In quest o capit olo appli cherem o i concet ti finora esposti per l a realizzazione di un agent -bas ed model ori ent ato all a gesti one delle bi oenergi e. L’um anit à è sem pre stata dipendente dall’energia, fino alla seconda rivoluzione industriale l’energie prevalentemente utilizzate erano la forza muscolare dell’uomo, l’energia eolica ( con i mulini a vento) e l’energia idrica ( con i mulini), ma fu soltan to durante la II seconda rivoluzione industriale con l’invenzione del motore a vapore che la soci et à vide una cres cit a esponenziale del la produzione di energi a e l a capacit à di utilizzare quest’ultima in quasi tutti gli ambiti della vita sociale ed economi ca dei paesi, all’epoca maggiormente evoluti. La fonte energetica preposta all’alimentazione delle nuove industrie e dei nuovi motori era il carbone, fonte che, a dist anza di quasi 170 anni dall a II rivol uzione indust ri al e ri copre ancora un ruol o i mport an t e t ra le fonti energet iche del m ondo contem poraneo, com e si può vedere dal grafico sottostante contenente i dati dell’ultimo survey effettuato dalla BP, in merit o all a domanda global e di energi a suddivi so per font e energeti ca. Il dat o rel ativo al la doma nda energeti ca è calcolato uti lizzando com e valore di bas e il milione di t onnell at e di pet rolio, il quantit ati vo dell e altre fonti è espresso in milioni di tonnel at e equivalenti di pet rol i o (m te).
Graf. 1 Fonte dati: BP mie elaborazioni
DOMANDA ENERGETICA MONDIALE (mte) 2013 Ej Tw % CARBONE 3730,1 156 4,89 29% GAS 2987,1 125 3,92 23% PETROLIO 4130,5 173 5,42 32% IDROLETTRICO 831,1 34,0 1,07 6% CARBONE 29% GAS 23% PETROLIO 32% IDROLETTRIC O 7% NUCLEARE 5% RINNOVABILI 4%
63 NUCLEARE 560,4 23,0 0,72 4% RINNOVABILI* 535 22,0 0,69 4% Totale 12774,2 533,0 16,7 * RIINOVABILI DOMANDA ENERGETICA MONDIALE (mte) 2013 Ej Tw ALTRI 237,4 10,0 0,31 SOLARE 21,0 0,8 0,03 EOLICO 117,9 4,9 0,15 GEOTERMICO E BIOMASSE 98,4 4,1 0,13 BIOFUEL 60 2,5 0,08
Tab 1 Fonte: BP, mie elaborazioni
Osservando il grafico e le tabelle è possibile notare come più dell’ottanta percento dell’energia prodotta provenga dai combustibili fossili. Alcune caratteristiche dei com busti bili fossili , tra cui: non sono rinnovabili e geograficament e dislocati i n luoghi di fficilment e raggi ungibili che ri chi edono una fort e com ponent e di s pes a per l’attività estrattiva; hanno spostato l’attenzione dei governi allo sviluppo di nuove t ecnologi a i n grado di prom uovere l a produzione di energi a da fonti rinnovabil i geografi ca mente pi ù com ode. Infi ne non si deve t ras curare com e questa t endenz a all a ricerca di nuove font e rinnovabil i si a det erminat a anche dall a volontà di ridurre maggiormente l’impronta ecologica dell’umanità sul proprio ecosis tem a, in parti col ar modo riducend o l e emis sioni di gas s erra, i ndividuat e com e una dell e caus e del surris caldam ent o del pianeta.
Si possono inseri re in modo più ampi o e approfondito l e m otivazioni che hanno port at o allo svil uppo e all a ri cerca di energi e rinnovabi li
In quest a breve int roduzione ho evidenzi ato com e l a societ à m oderna abbi a s empre increment ato il proprio fabbisogno energeti co ut ilizzando, in preval enz a negl i ultimi 100 anni s em pre l e st es se fonti. Quest a forte dipendenz a ha port at o allo sviluppo e all a ri cerca di nuove fo nti energetiche ri nnovabili. In quest a t esi ci focalizzerem o su un parti col are tipo di font e rinnovabile: l e bioenergi e prodott e dai vegetali. E’doveroso sottolineare come si trovi spesso riportato nella lett erat ura non accademi ca il concet to di bi oet ano lo, in realt à l a com posizione chimica dell’etanolo del bioetanolo è la medesima, l’unica differenza è ris contrabil e nell a m at eri a prima e nei processi di raffinamento uti lizzati. Al fi ne di mant enere una cert a coerenz a ed omogeneit à con il pensiero e la l ett erat ura accademi ca,in quest a s ede us eremo il termine bioet anol o a rappres ent are la produzione di et anolo da ori gine veget al e allo s copo di produrre energi a e/o calore. In parti col are ut ilizzerem o il termine bioet anolo per speci fi care la produzione di et anolo ott enut o dal processo di ferm ent azione del le biom ass e medi ant e col ture cont enenti un elevat o quantit ati vo di zucchero (canna da zucchero) o mediant e colture am idacee (orzo e mais). La produzione di bioet anol o
64 differisce quindi dal le colt ure di prove nienz a: s e l a m at eri a prim a utilizzat e è a bas e zuccheri na, l a pianta deve es sere trit at a e s et acciat a al fine di is ol are l a com ponent e zuccheri na dal rest o del vegetal e. Al fine di favorire l a produzione di ani dri de carboni ca e al cool , viene aggi unt a all a part e s et acci at a il li evito di birra. La component e liqui da vi ene quindi di sti llat a per ess ere successi vamente vendut a sull m ercato. Nei casi in cui il bioet anolo debba ess ere m escol at o al la benzina, necessita di un ulteriore processo destinato all’elim inazione dell’acqua residua (idroli si). P er gli im pianti che utilizzano com e m at eria prim a l a canna da zucchero, vengono bruciate le “bagasse” per generare il calore necessario al processo. Le bagas se sono l e fibre legnose di s carto ot tenute a seguit o dell ’estrazione del succo dall a canna.
Per quanto concerne la produzione di bioetanolo da biomasse amidacee l’unica differenz a si ri scontra nel la fase i nizi al e del proces so dove a s egui to dell a sel ezione e t riturazione dei s emi , vengono ut ilizzati degl i enzim i i cos i dett i amil asi con l o s copo di convertire gli amidi in zuccheri ferment abi li. Una volt a raggiunt a quest a fas e il process o è anal ogo a quanto previs to per l e biom ass e a bas e zuccherina.
Un altro combustibil e che si può ott enere dall e bi om ass e è il così detto bi odi es el. La produzione di questo biocarburant e è ottenut o dagli dei s emi di pi ant e oleoso, quali il girasol e, la colz a, la palm a da ol io e la soi a. P er l a realizzare il bi odi es el i semi devono subi re un proces so di t ransesteri fi cazi one, in qu esto processo la struttura base dell’olio viene idrolizzata da un catalizzatore basico, questo catalizzatore solitamente è l’idrossido di sodio, in glicerina ed acidi grassi; gli acidi grassi si legano quindi ad un alt ro al cool, il m et anolo, ori ginando il biodi es el (o m eti lestere).
Dopo quest a breve rass egna dei princi pali processi ut ilizzati per l a produzione di bioetanolo e biodiesel (di prim a generazi one) vedi am o in dett agli o per quali motivi la produzione di bionenergia risulta essere attualmente l’al ternativa princi pal e tra l e font i ri nnovabili a l ivell o mondi ale:
1. L’energi a prodott a dalle bi omasse è una fonte energet ica cont inua e programm abi le, può ess ere utilizz ata in modo anal ogo a quanto gi à avvi ene per i combustibili foss ili, quindi essere imm ess a nell e gi à presenti ret i trasmiss ioni s enz a risentire delle problemati che i nerenti l e flutt uazi oni e improvvi si arresti di produzione che col pis cono altre fonti di energi e rinnovabili, come l’eolico e il solare.
2. Part endo dall e biom ass e è pos sibil e soddisf are tut te l e forme di ri chi est e energetiche: calore, el ettrici tà e carburanti.
3. A differenz a del le altre fonti rinnovabili la bioenergia deve essere t rat tat a com e una filiera produttiva compl et a e non come un insi em e di tecnol ogi e deput ata all a produz ione d i energia. Da questo ne consegue che l e biom as se devono es sere colti vat e, raccolt e, trasportat e ed infi ne convertite i n energia e/o combustibili. All’interno di questa filiera sono sempre prodotti dei
65 residui (digest ato, ceneri di combusti one, residui di d i still azione) il cui recupero e ri uso permettono a tutt a l a filiera di increm entare l a propria sostenibilità ambientale e l’efficienza produttiva.
La produzione di bi oet anolo, es tratt o da barbabi etol a da z ucchero e m ais, può avvenire con successo anche nei cl im i temperati . Nonost ant e quest o dat o è necessari o sott olineare com e i climi tropicali si ano maggiorm ent e adatt i a garantire un’elevata produtti vità, si consideri ad esempio la produzione di bioetanolo i n Brasi le mediant e canna da zucchero: la produtti vit à media di bioetanolo amm ont a a circa 6200 lit ri per ett aro, una stim a basat a su una res a dell a colt ura di 69 tonnell at e e 90 lit ri per tonnell at a; in modo anal ogo anche in Indi a l a resa di bioet anol o dalla cana da zucchero è abbast anza alt a e s i att est a a circa 5300 litri di bioet anol o per ett aro di t erreno colti vato. P er quant o concerne invece l a resa in Europea, dove l e fonti di bi ocom busti bili di pri ma generazione sono soprat tutto l a barbabietol a da zucchero e il mais, si att est a di poco al di sotto dei 3000 l itri per ett aro. Com e si può notare i num eri sono m arcat ament e inferi ori rispetto a India e Brasile, e ha costretto l’Unione Europea a por si delle domande in merito all’importazione del bioetanolo dall’estero.
In precedenz a abbi amo accennato a qual i foss ero l e principali speci e veget ali da cui si può ott enere bioetanolo e biocarburant e, illust randone i differenti proces si di produzione ed evidenziando che questi processi ri ent rano nell e così det t e casisti che di produzione dei bi ocombust ibili di pri ma generazione. Negli ultimi anni, grazie all o svil uppo tecnologico si sono diffusi i biocombusti bili di s econda generazi one caratteri zzati da un m arcat o miglioramento nell ’effi ci enz a produttiva. Vediamo di s eguito quali s ono questi nuovi process i :
1. Bioet anolo da biomasse li gnocellul osi che: in questo caso il bi oet anolo vi ene prodott o da bi omas se legno cel lulosiche, che a di fferenza del process o utilizzato per l a produzione di bioet anolo di prim a generazi one deve prevedere in fas e inizial e anche l a separazione dell e componenti ferm ent abi li dell a paret e cell ulare (emicellulos e e cellulos e) dall a l igni na e una successi va fas e di idrol isi al fi ne di ott enere gli z uccheri s em pli ci. Le fasi successive: ferment azione, dist illazione e raffinazione sono es eguit e medi ant e i m edesim i proces si per l a produzione di bi oetanolo di prim a generazi one.
2. Biodi es el FT (Fi scher -Trops ch): ques to genere di si nt esi produce i drocarburi ali fat ici a cat ena singol a (CxH y) a parti re da un gas di s int esi derivato da gas sifi cazione e cont enent e pri ncipal ment e idrogeno e monossi do di carboni o (l a gas sificazione è quel process o chimi co che permett e di converti re sostanze ricche i n car bonio, com e pet roli o, carbonio e biom as se in monossi do di carboni, idrogeno e alt ri componenti gassosi). Olt re agli idrocarburi alifati ci sono pres enti nel diesel FT anche idrocarburi a st rutt ura ram ifi cat a, i nsaturi ed al cool prim ari. Il proces so di degra dazione per la realizzazione di biodiesel avviene a temperature elevate dell’ordine dei 700 - 800° C , in presenz a di un percentuale sotto -st echiomet ri ca di un agent e ossidant e (ossigeno o vapore).
3. Bioi drogeno: convert endo l a biom assa mediante un processo conosciuto com e pi rolisi veloce, che comport a l a decomposizione termochim ica di
66 materiali organici mediante l’applicazione di calore in completa assenza di agenti oss idanti , provocando una scissione dei l egami chi mi ci ori ginari con formazi one di m olecole più s empl ici ; si ottiene in ques to m odo il biool io, che viene impiegato per la produzione di idrogeno att ravers o il process o di steam reforming. Quest o processo permett e l a produzione di i drogeno est raendol o dal gas nat ural e, il m etano viene fat to reagi re all’int erno di un convertit ore cat aliti co al la t emperat ura di ci rca 800°C , i n ques to modo vengono liberati at omi di idrogeno e com e sotto -prodott o viene creata ani dri de carbonica. Attualm ent e l e rese di idrogeno da biom ass a s ono piuttosto basse dell’ordine del 16-18% sul peso secco.
Vediamo di s eguit o quali sono l e moti vazioni che hanno port ato allo svil uppo di queste nuove t ecnologi e e qual i sono i vant aggi derivanti da quest e nuove applicazioni, s econdo quanto previsto dal recente report stilat o da Davi d e Chiaramont i e M att eo Prussi:
1. Bilanci o ambi ent al e mi gliore rispett o ai bi ocombustibili di prim a generazione, maggiore riduzione dell’emissioni di gas serra; in alcuni casi al cuni impi anti di prim a generazi one offrono prestazi oni m odeste s e non addirit tura negativi .
2. La qualit à dei combustibil i di seconda generazione è general ment e migli or e rispett o a quell a di prim a generazione. I nuovi biocombus tibili poss ono ess ere m iscel ati i n quals iasi percent ual e con i combustibili fossili (drop -i n fuels ) a differenza dei bi ocombusti bili di prim a generazi one che pres ent avano alcune limitazi oni t ecni che all a mi scel azione.
3. Una cons eguenza del punto precedent e det ermina anche la possi bilit à dei biocombustibili di seconda generazione di essere utilizzati per l’a viazione, avendo quindi la possibilit à di penet rare in un set tore che per migli orare i propri bilanci ambientali non ha alternative all’uso di combustibili di origine biologica se non l’ulteriore efficientamento delle prestazioni.
4. Le infrast rut ture uti liz zate per l a produzione di biocom bust ibili di prim a generazi one sono general mente compati bili per la produzione di biocombustibili di seconda generazione, limit ando in questo caso gli investim enti inizi ali per l a produzione dei nuovi com busti bili .
5. Riduzione dell a com petizione produzione food vs fuel se prodotti da s carti lavorazione, in aree marginali o att raverso un migl ior us o del suolo.
6. Strettamente correl at o al precedente punt o è l a poss ibilit à di val orizzare l e aree m arginali dove la produzione food t radizionali non sono economicam ent e sost eni bili o suffi cient ement e produt tive.
7. In parti col are ri ferendosi al le biom ass e li gnocellulosi che è poss ibil e riscontrare una m aggiore resa di biom assa per ett aro rispet to all a colture convenzionali .
Stant e i vant aggi sopra ipotizz ati, è necessario che un quadro legi slativo organi co sia creato per supportare l’incentivazione e l’utilizzo di queste nuove tipologie di energie, almeno in fase iniziale quando la frontiera dell’innovazione è così vicina e ri chi ede ingent i s omme per gli invest iment i inizi ali . Com e si vedrà in seguit o
67 degli as pet ti sopra riportat i solo alcuni sono st ati di scussi i n sede europea s enz a che siano state prese decisioni chiare atte a ridurre l’incertezza per i potenziali investitori .
Degli aspet ti sopra riport ati s olo il pri mo è st ato discuss o in sede Europea per defini re l e politi che attuati ve, gli alt ri aspetti data la loro complessit à, dovuta ad un maggior num ero di vari abili da consi derare, non sono ancora stati analizz ati s e non in maniera s uperfi ci al e che non ha portat o ancora ad un s eri o i ndi rizzo com unit ario. Come per le alt re fonti energetiche rinnovabi li anche lo s viluppo dell e bioenergi e è st ato favorito da un quadro l egi slativo comunit ario che, durante la s ua evoluzione: Diretti va 98/ 70/ EC (qualit à benzina e del gasoli o) ed i n parti col ar modo la Direttiva n.28 del 2009 (c.d. Di rettiva R ED) hanno previ sto una serie di vincoli al fine di garantire l’efficientamento nella produzione e nel consumo dell’energia in fase di sostituzione dei combustibili fossili con biocombustibili. In part icolar m odo la legislazione prevede che l a sostituzi one con i biocom busti bili deve ess ere effett uat a solo a s eguito di una valut azione di sost enibilit à bas at a s u crit eri ben defi niti e quanti ficabili. In qu est o ul timo anno l a commi ssione ha provveduto i ncont rare differenti st akeholder per mi gliorare l’attuale quadro legislativo in virtù dei nuovi biocombustibili c.d. di seconda generazi one. In ques ta inizi ativa l a Com missione ha riposto la propri a attenzione in parti colar modo s ulla s ost eni bilit à dei biocombustibili e s ul c.d. Indi rect Land Us e Change ( ILUC – cambi o indirett o dell’uso del suol o) ovvero, gli effett i indi ret ti quando una part e del territorio agri colo precedent ement e destinat o all a produzione di food viene uti lizzato per la produzi one di biofuel. Nell a realt à la consult azione i ndett a dall a Commi ssione ha prodotto una prim a bozza che però non è mai s tat a pres ent at a in Consigl io con l a conseguenza di avere un quadro norm ati vo Europeo non chi aro ch e limit a le possi bilit à di invest imento in questo contesto in fort e e rapido cambi am ento. In parti col are gli elem ent i di questo quadro che sono stati discussi, ma per i quali non c’è stato un definitivo pronunci am ent o del consigli o s ono i seguenti:
Defini re un limit e m assim o del 5% per il 2020 del quantit ati vo di biocombustibili di pri ma generazione prodotti , quest o perché t ali bi ocombusti bili prodotti da tradizionali biom ass e sono in pot enzial e competizione con la produzi one di ci bo. Quest a s cel ta è st at a dett at a dall a necessità di prom uovere in modo indi retto l o sviluppo di biocombusti bili di s econda generazione non di ret tam ente i n com petizi one con l a produzione di food. Il P arl am ent o ha proposto un aum ento di questo cap al 6% m ent re il C onsi glio che, pr evede di all argare il rifornim ent o di biocombustibile anche al settore avi ari o, ha proposto un aum ent o del cap al 7%. Si ricorda infine che, il pacchetto Cl ima -Energia 2020 prevede com e obiet tivo l a produzione del 10% dell’energia complessiva da combustibi li rinnovabili.
La pos sibilit à di defi nire s peci fi ci obietti vi defi niti sub target per i carburanti di II generazione è stato a lungo dibattuto. L’obiettivo di questa legislazione era quello di inizi are un percors o vi rtuoso per l o svil uppo di ques ti carb uranti di II generazi one. Anche in questo cas o l a Commissi one e il P arl am ento non sono riusciti a raggiungere un accordo sull’ipotesi di prevedere entro il 2020 una quota del 2.5% sul tot al e dei bi ocarburant i e un sub target del 7.5% mi nimo di biocombustib ili nell e benzine.
Infine anche per quanto concerne i fat tori ILUC non è st ato raggiunt o un accordo: per la C ommissione e il Consigli o le rel azioni inerenti il Land Use Change devono
68 ess ere inserit e in entrambe le Di rettive, mentre per il Parl ament o devon o ess ere conteggiati all’interno della Fuel Quality Directive (FQD).
Con parti colare ri feriment o al s est o punt o sopra riport ato è neces sario s ottol ineare com e i promotori dell a bi oenergi a evi denzino la pos sibili t à di utilizzare aree agri col e di smess e oppu re aree m ai utilizz at e ai fini dell a col ti vazione per produrre biocombustibili di seconda generazione. Gl i aspett i posi tivi indi viduati dai sost enit ori di quest a prati ca sono tre: 1) si evit a l a competizi one tra colt ure dest inate alla produzione di food e fuel , 2) si riduce l a possi bilit à di increm ent are la perdi tà di biodiversit à degli ecosist em i, 3) l a di ffusione di coltivazioni bas at e su s wit chgrass e/ o sorgo pot rebbero mi gliorare l a qualit à del suolo nel le zone attualm ent e povere di minerali e nut ri enti (Read et al., 2002; Satha ye et al ., 1995). E’ importante sottolineare la potenziale relazione che si può instaurare tra la