I primi movimenti verso un sistema energetico più sostenibile furono intrapresi nel 1992 a Rio de Janeiro con la Conferenza sull’ambiente e lo sviluppo delle Nazioni Unite, anche conosciuta con il nome di Earth Summit. Le basi poggiate in questa sede portarono, qualche anno dopo, alla stesura del protocollo di Kyoto nel corso della terza Conferenza delle parti. Il protocollo stilato è uno dei più importanti strumenti giuridici internazionali in tema di cambiamenti climatici: contiene gli impegni dei Paesi a ridurre le emissioni in atmosfera dei gas serra (UE, 2011).
Qualche anno dopo, l’Unione Europea ha deciso di intervenire nuovamente sulla politica ambientale, attraverso un insieme di leggi chiamato Climate and energy package, noto anche come pacchetto 20-20-20, il cui obiettivo è migliorare l’efficienza energetica degli Stati membri e proporre un’economia a basso impatto ambientale. Attraverso la Direttiva EU 2009/28, l’Unione prevede di raggiungere i seguenti scopi entro il 2020:
- ridurre del 20% le emissioni di gas serra rispetto ai livelli del 1990;
- aumentare il consumo di energia prodotta da fonti rinnovabili del 20%;
- migliorare del 20% l’efficienza energetica.
Considerando i notevoli progressi verso il raggiungimento degli obiettivi del 2020, l’Unione Europea ha prospettato il quadro energetico e climatico per il 2030. Gli accordi prevedono una riduzione di gas del 40% rispetto ai livelli del 1990, una riduzione del 43% nei settori industriali energivori (ETS) e del 30% nei settori non ETS rispetto al 2005 (EU Council, 2014). Nello stesso quadro è previsto un aumento al 27% sia sul consumo finale di energie da fonti rinnovabili sia sul target di efficienza energetica.
Tuttavia, secondo alcune organizzazioni intergovernative, gli sforzi stabiliti per il 2030 non sarebbero sufficienti, dato che gli obiettivi prefissati sarebbero pari o inferiori alle attuali tendenze di crescita (WWF, 2014).
In quest'ottica l'utilizzo di energie rinnovabili come il biogas sono fondamentali. Il biogas è infatti una miscela di gas utilizzabile per la produzione di energia attraverso la digestione anaerobica: il processo può portare a vantaggi di tipo ambientale, economico e sociale. Grazie all’utilizzo di questa tecnica è, infatti, possibile ridurre le emissioni di gas serra in atmosfera, poiché il metano derivante dalla digestione è combusto per ottenere energia al posto di essere disperso in atmosfera. Inoltre anche l’utilizzo del digerito, la biomassa che ha subito il processo di digestione ricopre un ruolo ecosostenibile. L’utilizzo di questo concime organico potrebbe portare ad un miglioramento igienico-sanitario rispetto al reflui zootecnici non sottoposti a trattamento anaerobico e utilizzati come fertilizzanti, oltre a migliorarne le caratteristiche. Si attestano, inoltre, minori emissioni di odori durante lo spandimento e una riduzione dell’utilizzo di fertilizzanti di sintesi, evitando così l’emissione di gas serra che sarebbe stata necessaria per produrli.
Il vantaggio economico derivante dalla produzione di biogas si manifesta sia per gli impianti che vendono il surplus energetico prodotto sia per quelli che utilizzano l’energia per l’autosufficienza, soprattutto se in aree isolate.
Nei Paesi in via di sviluppo la tecnologia del biogas ha una forte implicazione sociale, poiché permette l’accesso all’energia a gruppi familiari per le necessità di base, come illuminazione, riscaldamento e preparazione di alimenti.
Se non gestita correttamente, però, la digestione anaerobica potrebbe portare al rilascio di metano in atmosfera da perdite della copertura del digestore o dalle tubazioni per il trasporto del gas: questo fattore non è da sottovalutare, dato che il metano ha un potenziale di riscaldamento globale venticinque volte maggiore rispetto all’anidride carbonica. Il fenomeno
descritto in precedenza è principalmente imputabile ad una scarsa manutenzione degli impianti familiari nei Paesi in via di sviluppo e sarebbe quindi necessaria una più rigida regolamentazione in questo senso (Segantini, 2014).
Il biogas è una miscela di gas prodotti tramite la reazione di digestione anaerobica. La composizione dei gas varia in funzione della biomassa caricata nel digestore, dalla configurazione dell’impianto e da parametri come temperatura e tempo di ritenzione idraulica.
Nella Tabella 1 sono elencati i valori percentuali comunemente riscontrabili nella composizione del gas. Nel biogas, il metano ha una presenza prevalente e determina il potere energetico; tra gli altri gas presenti nella miscela, l’idrogeno ha un potenziale valore energetico, ma essendo presente solo in taccia non contribuisce in maniera significativa al potere energetico finale del biogas.
Tabella 1: Composizione del biogas
| Composto | Contenuto (Vol.%) |
| Metano (CH4) | 50 - 75 |
| Anidride carbonica (CO2) | 24 - 45 |
| Vapore acqueo (H20) | 2(20°C) - 7(40°C) |
| Ossigeno (O2) | <2 |
| Azoto (N2) | <2 |
| Ammoniaca (NH3) | <1 |
| Idrogeno (H2) | <1 |
| Idrogeno solforato (H2S) | <1 |
Tipicamente il biogas è composto per il 60% circa da metano e per il 40% circa da anidride carbonica, con un potere calorifico superiore, ovvero la quantità di calore realizzata nella combustione completa delle unità di peso o di volume di combustibile (ENEA, 2015) di 6.130 kCal (Nm3)-1.
La digestione anaerobica
Alla base del processo produttivo del biogas c'è la digestione anaerobica che è un processo di decomposizione della materia organica in ambiente povero di ossigeno. I prodotti della reazione sono il biogas e il digerito, ovvero il substrato rimanente dopo la fermentazione.
Come mostrato nella Figura 1, la reazione biochimica della digestione anaerobica si compone in quattro fasi principali: idrolisi, acidogenesi, acetogenesi e metanogenesi.
figura 1 - Metabolismo della digestione anaerobica
- Idrolisi
L’idrolisi è la prima fase della digestione anaerobica, durante la quale i composti organici complessi vengono degradati da polimeri a monomeri. I microorganismi producono enzimi che convertono i lipidi in acidi grassi e glicerolo, i carboidrati in monosaccaridi e le proteine in amminoacidi. - Acidogenesi
Durante l’acidogenesi i prodotti dell’idrolisi sono convertiti in composti più semplici: zuccheri semplici, amminoacidi e acidi grassi sono degradati prevalentemente in acidi grassi volatili (VFA), mentre la restante parte è degradata in idrogeno, anidride carbonica e alcoli. - Acetogenesi
In questa fase i composti dell’acetogenesi sono convertiti in substrati fermentescibili per i batteri metanigeni. Gli acidi grassi volatili e gli alcoli sono ossidati in composti come acido acetico, idrogeno e anidride carbonica. Solitamente acetogenesi e metanogenesi avvengono in parallelo, data la simbiosi tra i due gruppi di microrganismi che svolgono la reazione. - Metanogenesi
La produzione di metano può avvenire attraverso due vie metaboliche: il 70% circa del metano è prodotto dai batteri acetoclastici, che scindono l’acido acetico in metano e anidride carbonica, mentre il restante 30% circa è prodotto dai batteri idrogenofili, che convertono anidride carbonica e idrogeno in metano e acqua. Questa fase è la più critica del processo metabolico di digestione anaerobica, poiché avviene più lentamente delle altre. Inoltre, eventuali squilibri della reazione, ad esempio un carico eccessivo di alimentazione del digestore o cambiamenti di pH, potrebbero determinare cali di produzione del metano.
Durante le reazioni metaboliche si possono formare dei metaboliti secondari, presenti in tracce nel biogas: tra questi, il più importante è l’idrogeno solforato (H2S), poiché trasformandosi in acido solforico può determinare problemi di corrosione durante l’utilizzo del biogas.
Al fine di mantenere alta l’efficienza del processo di digestione anaerobica l'ambiente in cui operano i microorganismi deve essere mantenuto in condizioni ottimali. La crescita e l’attività dei microrganismi sono infatti fortemente influenzate dalla mancanza di ossigeno, dalla temperatura costante, dal pH, dalla disponibilità di nutrienti, dalle modalità di miscelazione e dalla presenza di inibitori (come ammoniaca e antibiotici).
Nella figura 2 è illustrato un tipico impianto di biogas.
figura 2 - Impianto biogas
Metabolismo della digestione anaerobica
Schema del metabolismo della digestione anaerobica
Impianto biogas
Particolare sui digestori anaerobici di un impianto a biogas
Nell'ottica di ridurre le emissioni di gas serra, di aumentare il consumo di energia prodotta da fonti rinnovabili e di migliorare l'efficienza energetica la digestione anaerobica rappresenta un approccio di grande interesse. Grazie ad essa è infatti possibile utilizzare il metano derivato dalla digestione per ottenere energia al posto di essere disperso in atmosfera. Inoltre il digerito può essere utilizzato nella fertilizzazione come concime organico, con il vantaggio di diminuire le emissioni di odori durante lo spandimento in campo ed una conseguente riduzione dell’applicazione di fertilizzanti di sintesi, evitando così l’emissione di gas serra che sarebbe stata necessaria per produrli. Il biogas è un vettore energetico di grande interesse, poiché può soddisfare i fabbisogni energetici di svariati utenti. Questa tecnologia può infatti essere utilizzata per la sussistenza energetica di base nelle aree rurali dei Paesi in via di sviluppo, per l’autosufficienza energetica di aziende agroalimentari e ancora come fonte di reddito per la produzione di energia e l’immissione in rete dell’elettricità prodotta.
ENEA (2015). Glossario
EU Council (2014). Conclusions on 2030 Climate and Energy Policy Framework. 24-24 October
2014. Council of the European Union, Bruxelles.
Segantini, E. (2014). BringTheFood, la app contro lo spreco alimentare. Corriere della Sera.
UE (2011). Protocollo di Kyoto sui cambiamenti climatici. In "Terza Conferenza delle Parti della
Convenzione quadro delle Nazioni Unite sui cambiamenti climatici", Kyoto.
WWF (2014). Europa 2030: debole in pacchetto Energia approvato. World Wildlife Fund.
