Bioenergia

Rudolf Diesel sviluppò il suo motore ad accensione per compressione negli anni 1890, con il primo modello funzionante completato nel 1897. All'Esposizione di Parigi del 1900, un piccolo motore Diesel costruito dalla compagnia francese Otto fu mostrato in funzione con olio di arachidi su richiesta del governo francese. Il motore era stato progettato per oli normali, ma funzionava con olio vegetale senza modifiche.

La biomassa e i biocarburanti possono essere conservati a lungo e usati ogni volta che serve energia, dando ai Paesi sicurezza energetica tutto l'anno. Però, dipende dal tipo di biocarburante, e ci sono eccezioni. La durata di conservazione varia molto in base al carburante, alla formulazione e alle condizioni di stoccaggio, e alcuni biocarburanti sono molto meno stabili di altri ^{[58-64,66,68]}.

Per esempio, il pellet di legno e altre biomasse solide risentono particolarmente di umidità, temperatura, ventilazione e movimentazione. Condizioni scarse possono causare degradazione biologica, perdita di contenuto energetico o autoriscaldamento, mentre uno stoccaggio asciutto e ben ventilato può preservarne la qualità ^[60,61].

Un biocarburante a lunga conservazione come l'HVO (olio vegetale idrotrattato) è molto resistente all'ossidazione e, secondo i fornitori, può durare circa 10 anni prima di degradarsi, se si mantengono condizioni di stoccaggio adeguate ^A. Anche ricerche indipendenti confermano la stabilità relativamente alta dell'HVO, anche quando viene aggiunto a miscele di biodiesel - diesel ^[64]. La stabilità del biodiesel FAME (esteri metilici degli acidi grassi) dipende molto dalla sua composizione di acidi grassi: i FAME saturi sono in genere più stabili e durano più a lungo dei FAME insaturi, a seconda dei rifiuti usati per crearli. Quindi, la materia prima originale usata per creare il biocarburante può influire molto sulla durata di conservazione ^[62,63].

Anche se il biodiesel è facilmente biodegradabile, il deterioramento durante lo stoccaggio è causato soprattutto da ossidazione e contaminazione, più che dalla biodegradabilità stessa. Calore ed esposizione ad aria, luce, acqua o certi metalli possono accelerare la degradazione, mentre antiossidanti e condizioni di stoccaggio adatte possono rallentarla ^[58,62,63]. Uno studio riporta che il biodiesel ha una durata di conservazione di 6 mesi prima che inizi a degradarsi, e dopo un anno potrebbe non essere più adatto all'uso diretto nei motori ^[58,59].

Creare miscele di biocarburanti (per esempio mescolando biodiesel FAME con diesel fossile o HVO) può migliorare la stabilità, allungare i tempi di stoccaggio e mantenere la loro efficacia come carburante drop-in per motori standard, anche se il risultato dipende dai carburanti e dalle proporzioni coinvolte ^{[58,59,62,64]}.

I nano-biodiesel formulati appositamente sono migliorati con nanoparticelle che riducono la vulnerabilità all'ossidazione, e quindi possono restare stabili molto più a lungo ^[59]. Possono anche migliorare la combustione del carburante e l'efficienza energetica, riducendo al tempo stesso alcuni inquinanti. Però, i loro effetti dipendono dal materiale, dalla concentrazione, dal carburante e dal motore, e alcune formulazioni possono aumentare le emissioni di ossidi di azoto ^B.

I biocarburanti hanno una durata di conservazione più breve rispetto ai normali combustibili fossili (ma l'HVO è una notevole eccezione). Eppure, possono ancora aiutare a risolvere il problema dell'intermittenza creato dall'energia eolica/solare: anche i biocarburanti conservati per mesi invece che anni possono fornire energia di riserva subito disponibile e sicurezza energetica nei periodi di scarsa produzione eolica o solare, purché siano disponibili scorte e attrezzature sufficienti ^[23,66,68]. Dove le materie prime e le catene di fornitura sono gestite in modo sostenibile, possono contribuire alla neutralità carbonica e a sforzi più ampi per ridurre le emissioni ^{[19-22,72-76]}.

^A Come conservare il carburante HVO per durata e sicurezza | Vectec

^B Applicazioni della nanotecnologia nella combustione del biodiesel e nelle fasi post-combustione | Renewable and Sustainable Energy Reviews

La bioenergia non è automaticamente a zero emissioni nette di carbonio. Il suo impatto sul clima dipende dalla materia prima, dalla ricrescita, da cosa sarebbe altrimenti successo al terreno o al materiale, dalle emissioni della filiera e dal tempo necessario per riassorbire la CO₂ rilasciata. Le filiere basate su rifiuti e residui possono avere emissioni relativamente basse, mentre il cambiamento nell'uso del suolo o il taglio di foreste che ricrescono lentamente può creare un debito di carbonio che dura anni o decenni.

Vedi: Contabilità del carbonio per biocarburanti sostenibili - Analisi | IEA

In Brasile, milioni di ettari di foresta pluviale, savana e altri ecosistemi nativi sono stati disboscati per scopi agricoli, compresa la produzione di soia e canna da zucchero.

Trase ha collegato il raccolto di soia brasiliano del 2020 a 562.000 ettari - 5.620 chilometri quadrati - di recente deforestazione e conversione della vegetazione nativa. Questo includeva circa 76.400 ettari in Amazzonia e 23.600 ettari nella Foresta Atlantica, anche se la maggior parte si è verificata nel Cerrado e nelle Pampas. Il bioma del Cerrado, un'area chiave per la soia e la canna da zucchero, ha subito una conversione del territorio particolarmente estesa ^[82,83]. Questi dati collegano la produzione di soia brasiliana a una conversione del territorio misurata in migliaia di chilometri quadrati, comprese vaste aree di foresta pluviale.

Sia la soia sia la canna da zucchero sono legate all'industria brasiliana dei biocarburanti ^[78,80,81]. Circa metà della canna da zucchero brasiliana viene trasformata in etanolo ^C. La soia viene coltivata soprattutto per i mangimi animali, ma produce olio di soia come sottoprodotto, che fornisce circa il 70% del biodiesel del Paese ^D. In tutto il Sud America, l'area coltivata a soia è più che raddoppiata, passando da 26,4 milioni di ettari nel 2000 a 55,1 milioni di ettari nel 2019 ^[82]. L'espansione di queste colture può causare deforestazione direttamente, quando sostituiscono la vegetazione nativa, o indirettamente, quando l'espansione su terreni agricoli esistenti sposta il pascolo del bestiame o altre attività in aree appena disboscate ^[78-82,84].

La deforestazione legata alla soia in Brasile è molto maggiore del disboscamento diretto per la canna da zucchero ^[80-83]. Dal 2009, la politica di zonizzazione agroecologica della canna da zucchero (ZAE Cana) ha limitato l'espansione della canna da zucchero in biomi critici come Amazzonia e Pantanal (anche se la politica è stata abrogata nel 2019, aumentando le preoccupazioni per la deforestazione) ^[81]. La coltivazione della canna da zucchero si è quindi storicamente concentrata nelle regioni centrali e meridionali fuori dall'Amazzonia, spesso su terreni agricoli esistenti, pascoli degradati o nel Cerrado. Il suo contributo diretto alla perdita della foresta pluviale amazzonica è quindi molto minore rispetto a quello dell'allevamento o della soia. Tuttavia, la sua espansione nel Cerrado o sui pascoli può sostituire la vegetazione nativa o spostare altre attività agricole, contribuendo a pressioni più ampie sulla deforestazione ^[78,80,81]. Infatti, uno studio di modellizzazione del 2010 ha previsto che l'espansione dell'etanolo da canna da zucchero avrebbe potuto contribuire indirettamente a circa 50.000 km² (5 milioni di ettari) di deforestazione entro il 2020, soprattutto spostando i pascoli per il bestiame verso aree boscate ^[85].

La domanda di biocarburanti può quindi contribuire alla deforestazione aumentando la domanda di etanolo da canna da zucchero e olio di soia per il biodiesel. Tuttavia, l'intera area interessata non può essere attribuita nello specifico ai biocarburanti: la soia fornisce anche mangimi animali e prodotti alimentari, la canna da zucchero fornisce anche zucchero, e gran parte della vegetazione convertita è savana o prateria anziché foresta pluviale. Tuttavia, vista la scala della conversione legata alla soia e gli effetti diretti e indiretti associati a entrambe le colture, resta una ragionevole stima dell'ordine di grandezza che migliaia di chilometri quadrati di foresta pluviale brasiliana siano stati disboscati in parte per fornire colture per biocarburanti, anche se non si tratta di un totale preciso relativo solo ai biocarburanti ^[78-84].

^C Ripartizione della canna da zucchero brasiliana tra zucchero ed etanolo | Reuters

^D Circa il 70% del biodiesel brasiliano viene dalla soia | Reuters

Ulteriori letture:

In Brasile, la corsa alla canna da zucchero pone una nuova minaccia alla foresta pluviale amazzonica | Sierra Club

La crescita della canna da zucchero in Brasile può soddisfare il fabbisogno di biocarburanti e non causare deforestazione: studio | Mongabay

CORREZIONE: Si prevede che circa il 55% degli impegni e accordi di fornitura di SAF annunciati pubblicamente dalle compagnie aeree europee provenga da oli e grassi usati, compresi grassi animali, oli da cucina usati e altri oli di scarto. Questo descrive accordi e contratti previsti, non carburante già in uso come affermato nel video.

Il BECCS può produrre emissioni nette negative solo quando la ricrescita della biomassa rimuove davvero CO₂ dall'atmosfera e ne viene immagazzinata in modo permanente più di quanta ne venga rilasciata nell'intero processo. In realtà, questo dipende da più fattori delle emissioni prodotte nell'impianto di bioenergia. Dipende anche dalle emissioni della catena di approvvigionamento e dell'uso del suolo, e dai bilanci di carbonio a lungo termine. Questo include il carbonio perso da vegetazione e suoli; il tempo necessario alla biomassa per ricrescere; le emissioni da coltivazione e fertilizzanti, raccolta, lavorazione, trasporto; l'energia usata per catturare, comprimere e iniettare la CO₂, e qualsiasi CO₂ che il sistema di cattura non raccoglie. Devono essere inclusi anche altri gas serra, come metano e protossido di azoto. Il bilancio finale dipende quindi dalla materia prima, dalla gestione del territorio, dal tasso di cattura, dalle fonti energetiche e dal periodo di tempo considerato ^{[72-76,97-102,118-121]}.

Per lo stoccaggio a lungo termine, la CO₂ catturata viene normalmente compressa e iniettata in formazioni rocciose profonde e porose, come formazioni di acqua salata o giacimenti di petrolio e gas esauriti. In realtà, la CO₂ occupa minuscoli spazi nella roccia invece di riempire semplicemente una grande caverna sotterranea o un pozzo minerario. Un'attenta scelta del sito, pozzi sicuri, gestione della pressione, monitoraggio e supervisione a lungo termine sono essenziali per mantenerla confinata ^{[118,127,128]}.

La principale preoccupazione sulle perdite è che la CO₂ catturata fuoriesca durante il trasporto o l'iniezione, o più tardi attraverso faglie, fratture o pozzi danneggiati o sigillati male. Le prove in [125-128] riguardano in gran parte possibili vie di perdita, esperimenti controllati, modellazione e valutazione del rischio; non indicano che le perdite siano comuni nei siti commerciali di stoccaggio ben gestiti. Si prevede che le formazioni geologiche scelte e monitorate correttamente trattengano quasi tutta la CO₂ iniettata per periodi molto lunghi, anche se il rischio non può essere considerato zero. Qualsiasi CO₂ che fuoriesce deve essere sottratta dal totale dichiarato come rimosso dall'atmosfera e affrontata con monitoraggio continuo e interventi correttivi.

Le microalghe possono essere coltivate in stagni aperti o fotobioreattori chiusi su terreni non coltivabili, degradati, salini o comunque di scarso valore, evitando la concorrenza diretta con le colture alimentari tradizionali. I siti adatti richiedono comunque abbastanza luce, acqua, nutrienti e CO₂, mentre la quantità di terreno necessaria dipende dalla specie di alghe, dal clima locale e dal sistema di coltivazione. Poiché le alghe crescono rapidamente e possono produrre più carburante per unità di terreno rispetto alle colture tradizionali per biocarburanti, il loro fabbisogno complessivo di terreno può essere molto più basso ^[129-134].

Le alghe marine non richiedono né terreni agricoli né acqua dolce. Le coltivazioni di alghe marine possono creare habitat temporanei per pesci e invertebrati, assorbire i nutrienti in eccesso, aumentare i livelli locali di ossigeno e pH e ridurre l'energia delle onde. I benefici per la biodiversità dipendono dalle specie coltivate, dalle dimensioni e dalla disposizione dell'impianto, dal movimento dell'acqua, dalla posizione e dalle pratiche di raccolta. Una scelta attenta del sito può massimizzare questi benefici evitando danni agli habitat esistenti, come le praterie di fanerogame marine, o l'introduzione di specie non autoctone ^[135-140].

Le celle a combustibile microbiche usano i batteri per scomporre la materia organica nelle acque reflue e trasferire gli elettroni rilasciati a un elettrodo, creando una corrente elettrica. Rimuovere questa materia organica aiuta a pulire le acque reflue, anche se le MFC di solito non svolgono da sole tutte le fasi del trattamento: potrebbe comunque servire un ulteriore trattamento per rimuovere il materiale organico rimasto, i nutrienti e gli agenti patogeni ^[141-144].

In realtà, il loro principale vantaggio economico potrebbe derivare dal ridurre l'elettricità necessaria per il trattamento, più che dal generare grandi quantità di energia in eccesso da usare altrove. Il trattamento convenzionale delle acque reflue usa molta energia per pompare ossigeno nell'acqua. Le MFC possono ridurre in parte questa aerazione recuperando una piccola quantità dell'energia chimica delle acque reflue sotto forma di elettricità, riducendo potenzialmente il fabbisogno energetico complessivo dell'impianto. Insieme, questi vantaggi potrebbero alla fine rendere il trattamento delle acque reflue più economico. Per ora, però, gli alti costi di costruzione e dei materiali fanno sì che questo non sia ancora stato dimostrato con costanza su scala commerciale ^[141-143].

Arrivare a quel punto potrebbe non richiedere alle MFC di massimizzare la produzione di elettricità. In altre parole, il sistema che produce più elettricità non è necessariamente il sistema di trattamento più economico. Uno studio tecno-economico ha rilevato che materiali per elettrodi meno costosi potrebbero offrire un trattamento delle acque reflue più conveniente nonostante producano meno elettricità ^E. Questo suggerisce che lo sviluppo pratico delle MFC potrebbe trarre vantaggio dal dare priorità a un trattamento accessibile rispetto alla massima produzione elettrica.

Tuttavia, la produzione di elettricità resta bassa, soprattutto man mano che le acque reflue diventano più pulite e rimane meno materiale organico da consumare per i batteri. I sistemi più grandi devono anche superare i costi di elettrodi e membrane, lo sporcamento, le prestazioni non uniformi e l'affidabilità nel lungo periodo. Uno studio pilota da 1.000 litri ha dimostrato che la tecnologia può funzionare con vere acque reflue urbane, ma ha ottenuto un trattamento parziale e una modesta produzione di elettricità. Per ora, quindi, le MFC restano soprattutto un metodo sperimentale per unire il trattamento delle acque reflue al recupero di energia su piccola scala, piuttosto che una grande fonte di elettricità ^[141-144].

^E Sacrificare potenza per un trattamento più conveniente: un approccio tecno-economico per progettare celle a combustibile microbiche | Chemosphere