BIODIESEL. - Qualità del carburante, specifiche e proprietà

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1 BIODIESEL E' un carburante ottenuto da fonti rinnovabili quali olii vegetali e grassi animali, analogo al gasolio derivato dal petrolio. Contrariamente a quanto si crede comunemente, il biodiesel non è un olio vegetale puro e semplice, come ad esempio l'olio di colza, bensì il risultato di un processo chimico ( transesterificazione con alcol metilico ) a partire da questi o altri componenti biologici. - Qualità del carburante, specifiche e proprietà Il biodiesel è un biocombustibile liquido, trasparente e di colore ambrato, ottenuto interamente da olio vegetale (colza, girasole o altri). Il Biodiesel ha una viscosità simile a quella del gasolio per autotrazione ottenuto per distillazione frazionata del petrolio grezzo. Al biodiesel puro viene assegnata la sigla BD100, alle miscele un numero corrispondente alla percentuale di biodiesel contenuto (ad esempio, BD20 per un gasolio tagliato al 20% con biodiesel). Negli Stati Uniti la siglatura è simile, ma senza la D (B100, B20, B50, eccetera.). Le specifiche internazionali standard per il biodiesel sono fissate nella norma ISO 14214; gli Stati Uniti fanno riferimento inoltre alla specifica ASTM D 6751; la Germania ad una apposita specifica DIN che identifica tre tipi di biodiesel. Le specifiche fissano alcuni punti importanti nei processi di produzione del biodiesel: - completezza della reazione - rimozione del glicerolo - rimozione del catalizzatore - rimozione degli alcoli - assenza di acidi grassi liberi La conformità a queste caratteristiche viene generalmente verificata tramite gascromatografia. Il carburante ottenuto secondo questi standard qualitativi risulta molto poco tossico; la dose letale LD 50 è maggiore di 50 ml/kg, ben dieci volte superiore a quella del sale da cucina. Il punto di fusione del biodiesel è influenzato dalla natura e dalla quantità di esteri che contiene. La maggior parte di esso tuttavia, compreso quello ottenuto dall'olio di soia, ha un punto di fusione superiore a quello del gasolio; questo rende

2 necessario il riscaldamento dei serbatoi di stoccaggio, soprattutto nelle zone a clima rigido. Il biodiesel ha un numero di cetano superiore a quello del gasolio, si incendia quindi più facilmente quando viene iniettato nel motore. Il biodiesel, rispetto al gasolio, non è esplosivo, con un flash point posto a 150 C per il biodiesel rispetto ai 64 C del gasolio. Contrariamente al gasolio, è biodegradabile e non tossico, e riduce significativamente le emissioni tossiche quando viene bruciato come carburante. - Impatto ambientale. Dal punto di vista ambientale, il biodiesel presenta alcune differenze rispetto al gasolio: - riduce le emissioni nette di ossido di carbonio (CO) del 50% circa e di anidride carbonica del 78,45% perché il carbonio delle sue emissioni è quello che era già presente nell'atmosfera e che la pianta ha fissato durante la sua crescita e non, come nel caso del gasolio, carbonio che era rimasto intrappolato in tempi remoti nella crosta terrestre. - praticamente non contiene idrocarburi aromatici; le emissioni di idrocarburi aromatici polinucleati (benzopireni) sono ridotti fino ad un massimo del 71%. - non ha emissioni di diossido di zolfo (SO 2 ), dato che non contiene zolfo. - riduce l'emissione di polveri sottili fino ad un massimo del 65%. - produce più emissioni di ossidi di azoto ( NO x ) del gasolio; inconveniente che può essere contenuto riprogettando i motori diesel e dotando gli scarichi di appositi catalizzatori. - Oli base. Una varietà di biolipidi può essere usata per produrre il biodiesel. Tra questi troviamo: - Oli vegetali vergini: l'olio di colza o di soia è quello più comunemente usato, anche se altre coltivazioni, come senape, olio di palma e alghe, sono promettenti; - Olio vegetale di scarto; - Grassi animali.

3 Molti sostenitori suggeriscono che l'olio vegetale di scarto sia la miglior fonte di olio per la produzione del biodiesel. Comunque, le forniture disponibili sono decisamente meno della quantità di carburante derivato dal petrolio che viene bruciato per i trasporti e il riscaldamento domestico in tutto il mondo. Secondo l' Environmental Protection Agency (EPA) degli Stati Uniti, i ristoranti degli USA producono circa 13.6 milioni di litri (3 milioni di galloni) di olio da cucina di scarto all'anno mentre ad esempio in Italia si consumano annualmente 39 miliardi di litri di gasolio e benzina. Anche se è economicamente vantaggioso usare gli oli vegetali di scarto per produrre il biodiesel, è ancor più profittevole utilizzarli per convertirli in prodotti come il sapone. Perciò, la gran parte degli oli vegetali di scarto non viene gettato in discarica, ma usato per altri scopi. I grassi animali hanno limitazioni simili nella disponibilità, e non sarebbe efficiente allevare animali solo per il loro grasso. Comunque, produrre biodiesel con grassi animali che altrimenti verrebbero scartati potrebbe sostituire una piccola percentuale del diesel di petrolio. Per avere una fonte veramente rinnovabile di olio, dovrebbero essere considerate coltivazioni apposite. Le piante utilizzano la fotosintesi per convertire parte dell'energia del sole in energia chimica. Parte di questa energia chimica viene immagazzinata nel biodiesel e rilasciata quando bruciata. Ne risulta che le piante potrebbero fornire una fonte sostenibile per la produzione di biodiesel. Ecco una stima della produzione media di alcune piante (in metri cubi per chilometro quadrato): - Soia: da 40 a 50 - Senape: Colza: da 100 a Olio di Palma: Alghe: da 10,000 a 20,000 La coltivazione di alghe unicellulari per estrarre olio per biodiesel non è stata ancora intrapresa commercialmente, ma studi condotti per stimarne l'efficacia sono arrivati ai numeri preindicati. Varietà specialmente selezionate di sènape possono produrre quantità di olio ragionevolmente elevate, e hanno il valore aggiunto di poter utilizzare alcuni scarti della produzione come un pesticida biodegradabile. Ci sono filoni di ricerca per trovare coltivazioni con una rendita di olio più elevata, ma con le tecniche attuali vaste aree di terreno dovrebbero essere messe in produzione per ottenere abbastanza olio con cui sostituire l'utilizzo attuale dei combustibili fossili, entrando in competizione con le coltivazioni alimentari o comunque esponendo ulteriori aree di terreno all'erosione e al rischio di desertificazione. I baccelli di soia non sono una fonte efficiente per la produzione di biodiesel, ma, dato che negli Stati Uniti c'è ampia disponibilità di soia, che viene usata per usi alimentari anche dopo l'estrazione dell'olio, la soia è diventata la fonte primaria di biodiesel. - Efficienza ed economia. Attualmente i costi di produzione del biodiesel ne rendono talvolta competitivo il prezzo rispetto al gasolio, ma l'attuale produzione mondiale di grassi animali e oli vegetali necessari per produrlo non è sufficiente a rimpiazzare i combustibili fossili, se non in piccola parte. Alcuni gruppi ambientalisti paventano un massiccio aumento dell'uso di pesticidi ed uno sfruttamento incontrollato del suolo per far fronte all'aumentata richiesta di oli vegetali da destinare alla produzione del biodiesel. In Italia si parla di produzioni medie di biodiesel da colza e girasole

4 pari a 966 litri per ettaro (850 Kg/ha). In USA di 1029 litri per ettaro. Oltre alla valutazione del bilancio energetico per l'intero ciclo di vita del prodotto, dalla semina alla combustione, è rilevante notare che il rendimento termodinamico teorico ed effettivo dei biocombustibili è inferiore a quello del diesel e pure della benzina tradizionale. In altre parole, un litro di biocombustibile è ben lontano dai 16 km/litro che è possibile fare con il diesel normale. Sempre utilizzando un motore diesel, a parità quindi, di dispersioni in calore e percentuale di potenza trasmessa alle ruote, la potenza erogata dalla combustione di un litro di biocombustibile è minore di quella prodotta altrove. Il potere calorifico del biocombustibile è inferiore. Se sono inferiori le emissioni inquinanti per litro, è pur vero che per avere stessa velocità e prestazioni, servono una quantità maggiore di biocombustibile. Il metano presenta un costo inferiore e una resa energetica decisamente più alta (è usato per il turbogas e la cogenerazione), mentre le emissioni inquinanti sono paragonabili. - E.R.O.E.I. Per valutare se il dispendio energetico per produrre un litro di biodiesel abbia senso (cioè se venga consumato meno di un litro di carburante per produrre un litro di biodiesel), occorre rifarsi a concetti come l' EROEI. EROEI è un acronimo inglese che sta per Energy Returned On Energy Invested (o Energy Return On Energy Investment), ovvero "energia ricavata su energia consumata"; tale parametro indica precisamente la resa energetica, un rapporto tra l'energia ottenibile da un prodotto e l'energia spesa per la sua lavorazione. Un processo è energeticamente conveniente se presenta un valore di EROEI maggiore di 1; se il suo valore è minore di 1 vuol dire che si spende più energia di quanta se ne possa ricavare. In alcuni casi l'energia restituita, anche se minore di quella impiegata, può offrire particolari utilità. Con questo ausilio teorico è possibile comparare efficacemente processi diversissimi fra loro, quasi ogni attività umana: dalla semplice legna da ardere alle componenti di un pannello solare, che richiedono un considerevole investimento in energia congelata per la loro produzione, e si rivela fondamentale nell'operare una scelta fra le diverse fonti energetiche. Si noti anche che l'eroei si ottiene dal rapporto di quantità di energia messe in gioco anche in tempi diversi. Spesso per l'eroei non viene indicato un solo valore ma una forbice fra due estremi: questo perché ogni processo è soggetto ad imprevisti, costi collaterali o esternalizzati ed evoluzioni tecnologiche. Bisogna infine ricordare che si tratta di una stima, la cui verifica sarà possibile solo alla fine del ciclo. Comunemente viene considerata come resa energetica (EROEI) del biodiesel un valore pari a circa 3, questo significa che dal puro punto di vista energetico con l'energia di un litro di biodiesel si ricavano dopo un anno di coltivazione tre litri di biodiesel. Esattamente non passa un anno per ottenere i tre litri di biodiesel partendo da un litro ma passa un numero di anni pari all'energy Pay Back ratio del biodiesel. Nell'EROEI non sono conteggiate le spese economiche ma sono solo computate le energie, quindi gli stipendi dei contadini non sono considerati. Un valore di resa energetica pari a 3 è un valore molto più basso dell'eroei di un impianto eolico (20-30) o quello del petrolio (10-100) ma è un valore accettabile per le coltivazioni agricole. Secondo uno studio elaborato dai dott. Van Dyne e Raymer per la Tennessee Valley Authority, la media degli agricoltori statunitensi consuma carburante in misura di 82 litri per ettaro (8.75 galloni US per acro) di terreno per la produzione di un raccolto. Ma il petrolio necessario per le coltivazioni non è limitabile a quello usato dai trattori, è per questo che si usa il concetto di EROEI in modo da comprendere l'energia per fabbricare il concime chimico, gli antiparassitari, i diserbanti, per fabbricare i trattori, ecc, ecc. Secondo lo stesso studio un raccolto standard americano di semi di colza produce olio per una media di L/ha (110 US gal/acro), mentre una coltivazione degli stessi semi a resa elevata produce circa L/ha (145,0 US gal/acro). Dalla coltivazione di piante oleaginose si ricavano molti prodotti utili e importanti (proteine, biomassa per riscaldarsi, ecc) che rendono utile la produzione di biodiesel oltre il valore del suo EROEI.

5 Nel 2005, sulla rivista Natural Resources Research, l'ecologo David Pimentel e l'ingegnere ambientale Tad W. Patzek hanno pubblicato uno studio secondo cui sia la produzione di biodiesel da soia e girasole, sia quella dell'etanolo da mais, legno ed erba, consumano di gran lunga più energia di quanta se ne possa ricavare dai combustibili, non tenendo conto né delle tasse, né dei danni ambientali. L'articolo di David e Tad trascura però la produzione dal riciclo di materiali vegetali ad esempio gli olii vegetali di scarto, gli scarti della lavorazione agricola, e via dicendo. In questo caso, il vantaggio è che lo smaltimento produce una materia prima, mentre se distrutti o stoccati rappresentano solo un costo, quindi qualunque guadagno, se pur piccolo, è meglio di nulla. Altri studi hanno esaminato il bioetanolo arrivando a definire che il valore del suo EROEI potrebbe essere pari a 7-8 nel caso migliore della canna da zucchero brasiliana. Per quanto riguarda il bioetanolo da barbabietola o da cereali non regge il confronto con quello da canna da zucchero, indicativamente il suo valore è pari a 1. Il biodiesel da olio di palma potrebbe avere EROEI migliori mentre quello delle micro alghe non è determinabile in quanto non esistono impianti che consentano il calcolo dell'eroei. Si ricorda che l'eroei viene calcolato sugli impianti esistenti. - Insufficienza delle risorse. In alcuni stati e regioni dove è stato valutato il passaggio integrale ai biocombustibili si è giunti alla conclusione che tale soluzione avrebbe richiesto enormi estensioni di territorio se si fossero scelte le coltivazioni tradizionali. Considerando solo queste ultime ed analizzando il quantitativo di biodiesel che può essere prodotto per unità di terreno coltivato, è emerso che gli Stati Uniti, nazione con una richiesta energetica pro capite tra le più elevate, non possiede abbastanza territorio coltivabile per rifornire i veicoli della propria popolazione. La Coldiretti ha pubblicato un documento in cui afferma che la resa media di biodiesel italico è di circa 850 kg per ettaro, visto che la superficie agricola utile (SAU) è di circa 13 milioni di ettari nemmeno in Italia vi è la possibilità di soddisfare il fabbisogno del parco veicoli nostrano che si aggira sui 34 milioni di mezzi. Si tenga presente che il consumo medio di un veicolo è un po' sopra la tonnellata (1000 kg) l'anno di carburante. Un ovvio compromesso sarebbe decimare il numero di veicoli italiani e utilizzare motori diesel di piccola cilindrata e veicoli leggeri, il cui consumo arriva ad essere di 2 o 3 litri per 100 km. Altri stati sviluppati o in via di sviluppo potrebbero essere in una condizione migliore, anche se molte regioni non possono permettersi di sottrarre coltivazioni alla produzione alimentare. Per i paesi del terzo mondo può avere senso l'utilizzo di sorgenti per il biodiesel che usano terreni marginali, ad es. le noci di Honge ( Pongamia pinnata altrimenti detto "faggio indiano"), pianta che cresce normalmente ai margini delle strade. Si tenga comunque presente che pro capite il terreno coltivabile è molto limitato: nel 2000 l'area coltivabile (SAU) nel mondo era pari a 0.11 ettari per persona (fonte FAO) in gran parte usati per produrre cibo. I veicoli mondiali sono secondo stime del DoE (Dipartimento dell'energia americano) 700 milioni e consumano molto gasolio e benzina (si consideri che i veicoli italiani consumano 1 tonnellata all'anno) ed è probabile che per alimentarle a biodiesel sia necessario coltivare una buona parte (percentuali a due cifre) dei 0.11 ettari pro capite a piante che alimenteranno i motori delle auto. Un tale uso delle risorse agricole comporterà la presumibile uscita dal mercato alimentare di una parte enorme della

6 popolazione mondiale e la salita dei prezzi dei terreni coltivabili. Un calcolo calorico porta a dire che mantenere i veicoli col cibo umano è dispendioso. Vengono consumate in Italia 39 miliardi di litri/anno di benzina e di gasolio per l'autotrazione, ogni grammo di olio ha 9 Calorie e un umano consuma 2500 Calorie al giorno, quindi si può eseguire un semplice calcolo calorico sulla capacità di sfamare le persone da parte del biodiesel (olio) che si potrebbe consumare in Italia. Il conteggio porta a più di 300 milioni di umani sfamabili col consumo di biodiesel dei veicoli italiani, si noti che la popolazione italiana è di quasi 60 milioni. o Efficienza dell'uso delle alghe nella produzione di biodiesel. Studi su una specie di alga con un contenuto di olio che può arrivare al 50% hanno concluso che potrebbero bastare appena km² del territorio statunitense (corrispondenti allo 0,3% del totale) per produrre il biodiesel necessario per sostituire tutto il carburante da autotrazione che viene attualmente utilizzato nel paese. Un ulteriore incoraggiamento arriva dal fatto che il terreno più adatto alla crescita delle alghe avrebbe caratteristiche di tipo desertico a forte irraggiamento solare, quindi con basso valore economico per qualunque altro utilizzo, e che si potrebbero utilizzare gli scarti agricoli e l'eccesso di CO 2 prodotto dalle industrie per velocizzare la crescita delle alghe stesse. Un recente documento di Michael Briggs del Biodiesel Group dell'università del New Hampshire, offre stime per la sostituzione di tutto il carburante per autotrazione con biobiesel, utilizzando alghe che hanno un contenuto di olio superiore al 50%. I critici affermano che non vi è alcuna sperimentazione in larga scala sulle alghe, non sono note le malattie che le affliggono quando si ha una monocoltura estesa, non si hanno i costi dell'impianto per produrre il biodiesel da alghe. Nel campo della produzione agricola intensiva non si usa più il concime naturale e si è dovuto metter mano a costose ricerche, prodotti chimici contro i parassiti e per la concimazione. I critici si chiedono se per le alghe ci saranno analoghe o nuove necessità per avere alte rese. In un documento del "National Renewable Energy Laboratory" americano si pubblicano alcuni inconvenienti delle micro alghe come il costo doppio rispetto al gasolio considerando ipotesi di produzione "aggressive", la necessità di fare gorgogliare CO 2 nelle vasche, il problema di riscaldare le vasche di coltura nel deserto durante la notte e altri problemi. Comunque la produzione di olio e quindi di biodiesel è ottima e si parla di una quantità 30 volte maggiore rispetto alle oleaginose che crescono sul suolo. Tale rapporto è una summa dei risultati raggiunti ed è stato fatto in quanto la DOE (Dipartimento dell'energia) americana ha deciso di tagliare i finanziamenti per i progetti che riguardano il biodiesel da alghe dopo 16 anni di studi per dedicare i propri fondi a ipotesi più promettenti. Una compagnia spagnola con sede in Gran Bretagna ha dichiarato di essere pronta per il 2007 a produrre in modo continuo olio da fitoplancton da trasformare in biodiesel. Non sono noti i prezzi della materia prima prodotta. La sorgente diretta del contenuto energetico del biodiesel è l'energia solare catturata dalle piante mediante la fotosintesi. L'efficienza della fotosistesi delle piante superiori si aggira sull'1% contro ad esempio una efficienza del 12% e sperimentale del 50% dei pannelli fotovoltaici, mentre il rendimento osservato negli esperimenti con le alghe unicellulari è stato attorno al 6%, e teoricamente si ritiene non possa comunque superare l'11%. - Disponibilità. Un sempre maggior numero di stazioni di servizio sta rendendo il biodiesel disponibile ai consumatori e un numero crescente di grosse compagnie di trasporto usa una percentuale di biodiesel nel loro carburante. La produzione di biodiesel, in Italia, è stata contingentata per il 2005 a tonnellate, perché il costo di fabbricazione è più alto di quello del gasolio e per renderlo competitivo viene detassato. In Italia il biodiesel non è disponibile presso le stazioni di servizio; però può essere miscelato in raffineria al gasolio (fino al 5%) per migliorarne il potere lubrificante. Il biodiesel è commercialmente disponibile nella maggior parte degli Stati produttori di olii vegetali degli Stati Uniti. Al momento è notevolmente più costoso del gasolio di origine fossile, tuttavia è ancora generalmente prodotto in quantità relativamente modeste (se confrontate con i prodotti del petrolio e con l'etanolo). Molti agricoltori che producono semi da

7 olio usano per principio una miscela di biodiesel per trattori e macchinari, allo scopo di aiutare la produzione di biodiesel e stimolare l'opinione pubblica. Di norma è più facile reperire il biodiesel nelle aree rurali piuttosto che nelle città. Allo stesso modo, alcuni imprenditori agricoli e persone generalmente connesse alla produzione di semi da olio usano il biodiesel per ragioni legate alle relazioni pubbliche. Per il 2003 negli Stati Uniti sono state concesse riduzioni fiscali per l'uso del biodiesel. Nel 2002 quasi 3,5 milioni di galloni US ( m³) di biodiesel prodotto commercialmente sono stati venduti negli Stati Uniti, in netto aumento rispetto al totale di 0,1 milioni di galloni US (380 m³) del A causa dell'innalzamento dei requisiti di controllo delle emissioni inquinanti e dei benefici fiscali, si prevede che l'utilizzo del biodiesel negli Stati Uniti aumenterà fino a 1-2 miliardi di galloni US ( m³) entro il Il prezzo del biodiesel è sceso da una media di $3,50 per gallone US ($0,92/l) nel 1997 a $1,85 per gallone US ($0,49/l) nel 2002, ma rimane di solito più costoso del petrodiesel nei paesi produttori di petrolio (nel 2002, negli Stati Uniti, prima dell'introduzione della " road tax ", il prezzo medio del gasolio era di circa $0.85 per gallone US, $0,22 al litro). La domanda di biocombustibili ha indotto un rialzo del 30% del prezzo delle superfici coltivabili in vaste aree degli Stati Uniti e del Sudamerica, dei vegetali dai quali sono ottenuti, e dei prodotti sostitutivi (dal punto di vista del produttore) quali grano e cereali, la cui offerta e superficie coltivabile è diminuita in analoga quantità (i biocombustibili sono "coltivabili" nelle aree dove in precedenza crescevano cereali e grano). I prezzi dei biocombustibili crescono per un eccesso di domanda, che registra una crescita esponenziale rispetto all'offerta mondiale (che, come già prevedeva Malthus per le disponibilità alimentari, segue una progressione aritmetica). Invece, il prezzo dei cereali aumenta per un calo dell'offerta, perché i terreni e le stesse piante sono destinate alla produzione di biocombustibili, più redditizia per i contadini di una produzione per un consumo alimentare. Il rialzo della materia prima (grano e cereali) ha causato rincari anche per i prodotti derivati (30% la pasta, 15% i dolciumi, pane, e un aumento del prezzo dei foraggi e della carne). I forti sussidi europei a queste coltivazioni, più alti di una destinazione delle superfici coltivabili alla produzione alimentare, contribuiscono a non riequilibrare questo trend. Il prezzo del grano al quintale, della farina e cereali, in Europa e negli USA, sono fissati da un'autorità preposta che decide un prezzo politico; diversamente, la materia prima dei biocombustibili, ottiene un prezzo di mercato.