APPENDICE VII
IL CONSUMO IDRICO
Il consumo d’acqua nella produzione di etanolo è un’altra variabile che, come per l’utilizzo del terreno, deve essere analizzata più in dettaglio. Il forte sviluppo dell’industria del Bioetanolo ha portato necessariamente ad aumentare l’impiego dell’acqua sia nella fase di farming che nella fase di conversione e raffinazione del mais. La disponibilità dell’acqua e la sua qualità diventeranno dei concetti chiave fondamentali per sviluppare un sistema integrato che permetta di sfruttare questa risorsa preziosissima senza intaccare in maniera irreparabile la stabilità degli acquiferi.
Gli effetti della produzione di etanolo sul prelievo dalle falde varia in funzione della localizzazione geografica dell’impianto, in quanto avremo sia acquiferi con proprietà granulometriche diverse, che condizioni meteorologiche. Sotto queste diverse condizioni varia la capacità di falda di “rigenerasi” e come per qualsiasi risorsa rinnovabile varia di conseguenza il grado di sfruttamento che possiamo esercitare su quella risorsa.
In linea generale all’aumentare della classe granulometrica che compone un acquifero aumenta la facilità con cui l’acqua, che proviene dalle precipitazioni atmosferiche, lo riempia colmando gli spazi vuoti presenti tra particella e particella del suolo.
La topografia del suolo influisce in maniera importante sulla ricarica di una falda, difatti versanti molto pendenti e con una buona copertura vegetale renderanno più complessa l’infiltrazione dell’acqua nel suolo, rispetto a versanti quasi piatti e con una scarsa vegetazione, poiché saranno maggiori gli ostacoli che incontra l’acqua nel penetrare all’interno dei vari orizzonti del suolo.
Questi fattori in aggiunta alle condizioni climatiche, che determinano una maggiore o minore piovosità, regolano la quantità d’acqua che può essere prelevata sostenibilmente da una falda freatica.
Il primo consumo d’acqua da stimare è quello inerente alla fase di farming del mais ed è quello che maggiormente è legato alle condizioni climatiche del luogo in cui si trova il terreno coltivato. La necessità o meno di irrigare un campo dipende dall’abbondanza delle precipitazioni, ovvero l’irrigazione diventa necessaria dove le precipitazioni non abbiamo portato un volume d’acqua sufficiente a sostenere lo sviluppo e la crescita delle piante di mais.
Assumendo che:
solo l’85% della terra coltivata a mais sia irrigata (USDA/NASS, 1997);
per ottenere un buon raccolto è necessario irrigare, in media, il terreno con uno spessore d’acqua di 8,1 cm per ogni ettaro di terreno (corrisponde ad un volume equivalente di circa 810 m3, 810,000 L ogni ettaro);
in base a questi input idrici il rendimento di un ettaro di terreno è di 860 kg di mais, da cui si ricavano 3255,53 L di etanolo (vedi paragrafo 3.6.3 – I Rendimenti Produttivi);
otterremo un consumo d’acqua è di circa 248,80 galloni per ogni gallone di etanolo prodotto.
Nella fase di conversione del mais in etanolo variano piuttosto sensibilmente le richieste d’acqua da soddisfare per poter mantenere alto il rendimento produttivo dell’impianto e di conseguenza massimizzare i volumi di etanolo ottenibili.
Come già accennato sono due le tipologie di impianti per la produzione di etanolo: i dry mill e i wet mill. Negli Stati Uniti circa l’80 % dell’etanolo prodotto viene convertito all’interno di impianti dry mill, quindi ci sembra abbastanza realistico assumere la produzione totale come derivante solamente da questa classe di impianti.
Questi impianti sono dotati di strumenti (centrifughe, evaporatori, etc.) per il recupero ed il ricircolo dell’acqua di processo in modo tale da contenere i volumi d’acqua che vengono continuamente prelevati dalle falde o da superfici idriche quali laghi o mari. In questi casi non è poi secondario il problema
nel mare ad esempio creando, attraverso una rapida e decisa variazione dei principali parametri ecologici (temperatura, salinità), uno sconvolgimento degli habitat acquatici.
In questo caso le variabili che influiscono sulla richiesta d’acqua ottimale sono:
la produttività dell’impianto, ovvero la quantità di etanolo che viene prodotta;
l’efficienza del sistema produttivo, dato che all’aumentare del rendimento diminuisce la quantità d’acqua persa e di conseguenza si necessita di un minor input iniziale.
All’interno di un impianto dry mill i volumi d’acqua vengono ripartiti tra la torre di raffreddamento (68 %) e la fase di boiler (32 %).
In base a queste assunzioni iniziali è possibile stimare che per un impianto che produca 50 milioni di galloni di etanolo all’anno siano necessari 150-200 milioni di galloni d’acqua annui, ovvero all’incirca 400,000 galloni giornalieri (= 1.2 acro – piede). Quindi mediamente sono necessari 3-4 galloni d’acqua per ogni gallone di EtOH (IATP, 2006).
Assumendo per la fase di trasformazione un valore medio di 3.5 gal H2O/gal EtOH i consumi totali di acqua per l’intero ciclo produttivo vengono riassunti nella tabella seguente, dove si considera il caso in cui l’irrigazione sia necessaria ed il caso in cui le precipitazioni siano sufficienti per la fase di farming.
Tabella A 23 – Consumi di acqua per la produzione di Bioetanolo (Fonti: Elaborazione da
Pimentel, 2005; Aden A., Water Usage for Current and Future Ethanol Production, NREL, 2007).
Richiesta d’Acqua Totale
Irrigazione Conversione
galloni H2O/gallone EtOH
Precipitazioni sufficienti – 3.5 3.5 Precipitazioni insufficienti 248.8 3.5 252.3
Per produrre etanolo i consumi di acqua si differenzieranno anche in funzione della materia prima che viene immessa negli impianti di trasformazione e raffinazione.
Dopo il mais, che è tuttora la materia prima principalmente utilizzata per produrre Bioetanolo, le risorse cellulosiche stanno diventando la nuova realtà, la base per i biocombustibili cosiddetti di seconda generazione.
In un impianto che trasforma la cellulosa in Bioetanolo si possono utilizzare due differenti processi: il processo biochimico e quello termochimico.
In quello biochimico i consumi sono di 6 galloni di acqua per ogni gallone di EtOH (Aden A., et al., NREL Report, 2002) in un impianto dalla capacità annua di 69.3 milioni di galloni e che utilizzi materiali ricchi di cellulosa come materie prime. Questo tipo di processo è caratterizzato da un rendimento ancora non altissimo, ed ha quindi delle importanti possibilità di miglioramento nel prossimo futuro, a patto che si continui ad investire nella ricerca e nella sperimentazione.
Per il processo termochimico i consumi idrici sono sensibilmente più basso e sono nell’ordine di 1.9 gal H2O/gal EtOH (Philips et al., NREL report, 2007).
A differenza del processo dry mill, sia nel biochimico che nel termochimico, c’è una diversa ripartizione dell’acqua utilizzata tra la torre di raffreddamento (71%) e la fase di boiler (29 %).
E’ utile ora paragonare i consumi di acqua nella produzione di etanolo, limitatamente alla singola fase di trasformazione (non considerando la fase di farming) con altri importanti processi industriali.
La raffinazione del petrolio richiede ad esempio tra i 65 ed i 90 galloni di acqua per ogni barile di greggio trattato, con un valore delle acque di scarico di 20 – 40 galloni/barile di petrolio; con una richiesta netta quindi di circa 45-50 galloni di acqua/barile di greggio.
In un impianto di carbone la richiesta si aggira intorno 3,4 milioni di galloni di acqua al giorno; mentre un impianto nucleare necessita del 25% in più
Dai dati finora riportati risulta evidente che i consumi di acqua legati alla produzione di etanolo non siano assolutamente da sottovalutare, ma anzi richiedano dei validi approcci atti a individuare delle misure per ridurre i volumi di acqua attualmente impiegati (riportati nel grafico seguente).
Una prima alternativa prevede di realizzare dei “brodi” dalle alte concentrazioni di etanolo in modo tale da ridurre l’energia necessaria per la fase di distillazione. Altre tecnologie prevedono la pervaporation, ovvero l’impiego di una tecnica che permette di ridurre significativamente l’acqua di scarico. Altri studi invece progettano di utilizzare dei differenti sistemi di raffreddamento, che al posto dell’acqua adottino sistemi ad aria (forced-air fans).
Figura A 9 – Stima dei consumi di acqua per la produzione di Bioetanolo (Fonte: IATP, Water
