Il termocompostaggio, chiamato anche thermocompost in alcuni siti web, è una tecnica che consente di recuperare calore dalla biomassa in fermentazione.
Sembra che tale invenzione risalga agli anni '70, attribuita ad un agricoltore francese chiamato Jean Pain. Attualmente, il suo utilizzo sembra limitato ad alcuni agriturismi e associazioni di agricoltori praticanti la permacultura e l'agricoltura biodinamica.
Un impianto emblematico in Italia si trova nell'agriturismo Alcatraz, fondato e gestito da Jacopo, il figlio del Premio Nobel Dario Fo. Da un'analisi superficiale, l'idea di Jean Pain sembra logica: poiché il metabolismo aerobico dei batteri - durante il processo di compostaggio - produce calore e lo disperde in atmosfera senza alcun criterio di recupero energetico; allora, perché non utilizzarlo per riscaldare delle serre, allevamenti di pulcini o perfino abitazioni?
Un'analisi scientifica della convenienza del recupero di calore dal compostaggio è relativamente semplice, ma richiederebbe la conoscenza di alcuni concetti tecnici propedeutici.
In questa Prima parte, illustriamo alcuni dati obiettivi, ovvero tratti da studi attendibili sulla biochimica del compostaggio. Nella Seconda parte ci serviremo di tali dati per analizzare, in modo rigoroso, l'attendibilità delle tesi a favore del termocompostaggio, e quanto sia economicamente conveniente.
Secondo Grazia Cacciola, nel suo libro L'orto naturale for dummies (Hoepli Editori), le prime referenze al compostaggio risalgono allo storico e scrittore latino Lucio Giunio Moderato Columella.
Columella spiega nel suo trattato, De re rustica, alcune tecniche per produrre "letame artificiale", da utilizzare per concimare il campo utilizzando residui vegetali in mancanza di letame. Egli consiglia addirittura di aggiungere ceneri al compost, per potenziare il suo effetto fertilizzante - e probabilmente anche per neutralizzare il pH, benché i concetti di acidità e basicità fossero ancora ignoti nel I secolo d.C.
Recentemente, i concimi organici integrati con della cenere si sono rivelati ottimi fertilizzanti (vedasi l'articolo Digestato con cenere di biomassa vergine).
L'origine del termine compost è inglese, ma mutuato dal francese, il quale a sua volta deriva dal latino compositus, indicante appunto un prodotto fatto da più matrici organiche.
La biochimica
Durante i primi stadi della sua formazione, il compost è il frutto dell'azione metabolica di diversi gruppi di microrganismi aerobici - batteri, muffe, microfunghi e cianobatteri; mentre nelle fasi finali agiscono protozoi, insetti, miriapodi, vermi e funghi - che si nutrono della biomassa in decomposizione.
Come tutte le reazioni aerobiche, tale processo è esotermico, cioè produce calore. A titolo d'esempio, essendo le biomasse vegetali composte fondamentalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, la reazione di compostaggio allora si può descrivere genericamente nei seguenti termini:
Poiché la biomassa fresca ha circa il 50% di umidità, allora dall'equazione precedente deduciamo: dati 180 g di biomassa secca si producono 2.800 kJ, richiedendo 192 g di ossigeno. In base a tale reazione di ossidazione, per semplice proporzione ricaviamo che 1 kg di biomassa fresca richiede 1,07 kg di ossigeno, produce 7,77 MJ (2,16 kWh) di energia termica ed emette all'atmosfera 1,47 kg di CO2. Il compostaggio è un'ossidazione parziale della biomassa e, inoltre, questa non è completamente biodegradabile per la presenza di lignina.
Tuttavia, secondo prove sperimentali (La Tecnologia del Compostaggio, Arpa Veneto e Università di Udine, 2002) l'espressione stechiometrica, illustrata sopra, descrive abbastanza bene il processo. In pratica, si riscontra che per ogni kg di biomassa fresca compostata sono necessari 1,6 kg di O2, perché una parte di questo gas serve ai batteri per vivere, quindi non solo per ossidare il carbonio presente nella biomassa. Poiché il processo di compostaggio volatilizza circa il 70% della materia organica, ne consegue che l'energia effettivamente sprigionata dai batteri è pari al 70% di quella teorica calcolata poc'anzi, quindi 5,4 MJ/kg (1,5 kWh/kg) di biomassa fresca trattata.
L'andamento della temperatura durante il processo di compostaggio dipende dal tipo di biomassa utilizzato. La Figura 1 mostra due casi estremi del processo di fermentazione, nell'ipotesi di compostaggio più semplice, che consiste nel disporre la biomassa in pile statiche, senza rivoltamento periodico delle stesse.
Figura 1: Andamento della temperatura durante il compostaggio di sostanze organiche con diverso grado di fermentescibilità
La Figura 2 riporta la fermentescibilità di alcuni substrati abituali nel compostaggio.
Figura 2: Grado di fermentescibilità di alcune biomasse
La quantità di compost rimanente alla fine del processo è dell'ordine del 30% della massa iniziare di biomassa fresca, dipende molto però da quanto fermentescibile sia il materiale di partenza. Le caratteristiche ammendanti dei vari tipi di compost, studiate dal Consorzio italiano compostatori (Cic) e comparate con l'utilizzo tradizionale del letame bovino, sono già state pubblicate nel nostro articolo Compost: consigli pratici per l'acquisto e l'utilizzo.
Infine, come succede in tutti i processi biologici, il compostaggio è ottimale quando il rapporto carbonio/azoto delle biomasse è compreso fra 25 e 35 (Fonte: La Tecnologia del Compostaggio). Il compost maturo ha in generale un rapporto C/N < 20. Se il rapporto C/N delle biomasse è superiore a 35, si ha un rallentamento del processo e temperature più basse, perché la mancanza di N limita il tasso di crescita dei microrganismi. Se il rapporto C/N < 20, allora i microrganismi tendono a disfarsi dell'N in eccesso producendo ammoniaca. La liberazione in atmosfera di quest'ultima è più veloce quando la temperatura ed il pH del cumulo sono alti.
La Tabella 1 mostra il rapporto C/N di alcune biomasse comuni.
Tabella 1: Rapporto C/N di alcune matrici organiche
La forma dei cumuli e la granulometria delle biomasse sono determinanti per una buona riuscita del compostaggio. La pezzatura ottimale è compresa fra 25 e 75 mm ed ha la funzione di aumentare la superficie di contatto con la flora batterica e la facilità di circolazione dell'aria - facilitando così l'attività biologica - e, nello stesso tempo, di avvicinare la pezzatura del prodotto iniziale a quella finale desiderata.
La migliore forma dei cumuli è quella prismatica di sezione triangolare o trapezoidale, oppure conica o troncoconica, perché consente una migliore ossigenazione della biomassa.
Sembra che tale invenzione risalga agli anni '70, attribuita ad un agricoltore francese chiamato Jean Pain. Attualmente, il suo utilizzo sembra limitato ad alcuni agriturismi e associazioni di agricoltori praticanti la permacultura e l'agricoltura biodinamica.
Un impianto emblematico in Italia si trova nell'agriturismo Alcatraz, fondato e gestito da Jacopo, il figlio del Premio Nobel Dario Fo. Da un'analisi superficiale, l'idea di Jean Pain sembra logica: poiché il metabolismo aerobico dei batteri - durante il processo di compostaggio - produce calore e lo disperde in atmosfera senza alcun criterio di recupero energetico; allora, perché non utilizzarlo per riscaldare delle serre, allevamenti di pulcini o perfino abitazioni?
Un'analisi scientifica della convenienza del recupero di calore dal compostaggio è relativamente semplice, ma richiederebbe la conoscenza di alcuni concetti tecnici propedeutici.
In questa Prima parte, illustriamo alcuni dati obiettivi, ovvero tratti da studi attendibili sulla biochimica del compostaggio. Nella Seconda parte ci serviremo di tali dati per analizzare, in modo rigoroso, l'attendibilità delle tesi a favore del termocompostaggio, e quanto sia economicamente conveniente.
Nozioni essenziali sul compostaggio
Le originiSecondo Grazia Cacciola, nel suo libro L'orto naturale for dummies (Hoepli Editori), le prime referenze al compostaggio risalgono allo storico e scrittore latino Lucio Giunio Moderato Columella.
Columella spiega nel suo trattato, De re rustica, alcune tecniche per produrre "letame artificiale", da utilizzare per concimare il campo utilizzando residui vegetali in mancanza di letame. Egli consiglia addirittura di aggiungere ceneri al compost, per potenziare il suo effetto fertilizzante - e probabilmente anche per neutralizzare il pH, benché i concetti di acidità e basicità fossero ancora ignoti nel I secolo d.C.
Recentemente, i concimi organici integrati con della cenere si sono rivelati ottimi fertilizzanti (vedasi l'articolo Digestato con cenere di biomassa vergine).
L'origine del termine compost è inglese, ma mutuato dal francese, il quale a sua volta deriva dal latino compositus, indicante appunto un prodotto fatto da più matrici organiche.
La biochimica
Durante i primi stadi della sua formazione, il compost è il frutto dell'azione metabolica di diversi gruppi di microrganismi aerobici - batteri, muffe, microfunghi e cianobatteri; mentre nelle fasi finali agiscono protozoi, insetti, miriapodi, vermi e funghi - che si nutrono della biomassa in decomposizione.
Come tutte le reazioni aerobiche, tale processo è esotermico, cioè produce calore. A titolo d'esempio, essendo le biomasse vegetali composte fondamentalmente da carbonio, idrogeno e ossigeno, la reazione di compostaggio allora si può descrivere genericamente nei seguenti termini:
C6 H12 O6 + 6O2 → 6CO2 + 6H2O + 2.800 kJ
Poiché la biomassa fresca ha circa il 50% di umidità, allora dall'equazione precedente deduciamo: dati 180 g di biomassa secca si producono 2.800 kJ, richiedendo 192 g di ossigeno. In base a tale reazione di ossidazione, per semplice proporzione ricaviamo che 1 kg di biomassa fresca richiede 1,07 kg di ossigeno, produce 7,77 MJ (2,16 kWh) di energia termica ed emette all'atmosfera 1,47 kg di CO2. Il compostaggio è un'ossidazione parziale della biomassa e, inoltre, questa non è completamente biodegradabile per la presenza di lignina.
Tuttavia, secondo prove sperimentali (La Tecnologia del Compostaggio, Arpa Veneto e Università di Udine, 2002) l'espressione stechiometrica, illustrata sopra, descrive abbastanza bene il processo. In pratica, si riscontra che per ogni kg di biomassa fresca compostata sono necessari 1,6 kg di O2, perché una parte di questo gas serve ai batteri per vivere, quindi non solo per ossidare il carbonio presente nella biomassa. Poiché il processo di compostaggio volatilizza circa il 70% della materia organica, ne consegue che l'energia effettivamente sprigionata dai batteri è pari al 70% di quella teorica calcolata poc'anzi, quindi 5,4 MJ/kg (1,5 kWh/kg) di biomassa fresca trattata.
L'andamento della temperatura durante il processo di compostaggio dipende dal tipo di biomassa utilizzato. La Figura 1 mostra due casi estremi del processo di fermentazione, nell'ipotesi di compostaggio più semplice, che consiste nel disporre la biomassa in pile statiche, senza rivoltamento periodico delle stesse.
Figura 1: Andamento della temperatura durante il compostaggio di sostanze organiche con diverso grado di fermentescibilità
Fonte foto: La Tecnologia del Compostaggio
La Figura 2 riporta la fermentescibilità di alcuni substrati abituali nel compostaggio.
Figura 2: Grado di fermentescibilità di alcune biomasse
Fonte foto: La Tecnologia del Compostaggio
La quantità di compost rimanente alla fine del processo è dell'ordine del 30% della massa iniziare di biomassa fresca, dipende molto però da quanto fermentescibile sia il materiale di partenza. Le caratteristiche ammendanti dei vari tipi di compost, studiate dal Consorzio italiano compostatori (Cic) e comparate con l'utilizzo tradizionale del letame bovino, sono già state pubblicate nel nostro articolo Compost: consigli pratici per l'acquisto e l'utilizzo.
Infine, come succede in tutti i processi biologici, il compostaggio è ottimale quando il rapporto carbonio/azoto delle biomasse è compreso fra 25 e 35 (Fonte: La Tecnologia del Compostaggio). Il compost maturo ha in generale un rapporto C/N < 20. Se il rapporto C/N delle biomasse è superiore a 35, si ha un rallentamento del processo e temperature più basse, perché la mancanza di N limita il tasso di crescita dei microrganismi. Se il rapporto C/N < 20, allora i microrganismi tendono a disfarsi dell'N in eccesso producendo ammoniaca. La liberazione in atmosfera di quest'ultima è più veloce quando la temperatura ed il pH del cumulo sono alti.
La Tabella 1 mostra il rapporto C/N di alcune biomasse comuni.
Tabella 1: Rapporto C/N di alcune matrici organiche
(Fonte tabella: La Tecnologia del Compostaggio)
La forma dei cumuli e la granulometria delle biomasse sono determinanti per una buona riuscita del compostaggio. La pezzatura ottimale è compresa fra 25 e 75 mm ed ha la funzione di aumentare la superficie di contatto con la flora batterica e la facilità di circolazione dell'aria - facilitando così l'attività biologica - e, nello stesso tempo, di avvicinare la pezzatura del prodotto iniziale a quella finale desiderata.
La migliore forma dei cumuli è quella prismatica di sezione triangolare o trapezoidale, oppure conica o troncoconica, perché consente una migliore ossigenazione della biomassa.
Conclusioni
Possiamo riassumere i fatti obiettivi sul processo di compostaggio in questi termini:- Le evidenze storiche più antiche, sulla preparazione ed utilizzo del compost in agricoltura, risalgono al I secolo d.C. , grazie all'opera dello storico latino Columella.
- Il calore teorico che può produrre la fermentazione aerobica delle biomasse è pari al 70% del loro potere calorifico, ovverosia 1,5 kWh/kg di biomassa (50% umidità).
- Tale calore si sprigiona in un mese circa per cui, se il compostaggio avviene all'aperto, la maggior parte dell'energia termica andrebbe inevitabilmente dispersa. Di conseguenza, per poter recuperare calore dal processo di compostaggio è necessario che quest'ultimo avvenga all'interno di un contenitore termicamente isolato.
- Ogni kg di biomassa compostata consuma 1,6 kg di ossigeno. La circolazione di aria all'interno del cumulo è dunque condizione obbligatoria per un processo corretto, quindi, anche nell'ipotesi di compostare la biomassa in un contenitore isolato, l'aria si porterà via inevitabilmente una frazione non indifferente di calore.
- Le biomasse fresche hanno un rapporto C/N più vicino all'ottimale, quindi risultano facilmente fermentescibili e la temperatura del processo di compostaggio raggiunge mediamente i 70 °C. Le biomasse secche, o molto legnose, hanno un rapporto C/N e quantità di lignina talmente elevati che sono più difficilmente fermentescibili, di conseguenza la loro temperatura raramente supera i 45 °C. Il rapporto C/N delle deiezioni animali è talmente basso che le stesse devono necessariamente essere mischiate con altre biomasse ad alto contenuto di C (paglia, sfalci di canne, foglie secche) affinché il processo proceda in modo ottimale.
