L’Unità di silomais equivalente, Use, e il sillogismo aristotelico

I mutamenti normativi e la volatilità dei prezzi degli insilati da destinare alla digestione anaerobica spingono sempre di più i gestori di impianti di biogas a cercare dei substrati adatti, possibilmente catalogati come sottoprodotti, e più economici delle colture dedicate. La maggior parte degli impianti di digestione anaerobica italiani sono stati progettati in base a delle politiche di incentivo, risultanti da un Diktat della Germania, che hanno comportato il ricorso sistematico alle colture dedicate - in particolare il mais - poiché dal punto di vista di banche e costruttori di impianti quest’ultimo rappresenta un’ottima scorciatoia al raggiungimento di una produzione costante di energia, e quindi facile profitto. Insomma, il cosiddetto business as usual, basato su ragionamenti lineari e anche piuttosto superficiali. Al menzionato costume progettuale si somma anche la filosofia, puramente centroeuropea, secondo la quale si ritiene che sia possibile gestire un processo biologico complesso come la digestione anaerobica in funzione di semplici tabelline e proporzioni lineari. Sorge dunque spontaneamente la credenza che sia possibile sostituire l’insilato con altri substrati, basandosi su una semplice proporzione fra i valori di Bmp (potenziale metanigeno) tabulati da diversi autori. Almeno da un lustro circola, fra gli addetti ai lavori, il concetto di Unità di silomais equivalente, Use, definita come il quoziente fra la resa di metano di una tonnellata di silomais (assunta come “costante universale”, pari a 115 Nm³/ton) e la resa di metano di una tonnellata di sottoprodotto X.

Fin qui nulla di nuovo, ma allora: cosa c’entrano Aristotele e la filosofia? 

Ricordiamo che il principio fondamentale della logica classica si bassa sul sillogismo aristotelico. Il sillogismo (dal greco συλλογισμóς, syllogismòs, formato da σúν, syn, "insieme", e λογισμóς, logismòs, "calcolo": quindi, "ragionamento concatenato") è un metodo di ragionamento dimostrativo che fu teorizzato per la prima volta da Aristotele, il quale, partendo dai tre tipi di termine "maggiore" (che funge da predicato nella conclusione), "medio" e "minore" (che nella conclusione funge da soggetto) classificati in base al rapporto tra contenente e contenuto, giunge ad una conclusione collegando i suddetti termini attraverso brevi enunciati (premesse). Nel caso della Use, gestori, costruttori e autoproclamati "esperti" (che non hanno mai condotto una prova di Bmp, o peggio ancora, che l’hanno condotta con attrezzatura improvvisata ed in modo assolutamente superficiale!) incappano tutti senza eccezione nel seguente sillogismo:

• Il Bmp "standard"del silomais è pari a 115 Nm³/ton t.q.
• Il Bmp di un dato sottoprodotto è pari a X Nm³/ton t.q.

Pertanto, ogni ton di sottoprodotto può sostituire 115/X ton di silomais.

Sembra che la grande maggioranza degli “esperti” ignori che, sin dai tempi di Aristotele, il sillogismo ha le sue regole di validità:

a) Se il presupposto 1 o il presupposto 2 è falso, la conclusione sarà sempre falsa.

b) Se entrambi i presupposti sono veri, la conclusione in genere sarà vera, ma non sempre (in linguaggio matematico si dice che il verificarsi di entrambi i presupposti è “condizione necessaria ma non sufficiente”).

c) Se entrambi i presupposti sono falsi, la conclusione in genere sarà falsa, ma delle volte può essere vera per puro caso.

È dunque valido il sillogismo sul quale si basa il concetto di unità di silomais equivalente? Possiamo ragionevolmente affermare -e dimostrare con dati reali - che la situazione più frequente è la c), in quanto non è vero che il Bmp del silomais sia un valore “standard”, cioè assoluto e invariabile, e lo stesso vale per qualsiasi altro substrato. La figura 1 mostra inequivocabilmente che perfino un substrato puro come la cellulosa microcristallina, misurato in condizioni di laboratorio, renderà quantità di metano sensibilmente diverse a seconda dalla composizione dell’ecosistema batterico dell’inoculo, la quale è una caratteristica unica e propria dell’impianto dal quale è stato prelevato quest’ultimo.
 

Figura 1: digestione della cellulosa con inoculi provenienti da due impianti diversi. L’inoculo A è stato gentilmente fornito dalla Fabbrica della bioenergia (Politecnico di Milano), l’inoculo B e la cellulosa monocristallina sono stati gentilmente forniti dal Crpa. La prova è stata condotta nel laboratorio dell’autore nell’ambito di un ring test per i lavori di redazione della norma italiana sul Bmp

Quindi la Use si dimostra molte volte, solo per puro caso, un criterio apparentemente attendibile, ma di sicuro il lettore concorderà che non è saggio lasciare al caso una decisione così delicata e potenzialmente pericolosa come il cambio di dieta del digestore. Il criterio della Use può funzionare qualora si sostituisca un substrato con un altro simile, ad esempio, silomais con sfalci d’erba o insilati di altri cereali. Sebbene non è affatto vero che il silomais abbia un Bmp fisso e pari a 115 Nm³/ton t.q., in genere tale valore è abbastanza frequente. In alcuni casi (per fortuna poco frequenti), il silomais può effettivamente raggiungere in laboratorio un Bmp uguale, o superiore, al valore “convenzionale”, ma poi non riesce ad arrivare a tale resa nell’impianto. Se le caratteristiche fisico-chimiche del silomais sono simili a quelle del “sottoprodotto X” (prescelto come suo sostituto) allora il criterio della Use funzionerà pure in impianti con qualche problema biologico. Questo perché le condizioni di digestione nell’impianto sono le stesse sia per il silomais che per il “sottoprodotto X”, quindi la relazione adimensionale definita dalla Use si mantiene costante, indipendentemente che le rese effettive di entrambi i substrati siano più basse rispetto a quelle di laboratorio.

Vediamo di seguito brevemente alcuni casi reali nei quali l’applicazione del concetto di Use è assolutamente inaffidabile per una corretta gestione del cambio di dieta.

Il caso delle sanse
Abbiamo visto in un articolo precedente come il Bmp delle sanse varia, da un impianto all’altro, in funzione delle attività biologiche specifiche di ogni ecosistema batterico. Inoltre, la sansa in genere richiede tempi lunghi di digestione, dell’ordine di 45 a 60 giorni, mentre il silomais esaurisce il suo potenziale metanigeno in 15 ÷ 20 giorni.
Di conseguenza, sebbene il Bmp “da tabella” di entrambi i substrati sia all’incirca lo stesso, (Use ~ 1), la sostituzione di una certa quantità giornaliera di silomais con la stessa quantità di sansa può comportare un serio rischio di fermo dell’ impianto.

Morchia e glicerolo
Come si desume dalle prove di laboratorio, già pubblicate negli articoli corrispondenti (morchia, glicerolo) tali substrati presentano Bmp decisamente superiori a quelli del silomais, quindi teoricamente un Use < 1 (basterebbe dunque una minore quantità di sottoprodotto, rispetto alla razione giornaliera di mais, una prospettiva alettante per ogni gestore di impianto di biogas). Il Bmp di tali substrati è però funzione del carico di solidi volatili di sottoprodotto utilizzato per unità di volume dell’impianto (in gergo si dice che sia dipendente dal rapporto inoculo/substrato). Di conseguenza, se si sostituisse una data razione giornaliera di mais con le Use di glicerolo, o morchia, la cosa più probabile sarà andare incontro all’inibizione totale dell’ecosistema batterico, con i conseguenti blocchi della produzione e mancato guadagno. Per puro caso, qualche impianto non subirà gravi problemi nella sostituzione poc’anzi detta (ad esempio, impianti inoculati con fanghi provenienti da sistemi di trattamento di acque fognarie, o impianti “abituati” sin dalla loro messa in funzionamento a digerire substrati grassi), ma possiamo tranquillamente considerare tali impianti più come eccezioni che come la normalità dei casi.

Le miscele di substrati
Nel mondo della digestione anaerobica, 2+2 delle volte fa quattro, ma in alcuni casi può fare anche 6 e talvolta solo 3. La miscela di due o più substrati è il caso tipico, nel quale il Bmp totale non è proporzionale ai Bmp individuali dei singoli componenti. La figura 2 mostra il risultato delle nostre prove in laboratorio della digestione di letame bovino e letame di conigli.
Il Bmp della miscela dipende fortemente dalla proporzione di entrambi i substrati, risultando massimo quando il rapporto di miscela è tale che i solidi volatili del letame di coniglio sono 4 volte quelli del letame bovino (che nella prova specifica proveniva da stalla e misto con paglia). Dunque, in questo caso il calcolo della Use della miscela basato sul Bmp individuale di ogni sottoprodotto non sarebbe appropriato. La ragione di questo apparente paradosso è che uno dei vari fattori che influiscono nel Bmp di una miscela è il rapporto C/N.
   
I substrati con basso contenuto di materia organica degradabile
La limitazione all’impiego dell’Use come parametro per la sostituzione dell’insilato, in questo caso con un substrato “equivalente”, risiede nel volume utile dell’impianto. Si consideri, per esempio, la digestione anaerobica del liquame bovino mostrata nella figura 3.
 

Figura 3: degradazione anaerobica di un campione di liquame bovino

Si tratta di un substrato composto per il 94% da acqua e il suo Bmp rappresenta 41 Use (cioè, servono 41 ton di liquame per produrre la stessa quantità di metano di una ton di silomais).
Se dovessimo sostituire con tale liquame le solite 50 ton giornaliere di silomais, in un impianto da 1 MWel, ci vorrebbero 2.050 ton al giorno, le quali occupano circa 2.050 m³. Osservando la figura 3, notiamo che il campione analizzato non si è degradato completamente in 25 giorni. Considerando che il volume utile, abituale di un impianto da 1 MWel, si aggira attorno ai 6.000 m³, ne consegue che non è possibile applicare il concetto di Use alla sostituzione del mais con tale substrato, in quanto da un lato determinerebbe il riempimento dell’impianto in soli 3 giorni, ma dall’altro ne richiederebbe 30 per produrre la quantità di metano necessaria al mantenimento della potenza nominale.

Conclusioni
Le tabelle di Bmp, così come l’utilizzo del concetto di Use da esse derivato, non sono affidabili quando si desidera modificare la dieta di un impianto di digestione anaerobica. Esistono delle circostanze nelle quali, sia le tabelle che le Use derivate, forniscono dei risultati riscontrabili nella realtà operativa dell’impianto, ma per pura coincidenza, conseguenza del caso sillogistico in cui due ipotesi false portano ad una conclusione apparentemente vera.
Il concetto di Use si può applicare sicuramente solo alla sostituzione del silomais con un qualsiasi substrato avente densità, Bmp e tempo di degradazione dello stesso ordine di grandezza di quest’ultimo.
L’applicazione del concetto di Use alla pianificazione del cambio di dieta del digestore può comportare un reale rischio di fermo dell’impianto nel caso di substrati, come il glicerolo o la morchia, la cui degradabilità anaerobica dipende fortemente dall’ecosistema batterico presente nell’impianto.
Pertanto, l’unico modo affidabile di pianificare il cambio di dieta del digestore - e di ottimizzare l’acquisto dei sottoprodotti sostitutivi del silomais - è realizzare prove di laboratorio per misurare sia il Bmp che il tempo necessario per la totale digestione del sottoprodotto, nonché per verificare l’attività biologica specifica dell’impianto e l’assenza di fenomeni d’inibizione.