EAI

Le microalghe nel settore dei biocombustibili. Sviluppo e sostenibilità

Gli attuali sistemi energetici non solo esercitano pressioni sulle risorse ormai in via di esaurimento ma comportano anche un incremento delle emissioni di gas climalteranti. Dopo lo sviluppo dei biocarburanti di prima e seconda generazione, crescente attenzione è ora rivolta verso le tecnologie di terza generazione, che utilizzano le microalghe (caratterizzate da un elevato contenuto lipidico, una alta resa in olio e in biodiesel, un contenuto uso del suolo) come materie prime. Trattasi di tecnologie sviluppate solo in impianti pilota (in vasche o fotobioreattori), con elevati costi di investimento, ma si prevede che nel medio-lungo termine, con la produzione congiunta di altri co-prodotti (prodotti farmaceutici e nutraceutici, additivi per mangimi animali, bioplastiche ecc.) e l’integrazione con altri processi (quali il recupero dei gas di scarico e il trattamento delle acque reflue), la produzione di biodiesel da microalghe, oltre che sostenibile, potrebbe diventare una soluzione economicamente percorribile

Development and sustainability in the biofuels sector

Today energy systems not only put pressure on natural energy resources which are nearly running down but also they involve an increase in the greenhouse gas emissions. After the development of the 1st and 2nd generation technologies for biofuels production, the attention is now shifting to the 3rd generation ones, which use microalgae as feedstocks (since their main features are the high oil content, the high oil and biodiesel yield, the low land area needed). These technologies have been developed only in pilot plants (ponds or photobioreactors), with high capital expenditures. In the medium-long term with the joint production of several profitable co-products (pharmaceutical and nutraceutical products, animal feed supplements, bioplatsics, etc.) and the link with other processes (such as the waste gas recovery and the wastewater treatment), it is expected that, the production of biodiesel from microalgae, as well as sustainable, it may become an economically viable option

Vera Amicarelli, Annarita Paiano, Leonarda Lobefaro

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Come largamente riconosciuto, gli attuali sistemi energetici comportano non solo pressioni sulle risorse ormai in via di esaurimento ma anche un incremento delle emissioni di gas climalteranti, in particolare CO2.

Si prevede che lo sviluppo di economie emergenti, come quella indiana e cinese, porterà ad una crescita del consumo mondiale di energia con il conseguente incremento degli impatti ambientali (aumento della concentrazione di CO2 nell’atmosfera, acidificazione delle acque, perdita della biodiversità ecc.).

È stato stimato che il superamento del limite di 450 ppm per quanto riguarda la concentrazione di CO2 nell’atmosfera significherebbe oltrepassare il punto di non ritorno dell’inquinamento globale e i cambiamenti ambientali sarebbero irreversibili. È crescente quindi la convinzione di dover ridurre l’impiego dei combustibili fossili prima ancora dell’esaurimento dei giacimenti (Hansen J. et al. 2008; Rockström J. et al. 2009). Se si considera che la combustione dei carburanti fossili comporta il rilascio in atmosfera di circa il 60%, pari a circa 18 miliardi di t nel 2009, delle emissioni totali di CO2 e che il loro contributo al soddisfacimento della domanda di energia è più dell’80% (circa 10 Gtep nel 2009), è evidente la necessità di adottare modelli energetici con un minor consumo di combustibili fossili o modelli economici a bassa emissione di carbonio (EIA 2011; IEA 2011; ITF 2010). Gli strumenti per consentire il soddisfacimento della crescente domanda di energia e allo stesso tempo una mitigazione dei cambiamenti climatici sono: il risparmio energetico, il miglioramento dell’efficienza energetica, la cattura e l’immagazzinamento della CO2 e l’impiego di fonti energetiche rinnovabili.

In particolare la promozione e lo sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili consentono di migliorare la sicurezza degli approvvigionamenti e la stabilità economica, riducendo le emissioni di gas climalteranti. Tra i diversi settori energetici, la produzione di carburanti presenta delle criticità a causa dell’elevata dipendenza dalle fonti fossili; sarebbe quindi opportuno realizzare almeno una parziale sostituzione dei combustibili fossili con i biocombustibili. Dopo lo sviluppo di biocarburanti di prima e seconda generazione l’attenzione è ora rivolta verso le tecnologie di terza generazione che utilizzano le microalghe come materie prime (Amin S. 2009; Chisti Y. 2007; Lagioia G. et al. 2011; Mata TM. et al. 2010).

Le microalghe sono microrganismi presenti in tutti gli ecosistemi della terra, in grado di adattarsi a diverse condizioni ambientali. Grazie alla presenza di clorofilla, esse assorbono la luce del sole e assimilano la CO2 dall’aria e i nutrienti dagli habitat acquatici per poi produrre lipidi, proteine e carboidrati. Dalla successiva trasformazione di queste molecole è possibile ottenere diversi prodotti che trovano diversa collocazione sul mercato: biocarburanti (bioetanolo, biodiesel, bio-olio), prodotti farmaceutici, alimenti e mangimi. Bisogna comunque sottolineare che attualmente la produzione di microalghe per fini energetici avviene in impianti pilota (in vasche da 10 m fino ad impianti da 2 ha), mentre la produzione di alghe da destinare ai settori di nicchia (alimenti salutistici e dietetici, prodotti farmaceutici, cosmetici) è pari a una decina di migliaia di tonnellate annue (Lagioia G. et al. 2011; Nigam PS, Singh A. 2010; Thurmond W. 2011).

Nel presente lavoro, dopo un esame di quelle che sono le principali tecnologie di crescita e raccolta delle microalghe e di trasformazione dell’olio estratto in biodiesel, si è elaborato un bilancio di massa relativo alla produzione di biodiesel dalle alghe. Si è infine analizzato l’attuale mercato delle alghe e dei co-prodotti ottenuti dalla loro trasformazione.

 

La produzione di biodiesel dalle microalghe

Il processo produttivo

Il termine alghe comprende le macroalghe (alghe marine) e un vasto e diversificato gruppo di microrganismi conosciuti come microalghe. Poiché la resa in olio delle macroalghe è attualmente meno vantaggiosa, in questo studio si farà riferimento alle microalghe. Questi microrganismi fotosintetici, grazie alla loro semplice struttura, sono in grado di crescere rapidamente e vivere in diverse condizioni ambientali, sia acquatiche che sub-areali. Esistono più di 50.000 specie di microalghe, raggruppabili in procariote (Cyanobacteria), eucariote (Chlorophyta) e diatomee (Bacillariopyta), caratterizzate da un contenuto lipidico che varia dal 20 al 70% e in determinate condizioni alcune specie possono raggiungere anche il 90% (tabella 1).

 


Contenuto lipidico per specie microalgale

Microalga

Contenuto lipidico (% s.s.)

Microalga

Contenuto lipidico (% s.s.)

Ankistrodesmus sp.

24-31

Neochloris oleabundans

29-65

B. braunii

25-75

Nitzschia sp.

16-47

Botrycoccus braunii

25-75

Pavlova lutheri

35

Chaetoceros calcitrans

16-40

Pavlova salina

31

Chaetoceros muelleri

33

Phaeodactylum tricornutum

18-57

Chlorella

18-57

Prymnesium parvum

22-38

Dunaliella sp.

17-67

Scenedesmus dimorphus

16-40

Ellipsoidion

27

Scenedesmus obliquus

11-55

Isochrysis sp.

25-33

Schizochytrium sp.

50-77

Monallanthus salina

22

Skeletonema

13-51

Nannochloris sp.

20-56

Spirulina

4-9

Nannochloropsis sp.

12-68

Stichococcus

33

Fonti: elaborazione propria dati Ahmad AL. 2011; Bruton T. et al. 2009; Chisti Y. 2007; Demirbas A, Demirbas MF. 2011; Mata TM. et al. 2010; Singh J., Gu S. 2010

 

Per quanto riguarda la resa in olio, le microalghe mostrano valori più elevati rispetto ad altre colture oleaginose (circa 59.000-137.000 L/ha, a seconda del contenuto lipidico). Dalla tabella 2, che mette a confronto le efficienze di produzione e di uso del suolo per il biodiesel prodotto dalle microalghe e da altre colture oleaginose, risulta infatti evidente che le microalghe sono le più vantaggiose sia in termini di rendimento in olio che per l’elevata produttività in biodiesel (da 52.000 a 120.000 kg di biodiesel/ha) e allo stesso tempo richiedono una minore estensione di suolo (anche 49-132 volte minore di quella richiesta dalla coltivazione del colza e della soia). In riferimento a tali rese algali, si è ipotizzato di destinare una superficie analoga a quella attualmente dedicata in Italia alle colture oleaginose (colza, soia e girasole) per la produzione di biodiesel, complessivamente pari a 20.000 ettari, alla coltivazione di microalghe (Dever J, Baldi S. 2011). Sarebbe quindi possibile ricavare 1,04 milioni di tonnellate (Mt), 1,72 Mt e 2,42 Mt di biodiesel utilizzando specie rispettivamente a basso, medio e alto contenuto lipidico. Ad esempio, considerando una specie microalgale con un contenuto lipidico del 20% (come la Chlorella vulgaris), a parità di superficie, da un totale di biomassa pari a 3,9 Mt si potrebbero produrre 0,7 Mt di biodiesel, vale a dire il 54% del consumo nazionale registrato nell’anno 2010 (1,3 Mt). Inoltre dalla biomassa residuale (oltre 3,1 Mt) potrebbero rendersi disponibili le frazioni zuccherine e proteiche per la produzione di altri prodotti energetici (etanolo e biogas) o merci ad alto valore aggiunto (farmaci, mangimi ecc.). Va inoltre evidenziato che per la coltivazione delle microalghe sarebbe possibile utilizzare terreni marginali, non sottraendo quindi suolo agricolo, come avviene per la produzione di biocombustibili da colture tradizionali.

 


Confronto tra le microalghe e le altre colture oleaginose per la produzione di biodiesel

Materia prima

Contenuto lipidico (% olio/s.s.)


(L olio/ha)


(m2/kg biodiesel)


(kg biodiesel/ha)

Mais

4

172

66

152

Soia

18

446-636

18

562

Jatropha

28

741-1.892

15

656

Camelina

42

915

12

809

Colza

41

974

12

946

Girasole

40

1.070

11

1.156

Olio di palma

36

5.366-5.950

2

4.747

Microalghe (basso contenuto in olio)

30

58.700

0,2

51.927

Microalghe (medio contenuto in olio)

50

97.800

0,1

86.515

Microalghe (elevato contenuto in olio)

70

136.900

0,1

121.104

Fonti: elaborazione propria dati Chisti Y. 2007; Demirbas A, Demirbas MF. 2011; Lagioia G. et al. 2011; Mata TM. et al. 2010

 

Tutti gli esistenti processi di produzione del biodiesel da microalghe comprendono una unità di produzione per la coltivazione della biomassa, una fase di separazione delle cellule dai substrati di coltivazione e una di estrazione dei lipidi; le successive fasi, invece, sono simili a quelle utilizzate per produrre biodiesel da altre materie prime.

Per la coltivazione delle alghe elementi vitali per la crescita sono la luce, l’acqua, l’anidride carbonica e alcuni nutrienti come azoto (N), fosforo (P) e potassio (K); anche la silice e il ferro, ed altri elementi in traccia, sono importanti in quanto la loro carenza può limitarne lo sviluppo. È inoltre necessario raggiungere il giusto equilibrio tra i diversi parametri, quali l’ossigeno, la CO2, il pH, l’intensità della luce, la rimozione dei prodotti e sottoprodotti. In presenza di condizioni climatiche favorevoli e nutrienti a sufficienza, le microalghe di solito raddoppiano la propria biomassa in 24 h (3,5 h nella fase di crescita esponenziale), per cui hanno un ciclo di raccolta molto breve (1-10 giorni) (Chisti Y. 2007; Lagioia G. et al. 2011; Mata TM. et al. 2010; Nigam PS., Singh A. 2010; Pfromm PH. et al. 2011; Thurmond W. 2011).

La crescita delle alghe è influenzata da diversi fattori (tabella 3):

  • abiotici (luce, temperatura, concentrazione dei nutrienti, ossigeno, anidride carbonica, pH, salinità, presenza di sostanze chimiche tossiche);
  • biotici (patogeni come batteri, funghi e virus, competizione con altre alghe);
  • operativi (profondità, frequenza della raccolta, aggiunta di bicarbonato).

 


I principali fattori che influenzano la crescita delle alghe

Specie di alghe

Influenza il tipo di prodotto che si vuole produrre; per la produzione del biodiesel si preferiscono le alghe con un più elevato contenuto in olio e un più veloce tasso di crescita.

Aerazione e CO2

Le alghe necessitano di aerazione per fissare la CO2 e crescere; si potrebbe utilizzare una fonte secondaria di CO2, come i gas di scarico delle centrali elettriche.

Nutrienti

La composizione del suolo e/o dell’acqua influenza il tasso di crescita delle alghe; l’impiego di acque reflue, con elevata concentrazione di azoto, stimolerebbe la crescita delle alghe.

Luce

Di solito per la fotosintesi si impiega la luce solare; sono però in corso di sperimentazione alcuni impianti, più costosi, che impiegano fonti luminose artificiali per la crescita al buio.

Livello pH

La crescita ottimale delle alghe necessita un pH tra 7 e 9, valore che può essere influenzato dalla quantità di CO2 e dei nutrienti.

Miscelazione

Affinché tutte le cellule delle alghe siano ugualmente esposte alla luce e per evitare la sedimentazione è necessaria la loro miscelazione.

Temperatura

Alcune specie di alghe richiedono temperature miti durante la crescita (20-30 °C).

Fonti: elaborazione propria dati Chisti Y. 2007; Lagioia G. et al. 2011; Thurmond W. 2011

 

In termini economici, la produzione di biomassa algale è generalmente più onerosa rispetto alla coltivazione delle altre colture oleaginose.

A seconda delle specie di microalghe, delle condizioni ambientali e della disponibilità di nutrienti, le microalghe possono essere coltivate in sistemi aperti (vasche) o chiusi (fotobioreattori). Le vasche possono essere di tipo raceway, circolari con braccio rotante ed inclinate. Quelle raceway sono costituite da un canale a circuito chiuso di ricircolo profondo circa 0,3 m (di solito costruito in cemento e rivestito di plastica bianca) e una ruota a pale per la miscelazione e la circolazione.

I sistemi aperti sono meno costosi da costruire, hanno una durata più lunga e una maggiore capacità produttiva rispetto ai sistemi chiusi, anche se occupano una superficie maggiore. Rispetto ai sistemi chiusi, però, le vasche presentano un maggior fabbisogno di energia (per omogeneizzare i nutrienti) e di acqua (almeno 150 L/m2); inoltre sono più suscettibili alle condizioni ambientali (uno dei fattori limitanti è la variabilità della temperatura dell’acqua, dell’evaporazione e dell’illuminazione) e alla contaminazione da parte di altre microalghe indesiderate, lieviti, funghi, muffe e batteri (Amin S. 2009; Chisti Y. 2007; Mata TM. et al. 2010; Schenk PM. et al. 2008; Thurmond W. 2011). Attualmente il 98% della produzione mondiale di alghe (circa 10.000 t nel 2010) è prodotta con le vasche (Thurmond W. 2011).

I fotobioreattori possono essere piatti o tubolari, orizzontali, verticali, inclinati o a spirale. Un fotobioreattore tubolare è costituito da una serie di tubi dritti e trasparenti, di plastica o vetro, del diametro non superiore a 0,1 m e della lunghezza inferiore agli 80 m, nei quali viene catturata la luce solare. Per consentire il maggior immagazzinamento di energia solare, solitamente i tubi sono disposti parallelamente uno all’altro con orientamento nord-sud e la superficie sotto il collettore è rivestita di plastica bianca per aumentare la riflettanza. I fotobioreattori consentono di avere un miglior controllo delle condizioni e dei parametri di crescita della coltura (pH, temperatura, ossigeno, CO2), minori perdite di anidride carbonica, una maggiore densità delle microalghe e produttività volumetrica oltre ad una riduzione della contaminazione da parte di altri microrganismi. Le principali limitazioni riguardano invece il surriscaldamento, l’accumulo di ossigeno*, gli elevati costi di costruzione e funzionamento dell’impianto. I costi di investimento per i fotobioreattori, infatti, sono maggiori delle vasche, soprattutto se si utilizzano i tubi in policarbonato (circa 5-12 milioni $/ha per i fotobioreattori con tubi in polipropilene e 12-25 milioni $/ha per i fotobioreattori con tubi in policarbonato contro i 0,5-2,5 milioni $/ha per le vasche) (Amin S. 2009; Chisti Y. 2007; Mata TM. et al. 2010; Schenk PM. et al. 2008; Thurmond W. 2011).

La comparazione dei due sistemi di coltura (tabella 4) non è semplice in quanto ci sono diversi parametri da considerare. In genere si valutano la produttività volumetrica (produttività per unità di volume del reattore), la produttività areale (produttività per unità di superficie occupata dal reattore) e la resa in olio. I sistemi chiusi sono migliori delle vasche per la produttività volumetrica (8-13 volte maggiore). Inoltre la biomassa raccolta con i fotobioreattori costa meno di quella recuperata nelle vasche in quanto raggiunge una concentrazione maggiore di circa 16-30 volte (Chisti Y. 2007; Mata TM. et al. 2010). Ciononostante i costi totali di produzione e di gestione sono minori per le vasche (Thurmond W. 2011).

 


Confronto tra vasche raceway e fotobioreattori


Impianto con vasche raceway

Impianto con fotobioreattori

Produzione annua di biomassa (kg)

100.000

100.000

Produttività volumetrica (kg/m3/g)

~ 0,12

> 1,5

Produttività areale (kg/m2/g)

0,035

0,048

Concentrazione della biomassa nel brodo di coltura (kg/m3)

0,14

4

Superficie necessaria (ha)

> 0,75

> 0,55

Resa in olio (L/ha)

99.400* / 42.600°

136.900* / 58.700°

Consumo annuo di CO2 (kg)

183.333

183.333

Tipologia di sistema

vasca:

978 m2 (12 m x 82 m)

0,30 m profondità

unità:

132 tubi paralleli, ciascuno di

80 m di lunghezza x 0,06 m di diametro

Numero di unità

8

6

Rapporto area/volume

Basso

Alto

Densità della popolazione algale

Bassa

Alta

Produttività

Bassa

Maggiore

Concentrazione della biomassa

Minore

Maggiore

Rischio di contaminazione

Alto

Ridotto

Controllo della contaminazione

Difficile

Facile

Controllo delle specie

Difficile

Facile

Controllo del processo

Difficile

Facile

Controllo della temperatura

Difficile

Più uniforme

Efficienza di utilizzazione della luce

Scarsa

Elevata

Perdita di acqua

Molto alta

Bassa

Perdita CO2

Alta

Bassa

Pulizia degli impianti

Non richiesta

Richiesta

Investimenti

0,5-2,5 x 106 $/ha

5-12 x 106 $/ha se tubi in polipropilene

12-25 x 106 $/ha se tubi in policarbonato

Costi operativi

Bassi

Elevati

* per biomassa con contenuto in olio del 70%

° per biomassa con contenuto in olio del 30%

Fonte: elaborazione propria dati Chisti Y. 2007; Mata TM. et al. 2010; Thurmond W. 2011; Weyer KM. et al. 2010

 

 

La raccolta delle alghe, che consiste nella rimozione di grandi quantità di acqua per aumentare la concentrazione della biomassa, può essere condotta in diversi modi (processi fisici, chimici, biologici) a seconda della dimensione delle alghe. I principali metodi di raccolta sono la sedimentazione, la centrifugazione, la filtrazione e l’ultra-filtrazione, a volte accompagnata da una fase di flocculazione (con allume e cloruro ferrico) e/o flottazione (Amin S. 2009; Chisti Y. 2007; Mata TM. et al. 2010; Thurmond W. 2011). La sedimentazione è di solito la prima fase della raccolta e utilizza la gravità per separare le alghe dall’acqua. La filtrazione è utilizzata per le microalghe più grandi, come la Coelastrum proboscideum e la S. platensis, ma non è adatta per le microalghe di piccole dimensioni come la Scenedesmus, la Dunaliella o la Chlorella, per le quali si utilizza la micro-filtrazione a membrana o l’ultra filtrazione (più costosa per la sostituzione delle membrane e il pompaggio). La centrifugazione consente di concentrare rapidamente ogni tipo di microrganismo e, nonostante gli elevati costi operativi (0,6 $/L) e il consumo energetico (3 kWh/L), è la tecnologia più utilizzata; il principale problema è però l’efficienza a causa della bassa concentrazione (1-4 g/L) (Lagioia G. et al. 2011; Mata TM. et al. 2010; Schenk PM. et al. 2008; Thurmond W. 2011). Dopo la deitratazione della biomassa prodotta segue la rottura delle cellule con metodi meccanici (frantumazione, omogeneizzazione, ultrasuoni) o non (solventi organici, shock osmotici, reazioni acide-basiche o enzimatiche) per l’estrazione dell’olio. Anche questi metodi differiscono per l’efficienza e i costi. Gli ultrasuoni o le micronde, attualmente allo studio, potrebbero incrementare l’efficienza di estrazione dell’olio e il rendimento del 50-500% (Mata TM. et al. 2010; Thurmond W. 2011). L’olio estratto dalle microalghe è diverso dagli altri oli vegetali (tabella 5) in quanto abbastanza ricco di acidi grassi polinsaturi, con 4 o più doppi legami, che sono suscettibili di ossidazione durante l’immagazzinamento; ciò ne rende necessaria una parziale idrogenazione catalitica prima della conversione in biodiesel (Chisti Y. 2007; Dinh LTT. et al. 2009; Mata TM. et al. 2010).

 


Caratteristiche merceologiche del biodiesel prodotto da microalghe e da altre colture oleaginose e del diesel fossile

Proprietà

Biodiesel da alghe

Biodiesel da soia

Biodiesel da colza

Biodiesel da girasole

Diesel

Densità (kg/L)

0,864

0,884

0,882

0,860

0,838

Viscosità (mm2/s, cSt a 40 °C)

5,2

4

4,83

4,6

1,9-4,1

Flash point (°C)

115

131/178

155/180

183

75

Punto di solidificazione (°C)

-12

-4

-10,8

-7

-50/+10

Punto di intorbidamento (°C)

2

1

-4/-2

1

-17

Numero di cetano

52

45/51

53/56

49

40-55

PCI (MJ/kg)

41

37,8

37,2

38,9

42

Fonti: elaborazione propria dati Amin S. 2009; Canakci M. Sanli H. 2008; Cencič V. et al. 2007; Dinh LTT. et al. 2009; Fukuda H. et al. 2001; Yamane K. et al. 2001

Con la transesterificazione i trigliceridi sono convertiti prima in digliceridi e monogliceridi e poi in esteri (biodiesel) e glicerolo (sottoprodotto) con l’impiego di un reagente (metanolo) e un catalizzatore (NaOH) (Mata TM. et al. 2010). Nella figura 1 è riportato un primo bilacio materiale ed energetico per la produzione di 1 kg di biodiesel da alghe. Il completamento del flowchart è tutt’ora in corso e sarà oggetto di ulteriori ricerche e studi.

 

Fig12Amicarelli.jpg

 

Oltre all’olio, le microalghe contengono carboidrati (8-64% s.s.) e proteine (6-71% s.s.) per cui possono essere impiegate come materie prime per la produzione congiunta di altre merci (co-prodotti) (figura 2) da destinare a diversi mercati: da quelli farmaceutici e nutraceutici di elevato valore (mercati di nicchia) ai mercati degli additivi per i mangimi animali, delle bioplastiche e della generazione elettrica (prodotti di medio-alto valore) ai più grandi mercati degli oli vegetali da impiegare per la produzione di biodiesel. Vi sono anche diversi impieghi delle alghe nel campo della sanità (costituiscono materie prime per la produzione di farmaci per la cura di diverse patologie, quali colesterolo, osteoporosi, stress, cancro, invecchiamento delle cellule) (Chisti Y. 2007; Lagioia G. et al. 2011; Mata TM. et al. 2010; Thurmond W. 2011).

 

Aspetti economici

La produzione di biodiesel dalle alghe non è ancora competitiva con i carburanti tradizionali. In media la produzione di 1 kg di microalghe costa circa 2,95 $ o 3,80 $**, a seconda che si utilizzino i fotobioreattori o le vasche raceway e assumendo che la CO2 sia disponibile a costo zero (De Marco et al. 2006) . Si prevede però che, grazie alle economie di scala, con una capacità annua di 10.000 t il costo di produzione si ridurrebbe rispettivamente a 0,47 $/kg e 0,60 $/kg. Sono tuttavia necessari miglioramenti tecnologici, soprattutto nella fase di raccolta della biomassa, che incide per il 20-30% sul costo totale di produzione delle microalghe (Chisti Y. 2007; Demirbas A., Demirbas MF. 2011). I costi di produzione del biodiesel da alghe, in un impianto pilota, sono stimati pari a 2,4-4,5 $/L per le vasche e 5,2-10 $/L per i fotobiorettori, ma nel lungo termine si prevede una loro riduzione (0,4 $/L) in seguito ad una produzione su scala commerciale (Thurmond W. 2011).

Ulteriori fattori che possono contribuire a rendere i costi del biodiesel da alghe più competitivi sono lo sviluppo di bioraffinerie, l’ingegneria genetica e i miglioramenti tecnologici.

Una bioraffineria può produrre simultaneamente biodiesel dagli oli e mangimi, biogas, energia elettrica dalla biomassa che residua dal processo produttivo. Inoltre bisogna considerare che, come già ricordato, oltre agli oli, la biomassa algale contiene significative quantità di proteine, carboidrati e altri nutrienti che possono essere impiegati per produrre diversi prodotti che, collocati su mercati diversi, costituiscono altre fonti di reddito.

La valorizzazione di questi co-prodotti di medio-alto valore economico (da diverse centinaia a qualche migliaia di $/kg) consentirebbe di ridurre notevolmente il costo di produzione del biodiesel. Si prevede che nel 2015 i prodotti ricavati dalle microalghe potrebbero avere un mercato potenziale a livello mondiale dell’ordine di 25-50 miliardi di $, dominato dalla produzione di biodiesel (50%), dall’assorbimento della CO2 e dalla produzione di integratori alimentari (Alabi AO. et al. 2009).

L’ingegneria genetica può contribuire alla riduzione dei costi attraverso l’incremento dell’efficienza fotosintetica e quindi del rendimento della biomassa, il miglioramento del tasso di crescita della stessa, del contenuto in olio, e della tolleranza alla temperatura, l’eliminazione della suscettibilità alla foto-ossidazione che danneggia le cellule (Chisti Y. 2007; Nigam PS., Singh A. 2010). Infine la produzione di biodiesel da microalghe può essere più sostenibile dal punto di vista ambientale e conveniente dal punto di vista economico se è combinata ad altri processi come il recupero dei gas di scarico e il trattamento delle acque reflue. I gas di scarico derivanti dagli impianti di generazione elettrica stimati, sono responsabili per più del 35% (più di 10 miliardi di t nel 2010) delle emissioni totali di CO2 generate dai processi di produzione dell’energia. Tuttavia, contenendo fino al 15% di CO2, rappresentano una fonte economica di anidride carbonica per la coltivazione delle microalghe, in particolare di quelle che ne tollerano elevati livelli (Chlorococcum littorale ecc.) (Amin S. 2009; Dinh LTT. et al. 2009; EC 2007; Mata TM. et al. 2010; Nigam PS., Schenk PM. et al. 2008; Singh A. 2010). In media per produrre 1 t di microalghe sono necessarie circa 180 t di CO2 (Chisti Y. 2007; Lagioia G. et al. 2011). Le alghe possono essere utilizzate anche per il trattamento delle acque reflue, in particolare per la rimozione di azoto e fosforo dagli effluenti, con la conseguente riduzione dell’impiego di acqua dolce e dell’eutrofizzazione dell’ambiente marino. Le alghe a questo scopo maggiormente utilizzate sono lo C. vulgaris, la Chlorella, la Spirulina (Amin S. 2009; Chisti Y. 2007; Dinh LTT. et al. 2009; Mata TM. et al. 2010). Sulla base dei dati attualmente disponibili, relativi ad impianti pilota, risulta che, rispetto alle altre colture oleaginose impiegate per la produzione di biodiesel, la coltivazione delle alghe appare quindi più vantaggiosa in termini di impatto ambientale (tabella 6), in quanto comporta minori emissioni di CO2 in atmosfera, un minor impiego di acqua e l’occupazione di una superficie inferiore; tuttavia i costi di produzione del biodiesel da microalghe (2,4-4,5 $/L per le vasche e 5,2-10 $/L per i fotobiorettori) non sono ancora competitivi con quelli del diesel fossile (1 $/L).

 


Emissioni di gas climalteranti, impieghi di acqua e terra, costi totali di produzione del biodiesel da diverse materie prime

Materia prima

2

Impiego di acqua

Superficie necessaria per soddisfare la domanda mondiale di petrolio

 

2eq/MJ)

2/g)

6 ha)

Jatropha

56,7

3.000

2.600

Alga

3

16

50-400

Olio di palma

138,7

5.500

820

Colza

78,1

1.370

4.100

Soia

90,7

530

10.900

Fonte: elaborazione propria dati Dinh LTT. et al. 2009; Smith VH. et al. 2009

 

Conclusioni

I biocarburanti rappresentano una delle possibili opzioni per consentire il soddisfacimento della crescente domanda di energia in un modello di sviluppo economico sostenibile. Tuttavia la loro produzione allo stato attuale non è riuscita a soddisfare tutti i requisiti necessari (facilità, economicità, eco compatibilità, eticità) per renderli realmente concorrenziali con i carburanti fossili. Infatti la ricerca e le innovazioni in questo campo non si fermano, tanto è vero che si sperimentano tecnologie di terza generazione dopo che la prima e la seconda hanno mostrato tutti i loro limiti. In particolare quelli di prima generazione, basati sulla trasformazione di colture alimentari, rispetto a tutto il ciclo di vita non sono efficienti dal punto di vista energetico (l’input di energia è frequentemente maggiore del valore energetico dei biocombustibili prodotti), non presentano un saldo positivo della CO2 (CO2 fissata durante la fase agricola rapportata alla CO2 emessa) e sono fortemente in competizione con il settore alimentare in termini di quantità di derrate agricole e suoli sottratti alla produzione di alimenti. I biocombustibili di seconda generazione, prodotti da residui e scarti agroalimentari, attenuano il conflitto con il settore alimentare sebbene siano ancora caratterizzati da elevati costi di investimento.

Altra opzione percorribile nel medio e lungo termine è rappresentata dalla terza generazione basata sull’utilizzo delle microalghe. Queste infatti, come mostrano i risultati del presente lavoro, sono caratterizzate da un elevato contenuto in olio e da alti rendimenti in biodiesel e non entrano in competizione con la produzione alimentare, nè con i suoli agricoli e le fonti di acqua dolce; anzi, la coltivazione delle alghe nelle zone aride o desertiche potrebbe contribuire allo sviluppo socio-economico di queste aree. Inoltre, come già ricordato, le alghe possono essere impiegate come materie prime per la produzione di diverse merci (omega-3, carotenoidi e altri prodotti bio-chimici) ad elevato valore economico, il cui scarto (l’olio estratto) è materia prima per l’industria del biodiesel attualmente in crisi a causa della scarsa disponibilità di materie prime. Il costo ancora elevato del biodiesel da alghe potrebbe essere sostanzialmente ridotto se si organizzasse una produzione integrata di merci diverse (figura 2) da destinare sia al mercato dei biocombustibili che ad altri mercati emergenti.

Alla fine di quest’analisi appare evidente che nel campo dei biocombustibili di terza generazione l’innovazione presenta ancora un largo margine di azione. In particolare è necessario concentrarsi sull’identificazione e/o sul miglioramento genetico delle specie con maggior contenuto lipidico e con tasso di crescita più elevato allo scopo di effettuare la raccolta giornaliera piuttosto che più volte a settimana. È necessario, inoltre, migliorare anche i costi e l’efficienza della produzione delle alghe per rendere la produzione di biodiesel di terza generazione sempre più conveniente per le aziende e quindi disponibile nei mercati dei carburanti. Va da sé comunque che un forte contributo all’attenuazione dei problemi ambientali associati alla produzione e uso di energia può derivare dalle azioni di risparmio energetico.

 

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Per informazioni e contatti: infoEAI@enea.it


Vera Amicarelli, Annarita Paiano, Leonarda Lobefaro - Università degli Studi di Bari Aldo Moro, Dipartimento di Studi Aziendali e Giusprivatistici, I Facoltà di Economia

* Con una elevata irradiazione la quantità di ossigeno prodotta in un fotobioreattore tubolare è pari a circa 10 g/m3/min. Un livello di ossigeno maggiore del limite di saturazione dell’aria inibisce la fotosintesi e, combinato con una intensa irradiazione, può danneggiare le cellule delle alghe. Pertanto i fotobioreattori devono essere periodicamente puliti attraverso il passaggio della biomassa in una colonna di degassazione (Chisti Y. 2007).

** I costi di produzione delle microalghe variano a seconda della radiazione solare (e quindi del luogo di localizzazione dell’impianto), della specie coltivata, dei sistemi di coltivazione adottati, del costo dell’energia e dei fertilizzanti (Chisti Y. 2007).