbon capture and utilization), è in grado
di realizzare uno dei più credibili schemi di emissioni di carbonio negative (Negative Emission Technologies, NET) attualmente
ipotizzabili. Il presupposto comune a questi obiettivi è l’utilizzo di biomassa non food/ non feed, ovvero non in competizione con le produzioni per l’alimentazione umana e per le produzioni animali. Inoltre è necessario rispettare i criteri low-ILUC che puntano ad evitare possibili sbilanciamenti nel bilancio globale sul Carbonio determinati dal cambio di destinazione di terreni agricoli. Ma abbiamo una sufficiente disponibilità di biomassa per sostenere questa prospettiva? La stima delle disponibilità globali di biomassa “sostenibile” non è agevole, ma una molteplicità di studi accreditati, tra i quali le stime dell’International Panel on Climate Change e dell’International Energy Agency, indicano che il settore delle bioenergie potrebbe assicurare nel medio termine disponibilità dell’ordine di 200 exajoule/ anno (pari a circa 5000 milioni di tonnellate equivalenti di petrolio) da biomassa sostenibile, corrispondenti a circa un terzo del fabbisogno energetico globale. Con una prospettiva di impiego che potrebbe privilegiare i cosiddetti settori hard-to-abate e il settore dei trasporti (soprattutto quello veicolare pesante e i settori marittimo e aeronautico), al quale corrisponde oggi poco meno di un terzo della domanda energetica mondiale.

 

La strada maestra verso la valorizzazione efficiente delle biomasse è costituita dall’impiego in “filiera lunga”. L’utilizzo della biomassa in filiera lunga comporta il superamento di una logica di valorizzazione finale in impianti distribuiti sui territori. Essa si
affida, viceversa, a piattaforme tecnologiche e logistiche integrate per la produzione distribuita di intermedi biogenici, i cosiddetti biofeedstock, che sono successivamente trasformati nei prodotti finali, biochemicals o biocombustibili, in impianti di scala significativa: le bioraffinerie. Quali i vantaggi? Economie di scala, flessibilità rispetto alla variabilità stagionale dei fabbisogni, migliore implementazione di logiche di cascading use della biomassa e dei principi dell’economia circolare e della simbiosi industriale, allungamento della catena del valore a supporto delle economie rurali e degli operatori distribuiti sui territori. La visione di medio termine è quella di realizzare un vero e proprio bio-hub, un sistema di scambio e commercio di diverse tipologie di biofeedstock potenzialmente disponibili, di proprietà standardizzate, da utilizzare come nuove commodities sostenibili, un nuovo “petrolio verde” da utilizzare come punto di partenza per la produzione di beni e di energia green.
Il panorama tecnologico offre una varietà di percorsi in filiera per la valorizzazione delle biomasse. Biomasse oleaginose sono valorizzate mediante estrazione e filtrazione di oli dalla biomassa grezza. Gli oli sono successivamente convertiti in esteri metilici di acidi grassi (Fatty Acid Methyl Ester, FAME) mediante processi di transesterificazione e purificazione. In alternativa, i lipidi sono convertiti in oli vegetali idrogenati (Hydrogenated Vegetable Oils, HVO) attraverso processi di idrogenazione e
isomerizzazione. Questi processi si applicano anche ad oli di cottura esausti (Used Cooking Oils, UCO), grassi animali e lipidi derivanti da colture algali. La filiera idrolisi/saccarificazione/ fermentazione passa attraverso il pretrattamento fisico o chimico-fisico di biomassa lignocellulosica seguito dalla idrolisi enzimatica della cellulosa e della emicellulosa con produzione di zuccheri. Un sottoprodotto di potenziale pregio è rappresentato dalla lignina. Gli zuccheri sono successivamente fermentati a etanolo o butanolo impiegando lieviti o batteri. Seguono le fasi di separazione/ concentrazione dell’etanolo e del butanolo
basati su processi di distillazione, separazione con membrana o con setacci molecolari. In alternativa, gli zuccheri possono essere fermentati impiegando lieviti oleaginosi, dai quali si recuperano lipidi per estrazione con solvente dai prodotti di centrifugazione e rottura cellulare della biomassa prodotta. I lipidi sono successivamente convertiti a biocombustibili mediante i processi di trasesterificazione o idrogenazione/ isomerizzazione già considerati nella filiera degli oleofuels. La digestione anaerobica è un processo biologico che avviene in assenza di ossigeno libero, e si traduce nella trasformazione della materia prima organica in una miscela di gas (biogas) i cui costituenti principali sono metano e anidride carbonica. La digestione
anaerobica è promossa da diversi consorzi microbici interagenti: batteri idrolitici, acidogeni, acetogeni, metanogeni, che
cooperano lungo la catena trofica anaerobica per produrre CH4 e CO2. Il componente predominante della miscela è, di solito, il
metano, che può costituire fino al 70% in volume del biogas. Biomasse ad elevato contenuto di acqua possono essere valorizzate lungo la filiera della liquefazione idrotermale, consistente nella decomposizione della biomassa in fase condensata a temperature comprese tra 250 e 400°C e pressioni comprese tra 5-25 MPa. In queste condizioni, i costituenti organici
della biomassa (carboidrati, lipidi, proteine) vengono convertiti in un liquido organico, il biocrude, ad elevata densità energetica che può essere ulteriormente raffinato e integrato nei percorsi della petrolchimica tradizionale. Di grande interesse la filiera di valorizzazione basata sulla pirolisi, consistente nella decomposizione termica controllata della biomassa per produrre prodotti organici liquidi (bioolio), gassosi (syngas) e solidi (biochar). Le rese in bioolio sono massimizzate conducendo la pirolisi a temperature moderate (500°C) con tempi di residenza della fase gassosa contenuti (circa 1s). L’olio di pirolisi è successivamente trattato o per via idrogenativa o mediante cracking catalitico utilizzando catalizzatori a base di zeolite o FCC. Le tendenze più recenti puntano a sviluppare processi di pirolisi “frazionata”, diretta ad ottenere selettivamente zuccheri/oligosaccaridi pirolitici e composti aromatici da valorizzare come biofeedstock distinti. I processi di gassificazione convertono la biomassa secca in syngas (una miscela di idrogeno e monossido di carbonio) tipicamente ad alta temperatura e pressione. Il syngas, depurato dai contaminanti e condizionato tramite la reazione di spostamento del gas d’acqua (Water Gas Shift Reaction, WGSR) per stabilire il corretto rapporto Idrogeno/ Carbonio, può essere convertito mediante catalizzatori Fischer-Tropsch in una miscela di idrocarburi, da destinare ai processi di raffinazione standard dell’industria petrolifera. In alternativa il syngas può essere convertito con CO2 per via catalitica per produrre metanolo. Sviluppi recenti hanno dimostrato
inoltre le consistenti potenzialità di processi ibridi termochimici/biotecnologici basati sull’impiego di microrganismi anaerobici per la conversione per via fermentativa del syngas, depurato e condizionato per soddisfare le specifiche del biocatalizzatore, a etanolo o butanolo. L’evoluzione scientifica e tecnologica nel settore è rapida, e sta rapidamente contribuendo al raggiungimento della maturità tecnologica e della sostenibilità economica di molte delle soluzioni proposte. Ma l’affermazione di questo modello richiede che allo sviluppo di conoscenze tecnicoscientifiche si affianchino la realizzazione di modelli di business, di piattaforme logistiche e commerciali, di nuovi contesti normativi e regolamentari che favoriscano la “mobilizzazione” della biomassa, e che possono essere realizzati solo attraverso il concorso di molti soggetti guidati da un chiaro indirizzo politico. È opinione di chi scrive, ma non solo di chi scrive, che il settore delle bioenergie possa rappresentare, in questa prospettiva problematica ma sfidante, un punto di forza per il nostro Paese, in grado di tracciare una “via Italiana” verso la transizione ecologica e di valorizzare il nostro patrimonio di risorse intellettuali e di vocazioni industriali.

 

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Si comunica che la sede di Pozzuoli della Stazione Sperimentale per l’Industria delle Pelli e delle Materie Concianti rimarrà chiusa nella giornata di domani 22 maggio per verifiche all’interno del comprensorio Olivetti a seguito degli eventi sistemici avvenuti nella giornata del 20 maggio.

In caso di esigenza, è possibile rivolgersi ai seguenti contatti:

dott. Gianluigi Calvanese

mail g.calvanese@ssip.it

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