Volume: la patata

Sezione: utilizzazione

Capitolo: usi energetici

Autori: Tommaso Maggiore, Nicola Pecchioni

Usi energetici delle piante: motivazioni e scenari

Mai come oggi un uso così antico come quello delle piante, che inizia in età preistorica con la scoperta del fuoco, è diventato tanto moderno. Un mondo con una popolazione ancora in crescita a ritmi sostenuti, secondo proiezioni dell’ONU almeno fino al 2050, non solo ha bisogno di alimenti, ma anche di energia, e le piante agrarie dovranno dare il loro contributo per soddisfare entrambe le esigenze. La principale motivazione della necessità di ricorrere alle piante per la produzione energetica è la natura rinnovabile dell’energia che se ne ricava. Il concetto di rinnovabilità è uno dei pilastri dell’ecologia, e indica la possibilità di produrre ogni anno un bene o un processo senza intaccare le riserve del pianeta, entrando quindi in una logica ciclica dei sistemi di produzione di energia e dei beni di consumo. Il grande vantaggio dell’uso energetico delle piante è che, per ogni processo di produzione di energia che richieda una combustione, il loro contributo, oltre che rinnovabile, è anche carbon neutral. Altre fonti rinnovabili, quali per esempio quella eolica per la produzione di energia elettrica, non richiedono combustione del carbonio. Il concetto di neutralità per il carbonio riguarda, infatti, l’impatto sull’aumento a livello planetario del gas serra anidride carbonica (CO2), che a sua volta potrebbe incidere sull’aumento della temperatura media atmosferica, noto come riscaldamento globale o global warming. Le piante non fanno altro che restituire all’atmosfera, in seguito alla combustione, la CO2 da loro sottratta con la fotosintesi alla stessa atmosfera e immagazzinata nella biomassa; pertanto, hanno un effetto netto pari a zero (come si è detto, carbon neutral) sul bilancio mondiale dell’anidride carbonica. Attualmente le destinazioni delle fonti di energia rinnovabile sono tre: – produzione di energia elettrica; – produzione di energia termica per il riscaldamento; – produzione di biocarburanti per autotrazione. Se per il primo e per il secondo utilizzo è possibile, ma non strettamente necessario, passare attraverso combustioni del carbonio, nel terzo caso ciò è indispensabile, almeno fino a quando altri tipi di motore non sostituiranno i motori a scoppio ora in uso. Tale combustione utilizza il carbonio contenuto nelle cosiddette biomasse a uso energetico. In quale forma il carbonio dei vegetali può essere utilizzato a fini energetici? Le principali molecole vegetali utilizzabili a questo scopo sono i carboidrati semplici e complessi (zuccheri, amido, cellulosa) e gli oli, oltre alla lignina e ad altri costituenti minori contenuti nella pianta intera. Tale suddivisione già indica quali siano i possibili usi energetici delle colture agrarie. Per quanto riguarda i biocarburanti, il biodiesel dagli oli, e il bioetanolo dai carboidrati. Invece, per quanto attiene alla produzione di energia elettrica e termica, tutte le molecole vegetali, e pertanto anche la pianta intera, vi si prestano, per combustione diretta o per via indiretta, mediante alcune trasformazioni fisico-chimiche e biochimiche. Tra queste ultime, la più diffusa via di trasformazione delle matrici vegetali e animali complesse è quella della digestione anaerobica per la produzione di biogas.

Considerazioni ambientali

Gli usi a fini energetici della patata, così come di altre piante alimentari, possono dare adito ad alcune perplessità di natura ambientale, oltre a qualche legittimo dubbio di ordine economico e sociale. Questi ultimi sono legati alla competizione tra la domanda di commodities (materie prime) per usi energetici e non-food (biopolimeri), e quella per usi alimentari, e al conseguente aumento di prezzo della commodity alimentare. Dal punto di vista dell’uso delle risorse naturali, seppure rinnovabile ogni anno, e quindi modificabile in modo abbastanza elastico, da parte delle colture a uso energetico possono nascere competizioni e tensioni non solo nei confronti delle colture non-food per la produzione di polimeri (quali amido termoplastico e acido polilattico), ma anche nei confronti delle colture alimentari. La ridotta disponibilità di terreno e di acqua è già stata indicata come uno dei più seri limiti allo sviluppo degli usi energetici delle piante. Si è calcolato, per esempio, che la domanda di terra per la sola produzione di biopolimeri in sostituzione delle materie plastiche nel 2050 sarà superiore alla terra disponibile su scala mondiale per entrambi gli usi, energetici e non-food. Per quanto riguarda l’uso dell’acqua si può calcolare l’impatto delle bioenergie come water footprint; e per quanto riguarda tale parametro la patata si difende bene, essendo seconda solo alla barbabietola, ma davanti a canna da zucchero e mais, per metri cubi di acqua necessari a produrre un giga-joule (GJ) di energia come bioetanolo. Indipendentemente dalla competizione con le colture food e non-food, una considerazione importante di cui tenere conto è la valutazione dei costi rispetto ai benefici che si ricavano da una coltura a uso energetico, non solo dal punto di vista economico, ma anche e soprattutto dal punto di vista prettamente energetico, e quindi ambientale. La coltura ideale per tale scopo dovrebbe, infatti, ripagare di gran lunga in termini di bioenergia prodotta, e anche in termini di sequestro del carbonio, l’energia spesa e la CO2 prodotta per i fertilizzanti, gli agrofarmaci e la forza motrice utilizzati per la sua coltivazione. Uno studio effettuato in Asia valuta l’energia resa dalla patata 1,25 volte quella spesa per produrla, mentre studi statunitensi valutano, per esempio, un coefficiente di 1,6-1,7 per il mais.

Considerazioni di efficienza

La scelta della specie da destinare alla produzione di energia è legata a considerazioni sull’efficienza energetica della stessa. L’efficienza energetica è un fattore complesso, poiché è composta da almeno tre livelli di conversione dell’energia, tra loro correlati. Possiamo infatti individuare un primo livello di efficienza cosiddetta fotosintetica, cioè di conversione dell’energia solare in biomassa al netto della respirazione. In secondo luogo può essere calcolata l’efficienza di produzione di biomassa, a parità di efficienza della fotosintesi, al netto dell’energia spesa (input) per la sua produzione. In ultimo, esiste un livello di efficienza della trasformazione della biomassa in energia. Il primo importante calcolo di efficienza dipende giocoforza dalla specie agraria e dalla regione geografica della sua coltivazione. Le piante di origine tropicale, quali mais, sorgo e miscanto, a fotosintesi C4, hanno da tempo dimostrato una maggiore efficienza fotosintetica rispetto alle piante evolute in clima temperato, quali frumento e patata, a fotosintesi C3, ma solo in climi caldi. In secondo luogo, anche perché riescono a sfruttare maggiormente la radiazione luminosa durante l’anno, le piante erbacee perennanti quali la canna comune e il miscanto si sono spesso dimostrate più efficienti delle piante annuali. Per la patata a uso energetico, specie C3, si devono necessariamente fare considerazioni geografiche, ovvero di convenienza energetica soltanto in climi temperato-freddi. Inoltre, valgono le stesse considerazioni cui si fa riferimento nell’industria dell’amido da patata: nell’efficienza della trasformazione della biomassa in energia va anche considerato il trasporto. Questo incide considerevolmente su un prodotto costituito in prevalenza da acqua. Vale quindi per la patata, ancora più che per altre specie, la necessità di una filiera corta biomassa-energia.

Patata, coltura energetica europea

La patata è una coltura europea. In termini di produzione (dati FAOSTAT) l’Unione Europea ha raggiunto nel 2009 circa 62.800.000 t, che coprono il 19% della produzione mondiale, contro le circa 19.600.000 t degli Stati Uniti. Pertanto, anche per la sua utilizzazione a fini energetici, le principali esperienze sono state compiute nel Vecchio continente. A livello europeo gli obiettivi in termini energetici e ambientali sono stati stabiliti nella formula “20/20/20”, rispettivamente di riduzione del 20% sia dei consumi energetici sia dell’emissione di gas serra, e di aumento alla quota del 20% del fabbisogno energetico proveniente dall’utilizzo di fonti rinnovabili. Tale formula è uno dei cinque traguardi che l’UE si è posta nel 2010 per il 2020, contenuti nel documento Europa 2020. Lo scenario attuale delle colture energetiche europee vede quindi la patata tra i possibili protagonisti di questa sfida, con superfici stimate per l’Unione Europea in poco più di 2 Mha nel 2009, assieme ad altre colture da amido più importanti, quali i cereali, e la barbabietola da zucchero. L’attuale distribuzione geografica della patata per usi energetici è concentrata in Regno Unito, Francia settentrionale, Germania, Svezia e Polonia, in fasce climatiche dove le piante a fotosintesi C4 non possono competere con le piante C3. Con lo scenario climatico attuale si ritiene che a latitudini tra i 55 e i 64° nord il 75% delle superfici sia potenzialmente adatto alla sua coltivazione. L’Italia ha zone climatiche dove i due tipi di specie agrarie, C4 e C3, convivono e competono da tempo. Sebbene per il nostro Paese non esistano ancora dati statistici specifici per le colture energetiche su scala nazionale, l’importanza della patata quale coltura a uso energetico è sicuramente minore rispetto ad altre. Sui circa 50.000 ha coltivati a patata comune nel 2009 (dati ISTAT), concentrati in Campania ed Emilia-Romagna, non si hanno notizie circa significative superfici a coltura dedicata. Gli scenari futuri potrebbero variare a seguito dell’innalzamento delle temperature medie stagionali, con una maggiore espansione a nord delle piante C4, e con una conseguente diminuzione dell’importanza nell’Europa meridionale della patata e di altre specie da climi temperati quali colture da energia. Secondo una proiezione climatica, approvata solo da un gruppo di ricercatori, al 2050, si potrebbe infatti registrare un calo del 3145% delle superfici adatte alla coltura nella fascia compresa tra i 45 e i 54° di latitudine nord. I possibili usi energetici della patata rispecchiano quelli dell’amido, per questi impieghi, quale suo componente principale. L’amido, nel caso di questa specie, come per il topinambour, è contenuto in una biomassa sostanzialmente acquosa. Le destinazioni energetiche principali sono pertanto due: la conversione in bioetanolo e la trasformazione in biogas. Le due trasformazioni, entrambe biochimiche e dipendenti da microrganismi, avvengono in una matrice ideale per le fermentazioni. Per produrre bioetanolo, l’amido di patata è idrolizzato a opera di enzimi e poi fermentato da lieviti in etanolo. La produzione di biogas avviene, invece, in ambiente anaerobio tramite metanobatteri. Il processo produttivo del biogas si svolge partendo da diverse miscele base di biomasse, generalmente costituite da effluenti di allevamento e masse vegetali, che possono contenere sia patate intere sia scarti delle lavorazioni industriali del tubero. Pertanto, l’uso energetico degli scarti di patata è attualmente il maggiore contributo della coltura alla produzione di energie rinnovabili. Principalmente destinato alla produzione di biogas, l’uso degli scarti di patata costituisce un fatto interessante dal punto di vista energetico, poiché non fa variare in modo sostanziale l’energia spesa in campo e in stabilimento per ottenere il prodotto finito industriale, sia esso non-food o alimentare.

 

Uso degli scarti di lavorazione

La filiera di frigoconservazione e distribuzione della patata, così come l’industria di trasformazione della patata, con destinazione alimentare o non-food, produce una tipologia di scarti relativamente ampia: – tubero intero invenduto; – tubero intero di pezzatura non idonea; – tuberi rotti e guasti; – bucce (PPP, Potato Peel Pulp); – polpe esauste (PP, Potato Pulp); – acque e scarti liquidi (PFW, Potato Fruit Water); – altri scarti (per esempio dall’industria delle chips). La quantità degli scarti, se si assommano le diverse tipologie, può costituire una parte consistente della produzione. Questa, seppure variabile, è stimata al 5-20% a seconda della filiera. La destinazione di questi scarti è alternativamente quella del trattamento come rifiuti, del compostaggio o degli usi energetici. Considerata l’importanza globale dell’aumento della produzione di energie da biomasse per sostituire i combustibili fossili, quello dello sfruttamento energetico degli scarti è un obiettivo da perseguire sicuramente nella patata, e non solo in tale coltura, poiché, al di là dei vantaggi energetici, esso non va a influenzare le superfici di terreno destinate a pataticoltura. Per gli usi energetici vanno considerati sia la fermentazione a etanolo sia la trasformazione a biogas.

Destinazione bioetanolo

La destinazione della patata e dei suoi scarti alla produzione di etanolo non è un processo industriale nuovo, in quanto da tempo la patata è nota in Nord Europa quale una delle più utilizzate materie prime per la produzione di alcol etilico su scala industriale. Come nel caso di altre biomasse amilacee e cellulosiche, per produrre bioetanolo l’amido di patata è dapprima idrolizzato per opera di enzimi, in una fase del processo nota come saccarificazione, e poi fermentato da lieviti (Saccharomyces cerevisiae, lievito di birra) a etanolo. A fermentazione conclusa si ha la fase di separazione del bioetanolo dall’acqua per doppia distillazione. Il bioetanolo può essere quindi utilizzato come carburante tal quale o in miscela dal 15 all’85% con benzina. Può anche essere trasformato in ETBE (etilter-butiletere), utilizzato come antidetonante di origine rinnovabile per i motori a benzina, sostituendo per tale funzione il MTBE (metil-ter-butiletere), ottenuto dal carbon fossile. La resa teorica in bioetanolo, dipendente dal tenore in amido, è di 7-8 g di alcol etilico per 100 g di patate. Un punto critico del processo è la saccarificazione, per l’elevato costo degli enzimi necessari (alfa-amilasi termostabile e glicoamilasi), tanto che per certi tipi di scarti è stato proposto l’uso di acido solforico per idrolizzare l’amido. Recentemente è stato anche proposto di unire la saccarificazione alla fermentazione (SSF, Simultaneous Saccharification and Fermentation), con la tecnologia VHG (Very High Gravity), per aumentare le rese in alcol, come si usa ampiamente nella produzione di etanolo dalla granella di cereali. Per superare il problema principale della massa derivata dalla macinazione delle patate, cioè l’eccessiva viscosità, si possono utilizzare enzimi chiarificanti quali pectinasi, cellulasi ed emicellulasi, che consentono di attuare il processo SSF e di ottenere su scala industriale una resa in bioetanolo vicina al 90% di quella teorica.

Destinazione biogas

La produzione di biogas è un processo scalabile alla singola azienda agraria, come alla singola industria agroalimentare, o al consorzio di aziende. Lo sviluppo della produzione di biogas ha storicamente accompagnato in Pianura Padana lo sviluppo della zootecnia, e in particolare l’allevamento dei suini, venendo in aiuto allo sfruttamento dell’energia residua contenuta negli effluenti di allevamento. Nel 2007 GSE (Gestore dei servizi elettrici) ha registrato una produzione di energia elettrica da biogas per l’Italia di 1,45 TWh, su circa 20 TWh di potenzialità stimata per il Paese. Dell’energia prodotta l’80% proveniva da digestione anaerobica di rifiuti solidi urbani, quindi con una componente di scarti agricoli assai minoritaria sul piano energetico. Si è registrata per il primo decennio degli anni 2000 una crescita sostenuta del numero di impianti, con 235 dei 401 attivi nel 2009 che funzionavano a miscele di effluenti zootecnici con scarti dell’agroindustria e colture dedicate. Massimamente concentrati nel Nord Italia, ben 85 di questi impianti si trovano in Lombardia e si stima che alla fine del 2011 saranno presenti in questa regione oltre 210 impianti di medie dimensioni (1 mega). La trasformazione delle biomasse in biogas avviene in ambiente anaerobio tramite metanobatteri, e il biogas stesso può essere definito quale un gas costituito in buona misura da metano, ricavato per digestione anaerobica da materiali residui di origine organica, animale o vegetale. Il processo produttivo si svolge in continuo, a temperature strettamente controllate e con monitoraggio costante e computerizzato dell’evoluzione della massa e della composizione del gas. Le migliori rese in biogas si ottengono miscelando biomasse di origine diversa. Le miscele base per la fermentazione nei digestori anaerobi sono quindi eterogenee, generalmente costituite da effluenti di allevamento, colture dedicate e scarti vegetali, e possono contenere patate intere o tutti gli scarti delle lavorazioni industriali del tubero. Infatti, il caricamento dei digestori con i soli scarti dell’industria dell’amido e saccarifera, spesso a pH molto acidi, potrebbe causare qualche problema al processo. Esistono studi specifici sulla resa in metano dei soli scarti di patata; tali studi, effettuati in diverse condizioni, concordano su rese in metano poco superiori ai 300 l norm. di metano prodotto per kg di solidi volatili (VS), una delle due unità di misura utilizzata nelle prove di resa; la seconda viene espressa in Nm3/t s.s. (Normal metro cubo per tonnellata di sostanza secca).

Prospettive future

Esiste un ruolo della patata per le bioenergie in Italia e in Europa e, se esiste, quale sarà l’uso energetico prevalente? Come si è visto, gli usi energetici della patata comprendono due diversi prodotti, biogas e bioetanolo, con processi di produzione molto diversi, che rispondono a esigenze e sistemi aziendali differenti. In termini energetici, pare assodato che la resa di conversione dell’energia contenuta nella patata (16,4 MJ/kg di solidi totali) in prodotti bioenergetici sia a tutto vantaggio del biogas. Sono stati fatti calcoli di efficienze di conversione del 95%, contro circa il 60% della conversione in bioetanolo. D’altronde, spesso non sono le sole rese energetiche a guidare le scelte aziendali; altri importanti fattori economici, inclusa la contribuzione pubblica, considerazioni tecniche e di altro tipo concorrono alle scelte operative. Innanzitutto va considerato che la produzione di bioetanolo è sostanzialmente un processo industriale che non coinvolge di solito l’azienda agraria e i produttori di tuberi, ma principalmente le industrie di trasformazione della patata e le industrie di distillazione. Per la natura delle fonti, generate comunque dai processi industriali alimentari e non-food, questo è un settore destinato con ogni probabilità a crescere, o comunque a non ridursi. La sua espansione dipenderà da un lato dall’importanza che l’Unione Europea, oggi apparentemente più attenta allo sviluppo del consumo di biodiesel, dedicherà a tale biocarburante per l’autotrazione. D’altra parte, il ruolo del bioetanolo ottenuto dalla patata e dai suoi scarti dipenderà dalle fonti alternative di approvvigionamento di questa industria. Le fonti con le quali la patata è in competizione sono infatti non soltanto le tradizionali materie prime amilacee, quali i cereali, ma in un prossimo futuro soprattutto le biomasse ligno-cellulosiche, acquisibili a prezzi inferiori, con le quali produrre il cosiddetto bioetanolo di seconda generazione. Il settore energetico che guarda al biogas come combustibile rinnovabile per la produzione di energia elettrica e per il riscaldamento sta vivendo un momento di euforia, ed è destinato molto probabilmente a crescere ancora nei prossimi anni, poiché utilizza gli effluenti degli allevamenti zootecnici e scarti agroindustriali sempre più “ingombranti” dal punto di vista ambientale e legislativo per produrre energia elettrica rinnovabile, comunque imposta ai produttori di energia da norme comunitarie. Il ruolo della patata e dei suoi scarti per la composizione della miscela per i digestori, in competizione con fonti aziendali quali i trinciati e gli insilati di mais, sorgo e cereali vernini, dipenderà dalla disponibilità e soprattutto dal costo delle fonti di approvvigionamento a una distanza non eccessiva dagli impianti di produzione.


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