Una innovazione rende il costo dei biocarburanti finalmente competitivo

Un nuovo studio dell’Università della California – Riverside (UCR) ha scoperto che l’introduzione di una semplice sostanza chimica rinnovabile nella fase di pretrattamento può finalmente rendere la produzione di biocarburanti di prossima generazione economicamente vantaggiosa e neutrale dal punto di vista delle emissioni di carbonio. La prima fase, la scomposizione della materia vegetale, è sempre stata la più difficile quando si tratta di produrre carburante dalle piante.

Affinché i biocarburanti possano competere con il petrolio, le operazioni di bioraffinazione devono essere progettate per utilizzare meglio la lignina. La lignina è uno dei componenti principali delle pareti cellulari delle piante. Fornisce alle piante una maggiore integrità strutturale e resistenza agli attacchi microbici. Tuttavia, queste proprietà naturali della lignina ne rendono difficile l’estrazione e l’utilizzo dalla materia vegetale, nota anche come biomassa.

Il professore associato di ricerca della UC Riverside, Charles Cai, ha inventato il CELF, acronimo di Co-solvent Enhanced Lignocellulosic Fractionation. Si tratta di una tecnologia innovativa di pretrattamento della biomassa che permetterà di sciogliere i legami della lignina rendendola trattabile nel processo di produzione dei biocarburanti. 

“Il CELF utilizza il tetraidrofurano o THF per integrare l’acqua e l’acido diluito durante il pretrattamento della biomassa. Migliora l’efficienza complessiva e aggiunge capacità di estrazione della lignina”, ha dichiarato Cai. “E soprattutto, il THF può essere ricavato dagli zuccheri della biomassa”.

Molecola di THF , tetraidrofurano

Un importante documento di Energy & Environmental Science illustra in dettaglio in che misura una bioraffineria che utilizzi il CELF offre vantaggi economici e ambientali rispetto ai carburanti derivati dal petrolio e ai precedenti metodi di produzione di biocarburanti.

Il documento è frutto della collaborazione tra il team di ricerca di Cai alla UCR, il Center for Bioenergy Innovation gestito dagli Oak Ridge National Laboratories e il National Renewable Energy Laboratory, con il finanziamento dell’Office of Science del Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti. In questo studio, i ricercatori prendono in considerazione due variabili principali: quale tipo di biomassa è più ideale e cosa fare con la lignina una volta estratta.

Le operazioni di biocarburante di prima generazione utilizzano colture alimentari come mais, soia e canna da zucchero come materie prime, o feedstock. Poiché queste materie prime sottraggono terra e acqua alla produzione alimentare, il loro utilizzo per i biocarburanti non è ideale.

Le operazioni di seconda generazione utilizzano biomasse vegetali non commestibili come materie prime. Un esempio di materie prime da biomassa sono i residui di legno delle operazioni di macinazione, la bagassa di canna da zucchero o le stoppie di mais, tutti sottoprodotti abbondanti e a basso costo delle attività forestali e agricole.

Secondo il Dipartimento dell’Energia, solo negli Stati Uniti si potrebbero rendere disponibili fino a un miliardo di tonnellate di biomassa all’anno per la produzione di biocarburanti e bioprodotti, in grado di sostituire il 30% del nostro consumo di petrolio e di creare nuovi posti di lavoro a livello nazionale.

Poiché una bioraffineria CELF è in grado di utilizzare in modo più completo la materia vegetale rispetto ai precedenti metodi di seconda generazione, i ricercatori hanno scoperto che una materia prima più pesante e densa come il pioppo di latifoglie è preferibile alle stoppie di mais, meno dense di carbonio, per ottenere maggiori benefici economici e ambientali.

Utilizzando il pioppo in una bioraffineria CELF, i ricercatori dimostrano che il carburante sostenibile per l’aviazione potrebbe essere prodotto a un prezzo di pareggio pari a 3,15 dollari per gallone di benzina equivalente. Il costo medio attuale di un gallone di carburante per aerei negli Stati Uniti è di 5,96 dollari. Questo renderebbe il biocarburante perfino più conveniente degli attuali carburanti avio. 

Il governo degli Stati Uniti emette crediti per la produzione di biocarburanti sotto forma di crediti di identificazione rinnovabile, un sussidio destinato a sostenere la produzione nazionale di biocarburanti. Il livello di questi crediti emessi per i biocarburanti di seconda generazione, il livello D3, viene solitamente scambiato a 1 dollaro al gallone o più. A questo prezzo per credito, il documento dimostra che ci si può aspettare un tasso di rendimento superiore al 20% dall’operazione.

“Spendere un po’ di più per una materia prima più ricca di carbonio come il pioppo produce comunque maggiori benefici economici rispetto a una materia prima più economica come le stoppie di mais, perché è possibile ricavarne più carburante e prodotti chimici”, ha affermato Cai.

Il documento illustra anche come l’utilizzo della lignina possa contribuire positivamente all’economia complessiva della bioraffineria, mantenendo l’impronta di carbonio il più bassa possibile. Nei vecchi modelli di bioraffineria, in cui la biomassa viene cotta in acqua e acido, la lignina è perlopiù inutilizzabile al di là del suo potere calorifico.

“I vecchi modelli sceglievano di bruciare la lignina per integrare il calore e l’energia di queste bioraffinerie perché potevano sfruttare solo gli zuccheri della biomassa: una proposta costosa che lasciava fuori dal tavolo un sacco di valore”, ha detto Cai.

Oltre a un migliore utilizzo della lignina, il modello di bioraffineria CELF propone anche di produrre sostanze chimiche rinnovabili. Questi prodotti chimici potrebbero essere utilizzati come elementi costitutivi di bioplastiche e composti aromatizzanti per alimenti e bevande. Questi prodotti chimici assorbono parte del carbonio presente nella biomassa vegetale che non verrebbe rilasciato nell’atmosfera sotto forma di CO2.

“L’aggiunta di THF aiuta a ridurre il costo energetico del pretrattamento e a isolare la lignina, in modo da non doverla più bruciare. Inoltre, possiamo produrre sostanze chimiche rinnovabili che ci aiutano a raggiungere un potenziale di riscaldamento globale prossimo allo zero”, ha detto Cai. “Credo che questo sposti l’ago della bilancia dai biocarburanti di seconda generazione a quelli di seconda generazione”.

Grazie ai recenti successi del team, l’Ufficio per la Tecnologia delle Bioenergie del Dipartimento dell’Energia ha concesso ai ricercatori una sovvenzione di 2 milioni di dollari per costruire un impianto pilota CELF su piccola scala presso la UCR. Cai spera che la dimostrazione dell’impianto pilota porti a investimenti su larga scala nella tecnologia, poiché lo sfruttamento dell’energia da combustibili fossili contribuisce al riscaldamento globale e danneggia il pianeta.

“Ho iniziato questo lavoro più di dieci anni fa perché volevo avere un impatto. Volevo trovare un’alternativa valida ai combustibili fossili e io e i miei colleghi ci siamo riusciti”, ha dichiarato Cai. “Utilizzando il CELF, abbiamo dimostrato che è possibile creare combustibili economicamente vantaggiosi dalla biomassa e dalla lignina e contribuire a ridurre il nostro contributo alle emissioni di carbonio nell’atmosfera”.

Quindi si apre una nuova prospettiva produttiva ed economica per i biocarburanti che, soprattutto, è finalmente economicamente tollerabile e non più una sorta di minaccia alla possibilità di fornire servizi alle persone comuni.