Steam explosion delle biomasse: vale la pena?

Negli ultimi dieci anni in Europa i criteri di incentivazione statale del biogas agricolo si sono evoluti: dall'incentivo al biogas, prodotto con "colture dedicate" o "colture energetiche" - discutibile per molti aspetti (si veda Il biogas fatto bene si potrebbe fare meglio) - si è passati al "biometano avanzato". Quest'ultimo rappresenta la vera essenza della digestione anaerobica: chiudere il ciclo dell'economia circolare, convertendo in metano tutto ciò che non è utilizzabile per alimentazione umana o animale, e utilizzando il metano come sostituto dei combustibili fossili.

Vediamo di seguito le ricadute dell'implementazione della disciplina del "biometano avanzato" sul settore del biogas italiano: 

• maggiore complicazione autorizzativa degli impianti. Da un punto di vista puramente scientifico molte biomasse residue, ad esempio i resti di macellazione (Soa = Sottoprodotti di origine animale) andrebbero benissimo per alimentare i biodigestori. Essendo contraddittorie, le normative comportano cervellotiche interpretazioni da parte dei funzionari ministeriali e locali, i quali, per curarsi in salute, preferiscono classificarle come "rifiuti". Tale superficiale interpretazione ha come conseguenza la preclusione dell'utilizzo negli impianti di biogas agricoli di sottoprodotti che invece dovrebbero essere considerati risorse energetiche. Ne è un esempio la storica sentenza del Tar del Lazio n.6906 del 20 giugno 2018 che dichiara nulli gli articoli 22 e 20 e l'allegato IX del decreto ministeriale n.5046 del 2016 - il famigerato decreto Effluenti -  laddove essi precludono l'uso agronomico del digestato prodotto in biodigestori, alimentati con glicerina grezza prodotta da impianti di biodiesel alimentati esclusivamente da residui di origine vegetale.
• Maggiore complicazione impiantistica e costo gestionale. Ad esempio l'utilizzo di Soa, interessanti per il loro elevato Bmp (potenziale metanigeno), prevede anche l'obbligo di pastorizzazione per questioni sanitarie.
• Minore resa di biogas. La caratteristica delle biomasse vegetali di scarto e le deiezioni animali, esenti da obblighi e limitazioni normative - come la pastorizzazione citata sopra - è di essere in generale poco digeribili per i batteri, quindi il loro Bmp è basso. Inoltre, l'elevato contenuto di fibra rende il digestato difficile da agitare e pompare, aumentando l'autoconsumo energetico dell'impianto. Si rende dunque necessaria la costruzione di impianti con grande volume di digestione complessivo perché, per una digestione totale, i tempi di residenza del digestato sono lunghi. Sono esempi di tali biomasse: lo stallatico, gli sfalci e le foglie secche, la paglia e la pula del riso, ecc.

Per massimizzare il Bmp si può ricorrere ad una promettente tecnologia: la steam explosion (letteralmente, esplosione di vapore). Secondo i produttori questa tecnologia aumenta notevolmente la digeribilità delle biomasse. Tuttavia, secondo alcune ricerche accademiche, il suo costo è insostenibile.

Cos'è la steam explosion

Le biomasse refrattarie, cioè quelle difficilmente digeribili dai batteri anaerobici, si caratterizzano per l'elevato contenuto di lignina e talvolta anche di sostanze inibitrici come l'ammoniaca. Ne è un esempio la pollina da broiler, specialmente in quegli allevamenti che utilizzano segatura di legno come lettiera (si veda Biogas da pollina). La presenza di lignina è un problema complesso da risolvere: non solo è indigeribile in tempi ragionevoli, ma le sue fibre si trovano intimamente intrecciate a quelle della cellulosa, la quale invece ha un Bmp compreso fra 350 e 410 Nm³/ton SV e si digerisce in quindici-venti giorni. In altre parole, la lignina fa da "scudo" alla cellulosa impedendo ai batteri anaerobici la digestione di quest'ultima.

I processi meccanici - macinazione fine, estrusione - pur favorendo la separazione delle fibre, aumentano di poco il Bmp (potenziale metanigeno) delle biomasse, inoltre consumano preziosa energia elettrica e hanno costi di manutenzione e ricambio delle parti meccaniche elevati, dovuti principalmente all'usura. La steam explosion risolve, in teoria, i problemi illustrati. Il processo consiste nel saturare di vapore la biomassa, aumentare poi la temperatura e la pressione all'interno di un contenitore speciale - una specie di pentola a pressione - durante un tempo prestabilito, per poi provocare un'espansione brusca del vapore che produce un effetto simile a quello di un'esplosione.
Il processo di steam explosion ha due effetti sulla biomassa: modifica la sua composizione chimica e polverizza le fibre.
Il primo effetto è causato dal contatto dell'acqua ad elevate temperature (tipicamente fra 160 e 220 ^°C) con le fibre vegetali, che produce una reazione chimica di decomposizione di queste ultime chiamata idrolisi. L'idrolisi rompe le molecole complesse in molecole più piccole, quindi più facilmente degradabili. I prodotti dell'idrolisi dell'emicellulosa e la pectina sono zuccheri e altri composti solubili in acqua, quindi facilmente assimilabili per i batteri. L'espansione brusca del vapore, come se fosse un esplosivo, separa e sminuzza le fibre dal loro interno riducendole in particelle microscopiche. Il pretrattamento permette ai batteri di aggredire le particelle solide, degradandole più facilmente rispetto alle fibre di dimensioni macroscopiche prodotte da mulini, estrusori o altri sistemi puramente meccanici.

La controversia sul rapporto fra Bmp e steam explosion

I due effetti sulla biomassa - idrolisi e polverizzazione, risultanti dalla steam explosion - sono alla base delle affermazioni - spesso esagerate - dei produttori di tali impianti e dello scetticismo di - almeno una parte - del mondo accademico. Come spesso abbiamo segnalato in altri articoli di questa colonna, è d'obbligo il dubbio cartesiano per arrivare alla verità, ma questa solitamente non è assoluta.

In altre parole, i vantaggi e gli svantaggi della steam explosion dipendono da diversi fattori che analizziamo in seguito:

• idrolisi della biomassa. Le elevate temperature a cui avviene il processo producono sostanze inibitrici dei batteri, come ad esempio il furfurale (dal latino furfur, crusca, perché si ricava principalmente dalla bollitura di questa in una soluzione di acido solforico). Ogni biomassa o miscele di essa ha una combinazione ottimale di temperatura e tempo di trattamento, per evitare la formazione di tali composti inibitori. Quindi non è possibile spacciare la tecnologia della steam explosion come la panacea per aumentare il potenziale metanigeno di qualsiasi matrice. Va valutata e messa a punto caso per caso una soluzione adeguata.
• Il bilancio energetico (Eroie, Energy return on invested energy, detto anche "efficienza di primo principio") viene spesso contestato da alcuni autori. Talvolta il processo di steam explosion consuma più energia di quanta sia ricavabile dall'incremento di Bmp ottenibile. Anche in questo caso vanno fatte analisi approfondite e la "letteratura" non va presa come verità assoluta.
  A titolo d'esempio, citiamo due studi contraddittori:
   • secondo lo studio Biogas Production from Steam-Exploded Miscanthus and Utilization of Biogas Energy and CO₂ in Greenhouses, Simona Menardo, Alexander Bauer, Franz Theuretzbacher, Gerhard Piringer, Paal Jahre Nilsen, Paolo Balsari, Oksana Pavliska, Thomas Amon, Bioenerg. Res. (2013) 6:620-630, DOI 10.1007/s12155-012-9280-5, la steam explosion aumenta il Bmp di tre volte rispetto ai campioni non trattati. In realtà ciò che aumenta è la produzione di biogas, il Bmp, cioè la produzione netta di metano, aumenta di 2,5 volte nel migliore dei casi analizzati. Inoltre, è dubbioso il valore assoluto di Bmp misurato dai ricercatori austriaci secondo il metodo Vdi (si veda Focus critico sulla norma VDI 4630, I Parte e II Parte). Essi hanno utilizzato eudiometri, strumenti a lettura manuale della quantità totale di biogas, rilevando successivamente il tenore di metano con uno strumento "da cantiere", più adatto a cercare fughe di gas o a eseguire verifiche in un impianto che a rilevazioni accurate, da laboratorio. Calcolando il Bmp in base a molti parametri, misurati indipendentemente con diversi strumenti, i cui errori si sommano, aumenta l'incertezza massima del valore di Bmp ottenuto con tale metodologia. I ricercatori hanno utilizzato reattori da 250 ml, troppo piccoli per assicurare la rappresentatività del campione. Secondo lo studio, il maggiore costo della steam explosion si giustifica con l'aumento di Bmp del miscanto, anche in contesti sudeuropei. Il calcolo della produttività attesa, come spesso accade in studi condotti da ricercatori, è stato realizzato ignorando le norme tecniche esistenti e adottando criteri propri. In concreto, è stato assunto il potere calorifico superiore del metano anziché il potere calorifico inferiore (come da norma UNI 10458:2011 Impianti per la produzione e l'impiego di gas biologico (biogas) - Classificazione, requisiti essenziali, regole per l'offerta, l'ordinazione, la costruzione e il collaudo). Infine, è dubbioso che in Italia convenga coltivare miscanto per poi sottoporlo a steam explosion per produrre biogas, per produrre energia, per poter recuperare il calore e la CO₂ per coltivazioni in serra (si veda Che fine ha fatto il miscanto?). Non sarebbe molto più semplice ed economico installare un semplice bruciatore di biomassa - qualsiasi biomassa! - ed utilizzare direttamente il calore e la CO₂ nella serra?
   • Secondo lo studio, condotto in Ungheria dai ricercatori Capári, D., Dörgo, G., Dallos, A., Comparison of the Effects of Thermal Pretreatment, Steam Explosion and Ultrasonic Disintegration on Digestibility of Corn Stover, J. sustain. dev. energy water environ. syst., 4(2), pp 107-126, 2016, DOI, il trattamento di steam explosion degli stocchi di mais è quello che, fra i tre pretrattamenti studiati, aumenta di più il Bmp rispetto al campione non trattato (Foto 2). Anche in questo caso, il metodo utilizzato per la prova del Bmp lascia qualche dubbio: è stato misurato il volume totale di biogas mediante "flussimetri elettronici" (senza indicazione delle loro caratteristiche) senza definire se tale volume sia stato normalizzato in tempo reale o a posteriori. Nel secondo caso, il margine d'incertezza indotto dalla normalizzazione può superare il 12%. Il tenore di metano nel biogas è stato successivamente analizzato mediante gas cromatografia, un metodo che può indurre fino al 5% di incertezza. Il Bmp è riferito alla sostanza secca anziché ai solidi volatili. L'inoculo utilizzato proviene da liquami suini, quindi non è l'opzione più adatta per digerire un substrato lignocellulosico. In altre parole, la differenza di Bmp riscontrata dagli ungheresi tra il campione non trattato e i campioni trattati non necessariamente si può imputare ai trattamenti: in realtà il campione non trattato è stato misurato utilizzando un inoculo che presumibilmente induce una sottostima del 20% rispetto al suo "vero" Bmp. Ad ogni modo, gli ungheresi sono stati molto precisi nella determinazione dell'energia effettivamente necessaria per ogni trattamento, arrivando alla conclusione che il pretrattamento più efficiente in termini energetici - il maggiore Eroie - corrisponde all'idrolisi con acqua surriscaldata (Tabella 1).           

• I batteri anaerobici sono in grado di digerire da soli sia la cellulosa che la emicellulosa. La presenza di lignina e la trinciatura grossolana, abituale nella produzione di insilato, semplicemente rendono un po' più lungo il processo di digestione, ma alla fine tutta la cellulosa e l'emicellulosa vengono digerite. In alcuni casi, quindi, la steam explosion non aumenta il Bmp: semplicemente cambia la forma della curva di digestione anaerobica, velocizzando un po' il processo. Tale effetto è stato riscontrato nella digestione di residui colturali di colza (Vivekanand, V., Ryden, P., Horn, S.J., Tapp, H.S., Wellner,N., Eijsink, V.G.H., Waldron, K.W., 2012. Impact of steam explosion on biogas production from rape straw in relation to changes in chemical composition. Bioresource Technology 123,608–615).
• Poiché i batteri digeriscono naturalmente la cellulosa, un modo di ottimizzare la resa energetica della steam explosion è limitarne l'utilizzo al trattamento del separato solido, frazione residua ad alta percentuale di lignina, per poi ri-digerire il separato trattato. Il volume di biomassa da trattare, e di conseguenza i costi associati all'energia per il processo e l'investimento in macchinari, si riducono dunque drasticamente. In Danimarca tale concetto è stato oggetto di uno studio congiunto fra l'Università di Aalborg e la ditta Biogasol AS in un impianto di biogas alimentato prevalentemente con deiezioni animali e scarti colturali (Progetto FiberMaxBiogas). Secondo tale studio, il trattamento con steam explosion aumenta il Bmp del separato solido da 102 Nm³/ton SV a 222 Nm³/ton SV. Il tempo di ritorno del trattamento del digestato solido, considerando l'investimento ed i maggiori costi operativi, nelle condizioni economiche danesi, è di cinque anni. L'opzione "standard", cioè il trattamento del 100% delle biomasse in alimentazione, si ammortizza in dodici anni.
• L'autore non ha trovato nella letteratura il tenore di ammoniaca presente nelle biomasse trattate con steam explosion. Il senso comune indica però che, trattandosi di un composto molto volatile e solubile in acqua, esso sarebbe trascinato via dall'espansione brusca del vapore. Resta il dubbio sulle emissioni di ammoniaca in atmosfera, o la possibilità di recuperare solfato o fosfato di ammonio, fertilizzanti chimici ma in questo caso di origine biologica. E' noto che l'ammoniaca inibisce in parte il processo di digestione anaerobica, per cui non si può escludere che l'aumento di Bmp, riscontrato con il trattamento di steam explosion, sia in parte frutto della deammonificazione della biomassa.

Conclusioni

L'investimento in un sistema di trattamento delle biomasse mediante steam explosion va valutato attentamente, senza tralasciare gli aspetti burocratici. La prima cosa è verificare se l'impianto sia soggetto all'obbligo di personale munito di patentino per la conduzione di generatori di vapore (si veda Conduzione dei generatori di vapore: quadro normativo). Va valutato anche il possibile maggiore costo assicurativo, associato al maggiore rischio potenziale per il personale. Per evitare sorprese, è bene realizzare prove di Bmp in laboratorio con campioni rappresentativi della biomassa, o miscela di biomasse, che effettivamente verranno utilizzate nell'impianto. In ultima istanza, va segnalato che gli impianti di digestione in uso in Europa sono quasi tutti basati sulla tecnologia Cstr (Continuously stirred tank reactor, reattore a serbatoio continuamente agitato). Tale tipologia, vecchia di quasi un secolo e nata per la digestione di fanghi e liquami, non è la migliore per digerire biomasse solide e fibrose.

Nel caso di progetti di nuovi impianti di digestione anaerobica sarebbe meglio utilizzare criteri ingegneristici più avanzati, lasciando il ricorso alla steam explosion come una soluzione per migliorare le prestazioni di impianti già costruiti.