Diffidate delle tabelle di Bmp "da letteratura"! Prima parte

Il Bmp (biochemical methane potential, potenziale metanigeno) è uno dei parametri necessari per valutare la produttività delle biomasse negli impianti di biogas, ma non è l'unico. Esiste parecchia disinformazione sull'argomento, che in passato abbiamo analizzato in diversi articoli di questa colonna per alcune biomasse specifiche.

Poiché molti lettori continuano ancora a contattarmi attraverso le reti sociali, e le domande sono sempre più o meno le stesse, lo scopo del presente articolo è fare chiarezza sull'argomento, smentendo le false concezioni più comuni fra gli operatori del settore, con esempi tratti da casi reali, resi anonimi per ovvi motivi di privacy.

L'affermazione più frequente dei sedicenti "esperti" e "biologi" è "Non serve fare prove delle biomasse, perché i valori di Bmp si ricavano da "database europei" dove ci sono tutte le biomasse consentite".

Alcuni promotori di progetti affermano più o meno lo stesso, ma con altre parole: "I nostri partner tecnologici hanno costruito 1000 impianti in tutto il mondo, e i nostri tecnici sanno esattamente quanto biogas produce ogni biomassa".

Infine, alcuni venditori di sottoprodotti incappano nella stessa logica errata: "Noi abbiamo fatto testare i nostri sottoprodotti in un laboratorio in Germania, e abbiamo la nostra propria tabella".

Tutte e tre sono affermazioni fondate su concezioni errate. Intanto, non esiste alcun "database europeo". Il modo più semplice di smentire tale affermazione è invitare "l'esperto" a fornirne la prova: il link al sito, oppure il numero e titolo della Direttiva o Norma che istituirebbe il fantomatico database. Esistono solo raccolte di dati pubblicati nelle pagine web di alcune università e centri di ricerca, nei blog dei singoli ricercatori e in alcuni "calcolatori online" di aziende costruttrici di impianti. Nessuna di tali fonti ha valore "ufficiale", semplicemente perché non può averlo.

I valori di Bmp pubblicati da tali fonti possono essere estremamente variabili, come si evince dalla Tabella 1, nella quale abbiamo riportato alcuni dati tratti da 3 fonti diverse. Con tutto il rispetto per i tecnici delle aziende costruttrici di impianti, le biomasse non sono tutte uguali e non sempre le biomasse disponibili in un dato luogo sono digeribili: talvolta può esserci una grande disponibilità di un determinato substrato, ma esso risulta inutilizzabile per la digestione anaerobica.

Quindi, anche se avessero costruito un milione di impianti, non è detto che, in un particolare caso, il Bmp effettivamente ottenibile da uno specifico substrato, disponibile in un luogo specifico, sia uguale a quello del loro "database". Analizzeremo un caso di studio in un articolo futuro. Infine, il fatto che "un laboratorio in Germania" abbia condotto una prova su un campione non significa che il valore misurato sia corretto - spesso non lo è per qualcuno dei motivi che elencheremo in seguito, molto frequenti nei "laboratori tedeschi". Anche se lo fosse, non necessariamente un altro lotto dello stesso sottoprodotto, o l'inoculo di uno specifico impianto, renderebbero la stessa quantità di metano (si veda ad esempio il caso concreto delle sanse)

Tabella 1 - Esempi di variabilità dei valori di Bmp di biomasse agricole, pubblicati da diverse fonti

(Fonte: Mario A. Rosato)

Osserviamo che, giustamente, per alcune biomasse vengono indicati ranghi di valori, perché il Bmp non è una "costante universale". Alcune fonti, però, attribuiscono un valore unico, il che è assolutamente fuorviante e privo di fondamento scientifico.

Prendiamo ad esempio il caso del glicerolo, il più facile da analizzare in quanto è una sostanza 100% biodegradabile, 100% solubile in acqua e di composizione chimica nota. Il Bmp teorico del glicerolo puro può essere calcolato con la formula di Buswell (¹), applicabile a qualsiasi substrato a condizione che sia anidro, 100% digeribile e avente una formula chimica elementare (formula bruta) del tipo C_aH_bO_cN_dS_e.

Formula Bmp teorico

(Fonte: Mario A. Rosato)

Poiché la formula chimica del glicerolo puro è C₃H₈O₃, rimpiazzando i valori di a, b e c nella formula precedente, otteniamo che il Bmp teorico è pari a 0,791 Ndm³/g SS, ovvero 791 Nm³/ton SS. La disparità dei valori pubblicati si spiega perché il glicerolo residuo della produzione del biodiesel non è puro. Però, non è neanche corretto assumere che un campione di glicerolo con 80% di purezza renda per forza 80% del Bmp teorico. Ad esempio, una delle impurità che si trovano solitamente nel glicerolo residuo della produzione di biodiesel è il sale (NaCl), che in alcuni casi - a seconda del grado di salinizzazione previo dell'inoculo utilizzato per la prova e del dosaggio di glicerolo residuo - causa l'inibizione parziale della metanogenesi. Inoltre, l'idrolisi del glicerolo ad opera dei batteri fermentativi produce acido propionico, un potente inibitore, al quale gli inoculi anaerobici reagiscono in modo diverso, dipendendo dalla robustezza del microbioma. Quindi, quale potrebbe essere la produttività di una data partita di glicerolo in uno specifico impianto? Che senso ha adottare il valore pubblicato da una fonte piuttosto che da un'altra?

Nel caso generico di una biomassa più complessa, la variabilità del Bmp deriva da una lunga serie di motivi, talvolta combinati, di cui elenchiamo alcuni:

• il Bmp pubblicato è quello teorico. Molte università e centri di ricerca (specialmente in Germania!) non misurano il Bmp mediante metodi biologici, bensì lo calcolano con delle formule teoriche (non solo quella di Buswell), che raramente sono applicabili alle biomasse complesse (si veda il seguente articolo).
• strumentazione utilizzata per le prove biologiche. Tra i laboratori che invece misurano il Bmp mediante prove biologiche, esistono diverse scuole di pensiero sulla strumentazione da adoperare, e spesso anche scelte imposte da limitazioni di budget. Alcuni metodi "low cost", come le siringhe di Hohenheim e gli eudiometri, sono ammessi dalla Norma VDI 4630:2016 ma i loro risultati sono inaffidabili per via delle condizioni di prova. Nel caso specifico delle prove realizzate con le siringhe di Hohenheim, 200 g di materiale liofilizzato e micronizzato difficilmente si possono considerare rappresentativi di una trincea piena di insilato o di una pila di letame! L'attrito tra il pistone e le pareti della siringa causa uno spostamento discontinuo del primo, il quale si aggiunge all'inaccuratezza della lettura della graduazione sulle pareti della siringa. A tutte le incertezze suddette si aggiunge la moltiplicazione dell'errore metrologico durante la normalizzazione dei valori misurati. In genere, tali metodi possono pure dare risultati abbastanza precisi, ma non accurati. Precisione e accuratezza sono due cose molto diverse, un fatto che gli autori della Norma VDI 4630:2016 sembrano aver ignorato (si veda il seguente articolo). Altri metodi, come il barometrico e il gascromatografico sono un po' più accurati, ma meno sensibili, per cui l'accuratezza dei risultati dipende dalle dimensioni del reattore e dalle condizioni di prova, fattori che non vengono mai riportati nella "letteratura". Una costante che si apprezza in tutta la letteratura sulla digestione anaerobica è la presunzione che le prove siano prive di errore metrologico e che l'incertezza sia solo la variabilità fra repliche di una stessa prova. Come se non bastasse, per limitare l'errore introdotto dalla solubilità del gas in medio acquoso, chi adotta il metodo barometrico tende a far funzionare i reattori a bassa pressione. Poiché l'accuratezza dei sensori è buona solo quando questi lavorano vicini al massimo della scala, ad ogni sfiato si sommano gli errori delle singole misurazioni. Tali condizioni di prova comportano risultati affetti da incertezze metrologiche che in genere superano il 5%, arrivando fino al 12% in alcuni casi.
• Errori metodologici ripetuti e ripubblicati nella "letteratura". Molti valori che circolano nelle "tabelle" e nei "database" sono completamente sbagliati per semplici errori procedurali dei ricercatori che li hanno prodotti (si veda il caso del Bmp degli insilati).
• Ignoranza delle norme. I laboratori di prove di Bmp - italiani ed esteri - di solito non rispettano la Norma UNI CEI 70098-3 (o il suo equivalente ISO) sull'espressione dei risultati (si veda il seguente articolo). È molto frequente vedere i valori di Bmp espressi con virgola e due decimali, cosa assurda perché, nel migliore dei casi, il margine d'incertezza di tali prove è dell'ordine del 3%, e può arrivare al 20% nel caso di substrati molto eterogenei o test di uno stesso substrato realizzati su campioni da provenienze diverse o con inoculi diversi. Se, ad esempio, il valore misurato è 300 Nm³/ton SV e il margine d'errore della prova è del 3%, ciò significa che il Bmp potrebbe essere qualsiasi valore compreso fra 291 e 309 Nm³/ton SV. Che senso avrebbe, dunque, esprimere il risultato con virgola e due decimali se non si è nemmeno sicuri dell'ordine delle unità? Il modo corretto di riportare il Bmp è: XYZ ± EE Nm³/ton RIF, dove XYZ è il valore di Bmp medio di tre misurazioni, EE è il margine di incertezza della prova e RIF è la unità di riferimento adottata per la massa unitaria (solitamente tonnellate di sostanza secca, di solidi volatili o di biomassa tal quale).
• Variabilità dei lotti di biomassa. Ad esempio, il Bmp de un insilato all'interno di una trincea decresce nel corso del tempo. Il Bmp dell'insilato prodotto presso una determinata azienda agricola varia da un raccolto all'altro, in funzione dei fattori climatici dell'annata. Il Bmp della pollina o del letame varia da un allevamento all'altro a seconda dell'alimentazione degli animali, della loro età e della tecnica di allevamento.
• Lo stato di salute dell'inoculo. Molti digestori in Italia funzionano sull'orlo del collasso biologico, ma i gestori ne sono assolutamente ignari. Ciò si traduce in una minore produttività (minore Bmp a 30 giorni, o tempi più lunghi per raggiungere il Bmp di riferimento). Le cause possono essere molteplici. Tipicamente "i biologi" decretano (senza fare alcuna prova!) che "mancano oligoelemento" e il gestore dell’impianto aggiunge il preparato - spesso fornito a caro prezzo dal "biologo" - talvolta con risultati opposti alle attese. Infatti, aggiungere oligoelementi quando non servono può compromettere ulteriormente le archaea idrogenotrofe (si veda l'esempio di un caso reale).
• Specificità dell'ecosistema microbico. Un digestore in buona salute, alimentato con una dieta costante, sviluppa un ecosistema di microbi adattati a digerirla. Si veda l'esempio delle paste saponose (Foto 1), in cui l'autore ha misurato il Bmp di un unico campione con lo stesso strumento, ma utilizzando due inoculi provenienti da impianti diversi: uno alimentato regolarmente con paste saponose e l'altro "abituato" a una dieta di deiezioni zootecniche e insilati. Entrambi gli inoculi hanno attività metanogenica specifica (Sma) nella norma, ma in questo caso il collo di bottiglia del processo non è la metanogenesi bensì l'idrolisi. Alimentare l'impianto 1 con paste saponose, solo basandosi sul loro Bmp "da tabella" (o su prove fatte con inoculi diversi da quelli dell'impianto stesso) porterebbe in poco tempo al collasso biologico ed a enormi perdite di produttività.

Figura 1- La digestione di un campione di paste saponose con due inoculi prelevati da impianti diversi

(Fonte: Mario A. Rosato)

• Descrizione generica della biomassa e valutazioni "per analogia". Descrizioni generiche come "insilato di erba", "paste saponose", "pollina" o "sansa" sommano incertezza alla già di per sé elevata variabilità dei valori. Ad esempio, il Bmp della pasta saponosa dipende dall'olio di provenienza: le differenze di Bmp tra pasta saponosa di girasole, girasole alto oleico, palma o mais, possono essere dell'ordine del 20%.

Nel prossimo articolo analizzeremo il caso concreto in cui un gruppo di aziende agricole ha evitato di investire parecchi milioni in un progetto che sarebbe risultato fallimentare, perché i Bmp previsti dalle tabelle adottate dal promotore erano sensibilmente più alti di quelli che le biomasse disponibili sul loco erano in grado di raggiungere.

Leggi anche la seconda parte dell'articolo.

Per approfondimenti sul Bmp

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

Il controllo dell'affidabilità delle prove di Bmp
2 + 2 non sempre fa 4 negli impianti di biogas

Note

(¹) La Norma UNI 11703:2018 indica la formula di Buswel come un valore limite teorico, da utilizzare solo per verifiche della qualità delle prove di Bmp. In pratica, se il Bmp misurato fosse maggiore del Bmp teorico calcolato dalla formula, ciò indicherebbe un errore metodologico o problemi con la strumentazione utilizzata per la prova biologica. Il valore stimato con la formula di Buswell non può considerarsi un Bmp. Per la norma italiana, si può considerare "Bmp" solo il risultato di una prova biologica.