CAPITOLO VI
IL BIODIESEL
In questo capitolo verrà analizzato, in maniera più sintetica, l’altro principale biocombustibile insieme al Bioetanolo: il Biodiesel. Ne verranno descritte le caratteristiche principali, le materie prime da cui viene ricavato, e le specifiche energetiche, per il suo ciclo produttivo, in modo tale da poter far un confronto con il Bioetanolo ottenuto dal mais, dalla canna da zucchero e dalla biomassa ligno-cellulosica.
6.1 – Caratteristiche e Proprietà
Con il termine Biodiesel ci si riferisce ad una classe di composti chimici, gli esteri alchilici, ottenuti tramite un processo chimico che prende il nome di transterificazione, ed utilizzati come carburante alternativo in quanto viene ricavato a partire da fonti biologiche quali olii vegetali e grassi animali.
Da un punto di vista chimico il Biodiesel è un liquido giallastro, praticamente immiscibile con l’acqua, con un alto punto di ebollizione, una bassa pressione di vapore. Per quanto concerne la viscosità, il Biodiesel è un liquido più viscoso rispetto al diesel ottenuto dal petrolio (petrodiesel). Questo è dovuto al fatto che nella struttura del diesel ottenuto dagli olii vegetali è contenuta una molecola di glicerina (circa il 20 % in peso), una sostanza densa ed appicicosa. Tra i vari vantaggi associati all’utilizzo di questo carburante alternativo ci sono:
il fatto che può essere utilizzato direttamente nelle autovetture senza dover apportare modifica sostanziali al motore (dipende dalla miscela utilizzata);
è biodegradabile;
non è tossico;
monossido di carbonio che di anidride carbonica rispetto agli altri carburanti ottenuti da fonti fossili.
Analogamente al Bioetanolo, il Biodiesel può essere utilizzato sia puro che all’interno di miscele insieme al gasolio. La notazione che tecnica che si utilizza per differenziare queste miscele è simile a quella adottata per l’etanolo, ovvero facendo seguire alla lettera B, un numero che rappresenta la percentuale di diesel ecologico presente nella miscela considerata. Ad esempio una miscela B20 ha per il 20 % (in volume) diesel ecologico e per il restante 80 % petrodiesel. A seconda della miscela che viene utilizzata si deve procedere a compiere delle piccole modifiche nel motore. Difatti finché vengono utilizzate miscele a basso tenore di Biodiesel, come la B10 o la B20, i motore non deve essere modificato, in quanto sono delle miscele ancora abbastanza simili al diesel ottenuto dal petrolio.
Nel caso si utilizzassero miscele più pure, fino ad arrivare alla B100, le modifiche sarebbero sostanziali, ma alla fine le prestazioni della macchina non subirebbero delle forti variazioni.
Oggigiorno il Biodisel può essere distribuito nelle attuali infrastrutture utilizzate per il petrodiesel, facilitando quindi la diffusione di questo carburante ecologico nei settori della biocarburazione dei principali paesi mondiali.
Il Biodiesel oltre nel settore dei trasporti, viene anche impiegato come combustibile per uso domestico o boilers commerciali. Proprio in questo settore è stato realizzato uno studio da Andrew J. Robertson, che ha dimostrato come utilizzando miscele di B20 si possono abbattere le emissioni domestiche di CO2 di circa 1.5 milioni di tonnellate annue.
6.2 – Il Processo di Transterificazione
La transterificazione consiste nel rompere ogni molecola di olio (trigliceride) in tre catene di acidi grassi e separare in tal modo la molecola di glicerina. In questo procedimento si aggiunge l’alcool, e ognuna delle tre catene di acidi grassi si attacca ad una delle nuove molecole di alcol, dando così luogo ai mono-alchil esteri. La reazione viene ben riassunta graficamente nello schema successivo.
In questo modo questi composti diventano molto più fluidi e anche più adatti per essere utilizzati come carburante.
Una volta che si liberano dalla glicerina, abbassando densità e viscosità, le catene degli esteri alchilici sono esattamente quel che è conosciuto come Biodiesel.
L’alcool che viene utilizzato nel processo può essere o etanolo o metanolo (ricavato da legna, carbone o gas naturale). Di solito si preferisce usare il metanolo, sia perché e meno costoso, ma anche perché tende a produrre reazioni più prevedibili. L’etanolo da parte sua da luogo a reazione chimiche più instabili, ma non è tossico e deriva da una serie di risorse rinnovabili.
Quando ci si riferisce al Biodiesel prodotto con il metanolo si parla più specificatamente di metilestere, se invece si impiega come alcool l’etanolo, parliamo di etilestere.
Perché la reazione chimica avvenga in tempi veloci è necessaria l’aggiunta di un catalizzatore, ovvero di una sostanza chimica che partecipa alla reazione aumentando la velocità della stessa, ma senza consumarsi, cosicché alla fine della reazione lo ritroviamo tra i prodotti formati, nella stessa forma e quantità di come
trigliceride metanolo glicerolo Biodiesel Catalizzatore (NaOH) Reazione di Transterificazione
lo avevamo aggiunto inizialmente tra i reagenti.
Principalmente i catalizzatori usati sono due, l’idrossido di sodio (NaOH) e l’idrossido di potassio (KOH). L’idrossido di sodio è il catalizzatore maggiormente impiegato sia perché è meno costoso, ma soprattutto perché ne sono necessarie quantità minori rispetto all’idrossido di potassio per poter ottenere gli stessi risultati. A volte i produttori di Biodiesel utilizzano un terzo catalizzatore, l’acido solforico (H2SO4), per evitare eccessive formazioni di sapone. In linea di massima la quantità di catalizzatore da utilizzare dipende dal pH dell’olio in esame, ovvero dalla sua acidità.
Analizzata la dinamica della reazione di transterificazione, diamo un accenno anche alla stechiometria, ovvero alle quantità dei vari reagenti e prodotti. La reazione complessiva è la seguente:
100 L di olio + 10 L di metanolo → 100 L di Biodiesel + 10 L di glicerolo
I rapporti stechiometrici sono abbastanza semplici, basta dire che trattando un certo volume di olio si ottiene un volume equivalente di Biodiesel, con un consumo di metanolo che mi restituisce un eguale quantità (in volume) di glicerolo.
Uno dei vantaggi principali del biodiesel è che il processo di transterificazione può essere fatto su scale differenti, da un produttore casalingo, fino alle grandi industrie che ne producono migliaia di litri all’anno. La principale differenza nella produzione di Biodiesel su larga scala consiste nel produrlo in modo continuo (processo a ciclo continuo), a differenza dei piccoli miscelatori che ne fanno delle quantità limitate, ed un po’ alla volta.
6.3 – Le Materie Prime
Un’altra caratteristica tipica di questo combustibile è che per la fase di transterificazione si può utilizzare una vasta gamma di risorse prime:
olio vegetale vergine;
grassi animali;
alghe.
Tutte queste materie prime possono essere utilizzate da sole, oppure possono essere mescolate in modo tale da ottenere un carburante dalle caratteristiche specifiche.
Questa è probabilmente la peculiarità più interessante del Biodiesel: la possibilità di adattare la produzione a seconda delle materie prime disponibili e della destinazione di uso finale.
Per la produzione dall’olio vegetale vergine ci sono moltissime coltivazioni che possono essere utilizzate per il Biodiesel.
L’olio di palma dell’Africa è una delle piante da olio con il rendimento più alto, tanto che da un ettaro di terreno è possibile ottenere 5,950 L. L’olio viene estratto dalle parti carnose del frutto, che contiene il 45-50 % di olio e viene per lo più impiegato nella manifattura di candele e saponi. Malgrado abbia un alto rendimento, l’olio di palma rappresenta solo l’1% del totale delle materie prime utilizzate per fare il Biodiesel.
La colza, detta anche canola, viene coltivata prevalentemente in Europa dove da piccoli fiori gialli. Ha una produttività di 1190 L/ha, e rappresenta quasi l’84 % delle materie prime da cui si ricava il Biodiesel a livello mondiale, ed è la più impiegata a livello europeo. Una peculiarità di questa coltivazione risiede nel fatto che ciò che resta dopo la spremitura viene utilizzato come mangime altamente proteico per il bestiame, ottenendo in tal modo un ammortizzamento dei costi di produzione.
Il girasole viene coltivato principalmente per i suoi semi, che sono al secondo posto nella produzione mondiale di olio commestibile. Originario dell’America nord-occidentale, il girasole ha una vasta diffusione negli Stati Uniti, ed una buona distribuzione anche nel nostro continente.
Possiede un rendimento di 952 L/ha, e contribuisce per il 13% nel consumo di Biodiesel a livello globale.
La soia ha una produttività abbastanza bassa, se confrontata con le altre risorse sinora analizzate, e vale 445 L/ha. L’olio di soia oltre ad usi alimentari, ha anche applicazioni industriali (produzione di pitture, insetticidi, disinfettanti, etc.).
E’ diffusissima negli Stati Uniti, difatti in questo paese il Biodiesel viene ricavato esclusivamente da questa coltivazione, anche se non è sicuramente della migliore risorsa per la produzione del Biodiesel. Questa osservazione si riflette nella cifra che assegna all’olio di soia solo l’1% della produzione a livello mondiale.
Altre coltivazioni che possono impiegate per produrre il Biodiesel sono: l’olio di cocco, la jatropha, l’arachide, la senape ed il cartamo.
La produzione di Biodisel dagli olii di cucina usati è potenzialmente perfetta, poiché si produrrebbe carburante sfruttando della materia che non potrebbe essere usata in altro modo. Solamente una minima parte viene trattata per poter ottenere mangimi per il bestiame o prodotti fertilizzanti.
Se pensiamo che ogni anno circa 11 miliardi di litri di olio vengono utilizzati nei fast food per la frittura delle patatine, appare evidente la grande potenzialità che è in grado di offrire questo settore.
A causa della bassa qualità, in seguito alle numerose e ripetute cotture, olio usato per friggere deve essere sottoposto ad un trattamento aggiuntivo prima della transterificazione, per poter rispettare gli standard internazionali di qualità per i carburanti.
La grande prospettiva ambientalista che danno questa classe di olii, ovvero di poter trasformare ciò che sarebbe puro scarto in energia pulita, è un incentivo
Colza Soia Girasole Palma Altro Materie prime per la produzione di Biodiesel
importante per continuare ad investire nella ricerca necessaria per sviluppare questo settore.
I grassi di origine animale costituiscono di gran lunga la risorsa più economica per la produzione del Biodiesel. Il Dipartimento dell’Agricoltura degli Stati Uniti (USDA) ha stimato che negli ultimi siano stati prodotti circa 5 miliardi di kg di grassi di origine animale, necessari ad ottenere 5.7 miliardi di litri di Biodiesel.
Il grasso animale genera un carburante caratterizzato da dei rendimenti inferiori a quelli normalmente ottenuti dall’impiego degli olii vergini, però al contempo porterebbe ad una maggiore riduzione delle emissioni atmosferiche (in particolare degli ossidi dell’azoto).
Le alghe costituiscono la nuova frontiera per la produzione del Biodiesel, tanto che questa risorsa è in grado di fornire un quantitativo di olio molto maggiore rispetto a quello ottenibile con le materie prime finora analizzate.
Il primo studio serio a riguardo è stato realizzato da dei ricercatori del NREL, che tra il 1976 ed il 1998, diedero via ad un programma di ricerca, nel deserto del New Mexico a Roswell, atto a valutare la potenzialità di questi organismi nella produzione di Biodiesel.
L’obiettivo principale della ricerca, in dettaglio, era quello di produrre biocarburante dalle alghe coltivate in degli appositi bacini salini utilizzando come input energetico l’anidride carbonica di scarto degl’impianti alimentati a carbone.
Grazie a delle grandi vasche, dall’estensione aerale di 1000 m2, venivano ogni giorno raccolti all’incirca 50 grammi di prodotto al m2. Ogni vasca, pertanto, possedeva una potenzialità produttiva di 50 kg al giorno, mentre ciascun organismo aveva una produttività potenziale annua nell’ordine dei 5,475 kg di olio.
Altri ricercatori ritengono che un acro di alghe (pari a 0.4 ettari) possa produrre un volume di olio compreso in un range che va da 1,893 a 75,708 L annui. L’ampiezza di questo range dimostra come su questo argomento ci siano ancora dei pareri molto discordanti, che non differiscono, al contrario, sull’enorme possibilità delle alghe nella produzione di Biodiesel.
6.4 – I Bilanci Energetici
In questa parte verranno analizzati, come già fatto in precedenza per il Bioetanolo, i bilanci energetici complessivi (fase di coltivazione e di processo) per la produzione di Biodiesel da due coltivazione oleose:
la soia;
il girasole.
In questo modo potremo valutare se il Biodiesel prodotto da queste materie è energeticamente favorevole, individuando i punti di forza e di debolezza dell’intero processo produttivo.
6.4.1 – La Soia
La soia è la coltivazione di riferimento per il Biodiesel Statunitense, contiene all’incirca il 18-20 % (in peso) di olio, il 40 % di proteine ed il 17 % di cellulosa. La porzione rimanente è costituita da zuccheri, fibre ed altro.
Negli Stati Uniti sono quasi 300,000 gli ettari che ogni anno vengono destinati alla coltivazione della soia, che fanno si che gli USA siano i principali produttori a livello mondiale.
Nella tabelle seguenti vengono riportati gli input energetici per l’intero ciclo produttivo.
Un aspetto non secondario legato alla coltivazione della soia riguarda le richieste di fertilizzanti azotati, che dalle quantità applicate possiamo notare che sono molto basse rispetto ad altre colture finora analizzate (ad esempio il mais). Questo fa si che, essendo molto costosa da un punto di vista energetico la produzione di fertilizzanti azotati, si risparmino diversi GJ per ettaro di terreno coltivato.
Tabella 34 – Input Energetici per ettaro di terreno per la fase di farming della soia (Fonte:
Pimentel et al., 2005).
Input Quantità Energia Costo
GJ € Macchinari a, b) 20 kg 1.51 95.50 Diesel 38.8 L 1.85 13.02 Benzina 35.7 L 1.13 8.62 Gas LP 3.3 L 0.10 0.77 Azoto c, e) 3.7 kg 0.25 1.48 Fosforo c) 37.8 kg 0.65 15.12 Potassio d) 14.8 kg 0.20 2.96 CaO b, f) 4,800 kg 5.64 71.22 Semi g, h) 69.3 kg 2.32 31.35 Erbicidi d) 1.3 kg 0.54 16.78 Elettricità b) 10 kWh 0.12 0.45 Trasporto i) 154 kg 0.17 29.81 Totale (I1) 2,688 kg di soia 14.48 287.08
a) Si considera un tempo medio di vita di 10 anni. I trattori hanno un peso dalle 6 alle 7 tonnellate,
i macchinari per la raccolta di 10 tonnellate. b) Pimentel, 1996. c) College di Agri., Consumer and Environ. Sciences, 1997. d) Economic Research Statistics, 1997. e) Patzek, 2004. f) Kassel e Tidman, 1999; Mansfield, 2004; Randall e Vetsch, 2004. g) Ali e McBride, 1990. h) Pimentel et al., 2002. i) La voce trasporto comprende lo spostamento di macchinari, carburante, semi, fertilizzanti per circa 1,000 km.
I dati per la fase di conversione sono riferiti alla produzione finale di 1,000 L di Biodiesel. Per poter produrre questo quantitativo di carburante sono necessari quasi due ettari di terreno, in quanto occorrono 5,566 kg di soia. Per questo motivo la spesa energetica totale della fase di farming della soia, nel bilancio energetico totale deve essere moltiplicata per un fattore uguale a due.
Tabella 35 – Input Energetici per la fase di conversione della soia in Biodiesel (Fonte: Pimentel et
al., 2005).
a) Singh, 1986. b) Slesser e Lewis, 1979.
Gli input totali per la produzione di 1,000 L di Biodiesel ammonteranno a: ITOT = I1 + I2 = [(14.48 × 2) + 15.1] GJ = 44.06 GJ
L’output totale sarà legato al potere calorifico del Biodiesel che vale 37. 66 MJ/L: OTOT = 1,000 L × 37.66 MJ/L = 37.66 GJ
Il saldo totale, come si può ben notare, è negativo, e il rapporto output/input evidenzia ulteriormente come il Biodiesel sia prodotto al termine di un processo energeticamente sfavorevole.
RO/I = 37.66/44.06 = 0.85
6.4.2 – Il Girasole
Il girasole è la risorsa prima per la produzione di Biodiesel in Europa, dove viene utilizzato in Francia, Spagna ed in parte anche in Italia. La superficie dedicata in tutta il continente europeo (EU25) alla coltivazione del girasole è
Input Quantità Energia Costo
GJ € Elettricità a) 270 kWh 2.92 12.20 Vapore a) - 5.65 7.14 Pulizia Acqua a) - 0.67 0.85 Calore a) - 2.48 3.13 Perdite a) - 1.25 1.59 Equipaggiamento b) 88 kg 2.13 36.24 Totale (I2) 1,000 L di Biodiesel 15.1 61.15
abbastanza grande, ed è nell’ordine dei 2,1 milioni di acri.
Le tabelle seguenti riassumono la situazione energetica del ciclo produttivo.
Tabella 36 – Input Energetici per ettaro di terreno per la fase di farming del girasole (Fonte:
Pimentel et al., 2005).
Input Quantità Energia Costo
GJ € Macchinari a, b) 20 kg 1,50 95.50 Diesel 180 L 7.53 60.41 Azoto c) 110 kg 7.36 43.93 Fosforo c) 71 kg 1.23 28.41 Potassio c) 100 kg 1.35 22.01 CaO b, c) 1,000 kg 1.17 14.84 Semi d) 70 kg 2.34 31.66 Erbicidi c) 3 kg 1.25 38.71 Elettricità a) 10 kWh 0.12 0.45 Trasporto e) 270 kg 0.28 52.26 Totale (I1) 1,500 kg di girasoli 24.13 388.18
a) Si considera un tempo medio di vita di 10 anni. I trattori hanno un peso dalle 6 alle 7 tonnellate,
i macchinari per la raccolta di 10 tonnellate. b) Pimentel, 1996. c) Blamey, Zollinger e Schneitner, 1997. d) Knowles e Bukantis, 1980. e) La voce trasporto comprende lo spostamento di macchinari, carburante, semi, fertilizzanti per circa 1,000 km.
Per ottenere 1,000 l di Biodiesel servono 3,920 kg di girasole, quindi nel calcolo del bilancio energetico totale, l’input della fase di coltivazione dovrà essere moltiplicato per un fattore uguale a 2.61 (3,920/1,500).
Tabella 37 – Input Energetici per la fase di conversione del girasole in Biodiesel (Fonte: Pimentel
et al., 2005).
a) Singh, 1986. b) Slesser e Lewis, 1979.
Si nota come la fase di conversione del girasole in Biodiesel abbia lo stesso costo, da un punto di vista energetico, della fase di conversione della soia.
Gli input totali saranno di:
ITOT = I1 + I2 = [(24.13 × 2.61) + 15.1] GJ = 78.07 GJ
Assumendo uguale al Biodiesel ottenuto dalla soia il potere calorifico del Biodiesel da girasole, il valore corrispondente dell’output sarà:
OTOT = 1,000 L × 37.66 MJ/L = 37.66 GJ
Possiamo ora calcolare, in conclusione, il rapporto output/input: RO/I = 37.66/78.07 = 0.48
Quindi il girasole tra tutte le materie prime analizzate finora per la produzione di biocombustibili (Bioetanolo e Biodiesel) è sicuramente la risorsa più sfavorevole dal punto di vista energetici, in quanto possiede circa la metà dell’energia che è necessaria per produrlo e trattarlo.
Arrivati a questo punto abbiamo a disposizione un quadro complessivo dei biocombustibili, da un punto di vista energetico, differenziato in base alla materia prima che è stata impiegata per la produzione, e in base al processo di raffinazione
Input Quantità Energia Costo
GJ € Elettricità a) 270 kWh 2.92 12.20 Vapore a) - 5.65 7.14 Pulizia Acqua a) - 0.67 0.85 Calore a) - 2.48 3.13 Perdite a) - 1.25 1.59 Equipaggiamento b) 88 kg 2.13 36.24 Totale (I2) 1,000 L di Biodiesel 15.1 61.15
impiegato (soprattutto nel settore del Bioetanolo).
La tabella successiva riassume quanto detto finora, permettendo di individuare le risorse migliore e quelle che hanno delle grandi potenzialità
a) E’ il valore degli input totali (farming + processo). b) Differenza numerica tra output ed input.
Il Bioetanolo che si ottiene dalla canna da zucchero è l’unico tipo di biocombustibile che possiede sia un rapporto output/input maggiore dell’unità, che un valore dei crediti energetici positivo, a testimoniare la grande efficienza energetica e potenzialità di questa risorsa.
6.5 – La Riduzione delle Emissioni Atmosferiche
Analogamente al Bioetanolo l’impiego del Biodiesel, sia puro che in miscele, permette di abbattere l’emissioni di gas serra, espressi sempre come equivalenti di CO2.
Prenderemo in considerazione la riduzione delle emissioni di due miscele: la B100 e la B20, tenendo conto che la miscela più impiegata è la B20, in quanto non richiede nessun tipo di modifica nei motori, rispetto ad una miscela pura di Biodiesel.
La figura seguente permette di quantificare la riduzione percentuale, nelle emissioni atmosferiche di inquinanti, in base alla miscela di Biodiesel impiegata.
Carburante Input a) Output RO/I Crediti
Energetici b) GJ EtOH Mais 81.82 76.09 0.93 - 5.73 EtOH Canna da Zucchero 15.93 145.49 9.13 129.56
EtOH Panico Verga 124.62 93.43 0.75 - 31.19 EtOH Residui Legnosi 33.7 23.37 0.69 - 10.33 Biodiesel Soia 44.06 37.66 0.85 - 6.4 Biodiesel Girasole 78.07 37.66 0.48 - 40.41
Figura 25 – Riduzione delle emissioni di inquinanti atmosferici per le miscele di Biodiesel (Fonte:
EPA, 2002).
Dal grafico possiamo notare che per la maggior parte dei composti inquinanti considerati, fatta eccezione per gli ossidi dell’azoto, si ha una riduzione piuttosto importante delle loro emissioni con un andamento direttamente proporzionale alla purezza della miscela considerata.
Nonostante il Biodiesel non contenga azoto, si nota un aumento delle emissioni degli ossidi dovuto sia all’alto numero di cetani presenti che all’elevato contenuto di ossigeno, che una volta in atmosfera trasforma facilmente l’azoto atmosferico nel corrispondente composto ossidato.
Considerando come miscele la B20 ed il Biodiesel puro, le riduzioni nelle emissioni per i principali inquinanti atmosferici possono essere così riassunte:
B 2 0 N Ox + 2 % B100 NOx + 10 %
PM e CO - 12 % PM e CO - 48 %
HC - 20 % HC - 66 %
Questi dati rappresentano le riduzioni delle emissioni prodotte dal traffico veicolare quando viene impiegata una miscela a base di Biodiesel, rispetto alle
emissioni che si otterrebbero impiegando un ugual volume di gasolio.
Per quanto riguarda invece la riduzione delle emissioni di GHG (equivalenti di CO2), per l’intero ciclo produttivo, si ottiene un abbattimento netto delle emissioni nell’ordine del 41 %.
La figura seguente riassume graficamente le riduzioni delle emissioni di GHG nel ciclo produttivo del Biodiesel rispetto al diesel di origine fossile.
Petrodiesel Biodiesel 0 20 40 60 80 100 g CO2 eq/MJ Riduzione del 41 %
N.B. I valori sull’asse delle ordinate sono i grammi di
