L’etanolo cellulosico è l’etanolo (alcol etilico) prodotto dalla cellulosa (la fibra filamentosa di una pianta) piuttosto che dai semi o dai frutti della pianta. È un biocarburante prodotto da erbe, legno, alghe o altre piante. Le parti fibrose delle piante sono per lo più non commestibili per gli animali, compresi gli esseri umani, ad eccezione dei ruminanti (al pascolo, animali da masticare come mucche o pecore).
Notevole interesse per l’etanolo cellulosico esiste a causa del suo importante potenziale economico. La crescita della cellulosa da parte delle piante è un meccanismo che cattura e immagazzina l’energia solare chimicamente in modo non tossico con forniture risultanti facili da trasportare e da immagazzinare. Inoltre, il trasporto potrebbe non essere necessario, perché l’erba o gli alberi possono crescere quasi ovunque temperati. Questo è il motivo per cui l’etanolo cellulosico commercialmente pratico è ampiamente considerato come un prossimo livello di sviluppo per l’industria dei biocarburanti che potrebbe ridurre la domanda di trivellazione di petrolio e gas e persino l’energia nucleare in modi che il carburante a base di etanolo da solo non può. Esistono potenzialità per i molti benefici dei combustibili liquidi carboniosi e petrolchimici (da cui dipende lo standard di vita di oggi) ma in un modo equilibrato e rinnovabile del ciclo del carbonio (riciclando carbonio superficiale e atmosferico invece di pompare carbone sotterraneo fino ad esso e quindi aggiungendolo ad esso ). L’alcol cellulosico commercialmente pratico potrebbe anche evitare uno dei problemi con i biocarburanti convenzionali (a base di cereali) di oggi, che è quello di istituire una competizione per il grano con scopi alimentari, potenzialmente facendo salire il prezzo del cibo. Ad oggi, ciò che ostacola questi obiettivi è che la produzione di alcol cellulosico non è ancora sufficientemente pratica su scala commerciale.
Metodi di produzione
I due modi di produzione di etanolo da cellulosa sono:
Processi di cellulolisi che consistono in idrolisi su materiali lignocellulosici pretrattati, utilizzando enzimi per rompere la cellulosa complessa in zuccheri semplici come il glucosio, seguita da fermentazione e distillazione.
Gassificazione che trasforma la materia prima lignocellulosica in monossido di carbonio e idrogeno gassoso. Questi gas possono essere convertiti in etanolo mediante fermentazione o catalisi chimica.
Come è normale per la produzione di etanolo puro, questi metodi includono la distillazione.
Cellulolisi (approccio biologico)
Le fasi per produrre etanolo utilizzando un approccio biologico sono:
Una fase di “pretrattamento”, per rendere il materiale lignocellulosico come il legno o la paglia suscettibile di idrolisi
Idrolisi di cellulosa (cioè cellulolisi) con cellulasi, per decomporre le molecole in zuccheri
Separazione della soluzione zuccherina dai materiali residui, in particolare lignina
Fermentazione microbica della soluzione zuccherina
Distillazione per produrre circa il 95% di alcool puro
Disidratazione mediante setacci molecolari per portare la concentrazione di etanolo a oltre il 99,5%
Nel 2010, un ceppo di lievito geneticamente modificato è stato sviluppato per produrre i propri enzimi di digestione della cellulosa. Supponendo che questa tecnologia possa essere ridimensionata a livelli industriali, eliminerebbe uno o più passaggi della cellulolisi, riducendo sia il tempo richiesto che i costi di produzione.
Sebbene la lignocellulosa sia la risorsa materiale vegetale più abbondante, la sua usabilità è ridotta dalla sua struttura rigida. Di conseguenza, è necessario un pretrattamento efficace per liberare la cellulosa dal sigillo di lignina e dalla sua struttura cristallina in modo da renderlo accessibile per una successiva fase di idrolisi. Di gran lunga, la maggior parte dei pretrattamenti viene effettuata attraverso mezzi fisici o chimici. Per ottenere una maggiore efficienza, sono necessari pretrattamenti fisici e chimici. Il pretrattamento fisico è spesso chiamato riduzione delle dimensioni per ridurre le dimensioni fisiche della biomassa. Pretrattamento chimico è quello di rimuovere le barriere chimiche in modo che gli enzimi possano avere accesso alla cellulosa per le reazioni microbiche.
Ad oggi, le tecniche di pretrattamento disponibili includono idrolisi acida, esplosione di vapore, espansione di fibre di ammoniaca, organosolv, pretrattamento di solfiti, frazionamento di AVAP® (SO2-etanolo-acqua), ossidazione alcalina umida e pretrattamento dell’ozono. Oltre all’effettiva liberazione della cellulosa, un pretrattamento ideale deve minimizzare la formazione di prodotti di degradazione a causa dei loro effetti inibitori sui successivi processi di idrolisi e fermentazione. La presenza di inibitori non solo complicherà ulteriormente la produzione di etanolo, ma aumenterà anche il costo di produzione a causa di fasi di disintossicazione. Anche se il pretrattamento mediante idrolisi acida è probabilmente la tecnica di pretrattamento più antica e più studiata, produce diversi potenti inibitori tra cui il furfurale e l’idrossimetilfosfuro (HMF) che sono di gran lunga considerati gli inibitori più tossici presenti nell’idrolizzato lignocellulosico. L’espansione della fibra di ammoniaca (AFEX) è un pretrattamento promettente senza effetti inibitori nell’idrolizzato risultante.
La maggior parte dei processi di pretrattamento non sono efficaci se applicati a materie prime ad alto contenuto di lignina, come la biomassa forestale. Organosolv, SPORL (“pretrattamento del solfito per superare la recalcitranza della lignocellulosa”) e i processi di SO2-etanolo-acqua (AVAP®) sono i tre processi che possono ottenere oltre il 90% di conversione della cellulosa per la biomassa forestale, specialmente quelle di specie di conifere. SPORL è il più efficiente dal punto di vista energetico (produzione di zucchero per unità di consumo energetico nel pretrattamento) e robusto processo per il pretrattamento della biomassa forestale con produzione molto bassa di inibitori della fermentazione. La polpa organosolv è particolarmente efficace per i legni duri e offre un facile recupero di un prodotto di lignina idrofobico mediante diluizione e precipitazione. Il processo AVAP® fraziona efficacemente tutti i tipi di lignocellulosici in cellulosa pulita e altamente digeribile, zuccheri emicellulosici non degradati, lignina reattiva e lignosolfonati ed è caratterizzato da un efficiente recupero di sostanze chimiche.
Esistono due importanti processi di idrolisi della cellulosa (cellulolisi): una reazione chimica che utilizza acidi o una reazione enzimatica utilizza cellulasi.
Processi cellulolici
Le molecole di cellulosa sono composte da lunghe catene di molecole di zucchero. Nell’idrolisi della cellulosa (cioè della cellulolisi), queste catene vengono scomposte per liberare lo zucchero prima di essere fermentato per la produzione di alcol.
Idrolisi chimica
Nei metodi tradizionali sviluppati nel 19 ° secolo e all’inizio del 20 ° secolo, l’idrolisi viene eseguita attaccando la cellulosa con un acido. L’acido diluito può essere utilizzato a temperature elevate e ad alta pressione, oppure è possibile utilizzare più acido concentrato a temperature e pressione atmosferiche più basse. Una miscela cellulosica decristallizzata di acido e zuccheri reagisce in presenza di acqua per completare singole molecole di zucchero (idrolisi). Il prodotto di questa idrolisi viene quindi neutralizzato e la fermentazione del lievito viene utilizzata per produrre etanolo. Come accennato, un ostacolo significativo al processo acido diluito è che l’idrolisi è così dura da produrre prodotti di degradazione tossici che possono interferire con la fermentazione. BlueFire Renewables utilizza acido concentrato perché non produce quasi altrettanti inibitori di fermentazione, ma deve essere separato dalla corrente di zucchero per riciclare [separazione cromatografica a letto mobile simulato (SMB), ad esempio] per essere commercialmente attraente.
Gli scienziati del Servizio di ricerca agricola hanno scoperto che possono accedere e fermentare quasi tutti gli zuccheri residui nella paglia di grano. Gli zuccheri si trovano nelle pareti cellulari della pianta, che sono notoriamente difficili da abbattere. Per accedere a questi zuccheri, gli scienziati hanno pretrattato la paglia di grano con perossido alcalino e poi hanno usato enzimi specializzati per abbattere le pareti cellulari. Questo metodo ha prodotto 93 galloni statunitensi (350 L) di etanolo per tonnellata di paglia di frumento.
Idrolisi enzimatica
Le catene di cellulosa possono essere spezzate in molecole di glucosio dagli enzimi della cellulasi.
Questa reazione si verifica a temperatura corporea nello stomaco di ruminanti come bovini e ovini, dove gli enzimi sono prodotti da microbi. Questo processo utilizza diversi enzimi in varie fasi di questa conversione. Utilizzando un sistema enzimatico simile, i materiali lignocellulosici possono essere idrolizzati enzimaticamente in condizioni relativamente miti (50 ° C e pH 5), consentendo in tal modo un’effettiva degradazione della cellulosa senza la formazione di sottoprodotti che inibirebbero altrimenti l’attività dell’enzima. Tutti i principali metodi di pretrattamento, compreso l’acido diluito, richiedono una fase di idrolisi enzimatica per ottenere una resa zuccherina elevata per la fermentazione con etanolo. Attualmente, la maggior parte degli studi di pretrattamento sono stati eseguiti in laboratorio, ma le aziende stanno esplorando i mezzi per passare dal laboratorio al pilota o alla scala di produzione.
Diverse aziende di enzimi hanno anche contribuito a significativi progressi tecnologici nell’etanolo cellulosico attraverso la produzione di massa di enzimi per l’idrolisi a prezzi competitivi.
Il fungo Trichoderma reesei viene utilizzato da Iogen Corporation per secernere “enzimi appositamente ingegnerizzati” per un processo di idrolisi enzimatica. La loro materia prima (legno o paglia) deve essere pre-trattata per renderla suscettibile all’idrolisi.
Un’altra società canadese, SunOpta, utilizza il pretrattamento dell’esplosione di vapore, fornendo la sua tecnologia alla struttura di Verenium (precedentemente Celunol Corporation) a Jennings, Louisiana, nello stabilimento di Abengoa a Salamanca, in Spagna, e a China Resources Alcohol Corporation a Zhaodong. Lo stabilimento di produzione CRAC utilizza stover di mais come materia prima.
Genencor e Novozymes hanno ricevuto finanziamenti dal Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti per la ricerca volta a ridurre il costo delle cellulasi, enzimi chiave nella produzione di etanolo cellulosico mediante idrolisi enzimatica. Un recente passo avanti a questo proposito è stata la scoperta e l’inclusione di monoossigenasi polisaccaridiche litiche. Questi enzimi sono in grado di potenziare significativamente l’azione di altre cellulasi attaccando in modo ossidativo un substrato di polisaccaridi.
Altre società di enzimi, come Dyadic International, stanno sviluppando funghi geneticamente modificati che produrrebbero grandi volumi di enzimi cellulasi, xilanasi ed emicellulasi, che possono essere utilizzati per convertire residui agricoli come stover di mais, granuli di distillatori, paglia di grano e bagassa di canna da zucchero ed energia colture come il panico verga in zuccheri fermentabili che possono essere utilizzati per produrre etanolo cellulosico.
Nel 2010, BP Biofuels ha acquisito la quota di Venturium cellulosica di Verenium, che era stata costituita dalla fusione di Diversa e Celunol e con la quale possedeva e gestiva congiuntamente un 1,4 milioni di galloni USA (5.300 m3) all’anno impianto di dimostrazione a Jennings, LA, e le strutture di laboratorio e il personale a San Diego, CA. BP Biocarburanti continua a gestire queste strutture e ha iniziato le prime fasi della costruzione di strutture commerciali. L’etanolo prodotto nello stabilimento di Jennings è stato spedito a Londra e miscelato con benzina per fornire carburante per le Olimpiadi.
KL Energy Corporation, già KL Process Design Group, ha iniziato l’attività commerciale di un impianto di etanolo cellulosico da 1,5 milioni di galloni americani (5,700 m3) all’anno a Upton, nel WY nell’ultimo trimestre del 2007. L’impianto di Western Biomass Energy sta attualmente raggiungendo rese di 40-45 galloni USA (150-170 L) per tonnellata secca. È il primo impianto commerciale di etanolo cellulosico nella nazione. Il processo KL Energy utilizza una ripartizione termomeccanica e un processo di conversione enzimatica. La materia prima principale è il legno tenero, ma i test di laboratorio hanno già dimostrato il processo KL Energy su vinacce, bagassa di canna da zucchero, rifiuti solidi urbani e panico verga.
Fermentazione microbica
Tradizionalmente, il lievito di birra (Saccharomyces cerevisiae), è stato a lungo utilizzato nell’industria birraria per produrre etanolo da esosi (zuccheri a sei carbonio). A causa della natura complessa dei carboidrati presenti nella biomassa lignocellulosica, una quantità significativa di xilosio e arabinosio (zuccheri a cinque carbonio derivati dalla porzione di emicellulosa della lignocellulosa) è presente anche nell’idrolizzato. Ad esempio, nell’idrolizzato di mais stover, circa il 30% degli zuccheri totali fermentabili è xilosio. Di conseguenza, la capacità dei microrganismi fermentativi di utilizzare l’intera gamma di zuccheri disponibili dall’idrolizzato è vitale per aumentare la competitività economica dell’etanolo cellulosico e delle proteine potenzialmente biobased.
Negli ultimi anni, l’ingegneria metabolica per i microrganismi utilizzati nella produzione di etanolo da combustibile ha mostrato progressi significativi. Oltre ai Saccharomyces cerevisiae, microrganismi come Zymomonas mobilis ed Escherichia coli sono stati presi di mira attraverso l’ingegneria metabolica per la produzione di etanolo cellulosico.
Recentemente, lieviti ingegnerizzati sono stati descritti efficacemente fermentando xilosio e arabinosio, e anche entrambi insieme. Le cellule di lievito sono particolarmente attraenti per i processi di etanolo cellulosico perché sono stati usati in biotecnologia per centinaia di anni, sono tolleranti all’alto livello di etanolo e alle concentrazioni di inibitori e possono crescere a bassi valori di pH per ridurre la contaminazione batterica.
Idrolisi e fermentazione combinate
Alcune specie di batteri sono state trovate in grado di convertire direttamente un substrato di cellulosa in etanolo. Un esempio è il Clostridium thermocellum, che utilizza un complesso cellulosoma per abbattere la cellulosa e sintetizzare l’etanolo. Tuttavia, C. thermocellum produce anche altri prodotti durante il metabolismo della cellulosa, inclusi acetato e lattato, oltre all’etanolo, riducendo l’efficienza del processo. Alcuni sforzi di ricerca sono diretti all’ottimizzazione della produzione di etanolo da parte di batteri geneticamente ingegnerizzati che si concentrano sulla via di produzione dell’etanolo.
Processo di gassificazione (approccio termochimico)
Il processo di gassificazione non si basa sulla decomposizione chimica della catena di cellulosa (cellulolisi). Invece di rompere la cellulosa in molecole di zucchero, il carbonio nella materia prima viene convertito in gas di sintesi, utilizzando ciò che equivale alla combustione parziale. Il monossido di carbonio, il biossido di carbonio e l’idrogeno possono quindi essere introdotti in un tipo speciale di fermentatore. Invece della fermentazione zuccherina con lievito, questo processo utilizza i batteri Clostridium ljungdahlii. Questo microrganismo ingerisce il monossido di carbonio, il biossido di carbonio e l’idrogeno e produce etanolo e acqua. Il processo può quindi essere suddiviso in tre fasi:
Gassificazione – Le molecole complesse a base di carbonio vengono separate per accedere al carbonio come monossido di carbonio, anidride carbonica e idrogeno
Fermentazione – Convertire il monossido di carbonio, il biossido di carbonio e l’idrogeno in etanolo usando l’organismo Clostridium ljungdahlii
Distillazione – L’etanolo è separato dall’acqua
Uno studio recente ha trovato un altro batterio Clostridium che sembra essere due volte più efficiente nella produzione di etanolo da monossido di carbonio come quello sopra menzionato.
In alternativa, il gas di sintesi dalla gassificazione può essere alimentato a un reattore catalitico dove viene usato per produrre etanolo e altri alcoli superiori attraverso un processo termochimico. Questo processo può anche generare altri tipi di combustibili liquidi, un concetto alternativo dimostrato con successo dall’azienda di Montreal Enerkem nella loro struttura a Westbury, nel Quebec.
Emicellulosa a etanolo
Gli studi sono intensamente condotti per sviluppare metodi economici per convertire sia cellulosa ed emicellulosa in etanolo. La fermentazione del glucosio, il principale prodotto dell’idrolizzato di cellulosa, nell’etanolo è una tecnica già consolidata ed efficiente. Tuttavia, la conversione di xilosio, lo zucchero pentoso dell’idrolizzato di emicellulosa, è un fattore limitante, soprattutto in presenza di glucosio. Inoltre, non può essere trascurato in quanto l’emicellulosa aumenterà l’efficienza e l’economicità della produzione di etanolo cellulosico.
Sakamoto (2012) et al. mostrare il potenziale dei microbi di ingegneria genetica per esprimere gli enzimi di emicellulasi. I ricercatori hanno creato un ceppo Saccharomyces cerevisiae ricombinante in grado di:
idrolizzare l’emicellulasi attraverso l’endoxilanasi codisplaying sulla sua superficie cellulare,
assimilare xilosio mediante espressione di xilosio reduttasi e xilitolo deidrogenasi.
Il ceppo è stato in grado di convertire l’idrolizzato di paglia di riso in etanolo, che contiene componenti emicellulosici. Inoltre, è stato in grado di produrre 2,5 volte più etanolo rispetto al ceppo di controllo, mostrando il processo altamente efficace di ingegneria della superficie cellulare per produrre etanolo.
Barriera costo enzimatico
Cellulasi ed emicellulasi utilizzate nella produzione di etanolo cellulosico sono più costose rispetto alle loro controparti di prima generazione. Gli enzimi necessari per la produzione di etanolo da granella di mais costano 2,64-5,28 dollari USA per metro cubo di etanolo prodotto. Si stima che gli enzimi per la produzione di etanolo cellulosico costino 79,25 dollari USA, il che significa che sono 20-40 volte più costosi. Le differenze di costo sono attribuite alla quantità richiesta. La famiglia degli enzimi cellulasi ha un’efficienza da uno a due inferiore. Pertanto, è necessario che siano presenti da 40 a 100 volte più dell’enzima nella sua produzione. Per ogni tonnellata di biomassa richiede 15-25 chilogrammi di enzima. Le stime più recenti sono più basse, suggerendo 1 kg di enzima per tonnellata secca di materie prime da biomassa. Vi sono anche costi di capitale relativamente elevati associati ai lunghi tempi di incubazione per la nave che esegue l’idrolisi enzimatica. Complessivamente, gli enzimi comprendono una porzione significativa del 20-40% per la produzione di etanolo cellulosico. Un recente articolo stima un range del 13-36% dei costi di cassa, con un fattore chiave come viene prodotto l’enzima cellulasi. Per la cellulasi prodotta fuori sede, la produzione di enzimi ammonta al 36% del costo del denaro. Per l’enzima prodotto in loco in un impianto separato, la frazione è del 29%; per la produzione integrata di enzimi, la fazione è del 13%. Uno dei principali vantaggi della produzione integrata è che la biomassa al posto del glucosio è il mezzo di crescita degli enzimi. La biomassa costa meno, e rende l’etanolo cellulosico risultante un biocarburante di seconda generazione al 100%, cioè non usa “cibo per combustibile”.
materie prime
In generale esistono due tipi di materie prime: foresta (legnosa) biomassa e biomassa agricola. Negli Stati Uniti, circa 1,4 miliardi di tonnellate di biomassa secca possono essere prodotte in modo sostenibile ogni anno. Circa 370 milioni di tonnellate o il 30% sono biomasse forestali. La biomassa forestale ha un contenuto più elevato di cellulosa e lignina e un contenuto di emicellulosa e ceneri inferiore rispetto alla biomassa agricola. A causa delle difficoltà e della bassa produzione di etanolo nell’idrolizzato di pretrattamento in fermentazione, in particolare quelli con zuccheri emicellulosici a 5 carbonio molto elevati come lo xilosio, la biomassa forestale presenta notevoli vantaggi rispetto alla biomassa agricola. La biomassa forestale ha anche un’alta densità che riduce significativamente i costi di trasporto. Può essere raccolto tutto l’anno, eliminando la conservazione a lungo termine. Il contenuto di cenere vicino allo zero della biomassa forestale riduce significativamente il carico morto nel trasporto e nella lavorazione. Per soddisfare i bisogni di biodiversità, la biomassa forestale costituirà un importante mix di materie prime per le biomasse nella futura economia biobased. Tuttavia, la biomassa forestale è molto più recalcitrante della biomassa agricola. Recentemente, il Laboratorio di prodotti forestali dell’USDA, insieme all’Università del Wisconsin-Madison, ha sviluppato tecnologie efficienti in grado di superare la forte recalcitività delle biomasse forestali (legnose), comprese quelle di specie di legno tenero con basso contenuto di xilano. La coltura intensiva a breve rotazione o l’allevamento di alberi possono offrire un’opportunità quasi illimitata per la produzione di biomassa forestale.
Trucioli di legno da tagli e cime degli alberi e segatura delle segherie e rifiuti di pasta di carta sono comuni materie prime biomasse forestali per la produzione di etanolo cellulosico.
Di seguito sono riportati alcuni esempi di biomassa agricola:
Switchgrass (Panicum virgatum) è un’erba di prateria selvatica nativa. Conosciuto per la sua robustezza e la rapida crescita, questa perenne cresce durante i mesi caldi fino ad altezze di 2-6 piedi. L’erba vergine può essere coltivata nella maggior parte degli Stati Uniti, comprese le paludi, le pianure, i corsi d’acqua e lungo le rive e le autostrade interstatali. È auto-seminativo (nessun trattore per la semina, solo per la falciatura), resistente a molte malattie e parassiti e può produrre alti rendimenti con basse applicazioni di fertilizzanti e altri prodotti chimici. È anche tollerante per terreni poveri, inondazioni e siccità; migliora la qualità del suolo e previene l’erosione dovuta al suo tipo di apparato radicale.
Switchgrass è una coltura di copertura approvata per terreni protetti nell’ambito del Federal Reserve Conservation Program (CRP). La CRP è un programma governativo che paga ai produttori una tassa per non coltivare colture su terreni su cui sono cresciute recentemente le colture. Questo programma riduce l’erosione del suolo, migliora la qualità dell’acqua e aumenta l’habitat della fauna selvatica. La terra del CRP funge da habitat per il gioco dell’altopiano, come fagiani e anatre e numerosi insetti. Switchgrass per la produzione di biocarburanti è stato preso in considerazione per l’uso sui terreni del programma Conservation Reserve (CRP), che potrebbero aumentare la sostenibilità ecologica e ridurre il costo del programma CRP. Tuttavia, le regole CRP dovrebbero essere modificate per consentire questo uso economico della terra CRP.
Miscanthus × giganteus è un’altra materia prima vitale per la produzione di etanolo cellulosico. Questa specie di erba è originaria dell’Asia ed è l’ibrido sterile triploide di Miscanthus sinensis e Miscanthus sacchariflorus. Può crescere fino a 12 piedi (3,7 m) di altezza con poca acqua o fertilizzante. Il miscanto è simile al panico vergognoso per quanto riguarda la tolleranza al freddo e alla siccità e l’efficienza dell’uso dell’acqua. Il miscanto è commercialmente coltivato nell’Unione europea come fonte di energia combustibile.
Pannocchia di mais e stover di mais sono la biomassa agricola più popolare.
È stato suggerito che Kudzu possa diventare una preziosa fonte di biomassa.
Effetti ambientali
L’impatto ambientale derivante dalla produzione di combustibili è un fattore importante nel determinare la sua fattibilità come alternativa ai combustibili fossili. Nel lungo periodo, piccole differenze nel costo di produzione, nelle ramificazioni ambientali e nella produzione di energia potrebbero avere effetti notevoli. È stato trovato che l’etanolo cellulosico può produrre una produzione netta di energia positiva. La riduzione delle emissioni di gas serra (GHG) dall’etanolo di mais e dall’etanolo cellulosico rispetto ai combustibili fossili è drastica. L’etanolo di mais può ridurre le emissioni complessive di gas serra di circa il 13%, mentre tale percentuale è di circa l’88% o maggiore per l’etanolo cellulosico. Inoltre, l’etanolo cellulosico può ridurre le emissioni di biossido di carbonio quasi a zero.
croplands
Una delle principali preoccupazioni per la redditività degli attuali combustibili alternativi è il terreno coltivato necessario per produrre i materiali richiesti. Ad esempio, la produzione di mais per il combustibile a base di etanolo di mais compete con i terreni coltivabili che possono essere utilizzati per la crescita alimentare e altre materie prime. La differenza tra questa e la produzione di etanolo cellulosico è che il materiale cellulosico è ampiamente disponibile e deriva da una grande risorsa di cose. Alcune colture utilizzate per la produzione di etanolo cellulosico comprendono il panico verga, il mais stover e il pioppo ibrido. Queste colture sono in rapida crescita e possono essere coltivate su molti tipi di terreno che le rende più versatili. L’etanolo cellulosico può anche essere ottenuto da residui di legno (trucioli e segatura), rifiuti solidi urbani come rifiuti o immondizie, fango di carta e liquami, paglia e erba. Sono soprattutto le parti non commestibili del materiale vegetale che vengono utilizzate per produrre l’etanolo cellulosico, il che riduce anche il costo potenziale dell’uso di prodotti alimentari nella produzione.
L’efficacia delle colture in crescita ai fini della biomassa può variare enormemente a seconda della posizione geografica della trama. Ad esempio, fattori quali la precipitazione e l’esposizione alla luce solare possono influenzare notevolmente l’energia richiesta per mantenere le colture e quindi influenzare la produzione di energia complessiva. Uno studio condotto in cinque anni ha dimostrato che la crescita e la gestione del panico verga esclusivamente come coltura energetica da biomassa possono produrre il 500% o più di energia rinnovabile di quella consumata durante la produzione. Anche i livelli di emissioni di gas serra e anidride carbonica sono stati drasticamente ridotti dall’uso di etanolo cellulosico rispetto alla benzina tradizionale.
Basato sul mais e basato sull’erba
Nel 2008, c’era solo una piccola quantità di switchgrass dedicato alla produzione di etanolo. Perché cresca su una produzione su larga scala, deve competere con gli usi esistenti dei terreni agricoli, principalmente per la produzione di prodotti agricoli. Dei 2,26 miliardi di acri (9,1 milioni di km2) di terreni non sottoposti a sottosuolo, il 33% è costituito da foreste, il 26% da pascoli e pascoli e il 20% da terreni coltivati. Uno studio condotto dai dipartimenti statunitensi per l’energia e l’agricoltura nel 2005 ha determinato se vi fossero sufficienti risorse di terra disponibili per sostenere la produzione di oltre 1 miliardo di tonnellate di biomassa annua per sostituire il 30% o più dell’attuale uso nazionale di combustibili liquidi per il trasporto. Lo studio ha rilevato che potrebbero essere disponibili 1,3 miliardi di tonnellate di biomassa secca per l’uso di etanolo, apportando piccoli cambiamenti nelle pratiche agricole e forestali e soddisfacendo le richieste di prodotti forestali, alimentari e fibre. Un recente studio condotto dall’università del Tennessee ha riportato che ben 100 milioni di ettari (400.000 km2, o 154.000 sq mi) di terreni coltivati e pascoli dovranno essere allocati alla produzione di switchgrass al fine di compensare l’uso di petrolio del 25%.
Attualmente, il mais è più facile e meno costoso da trasformare in etanolo rispetto all’etanolo cellulosico. Il Dipartimento dell’Energia stima che costa circa $ 2,20 al gallone per produrre etanolo cellulosico, che è il doppio rispetto all’etanolo dal mais. Gli enzimi che distruggono i tessuti delle pareti delle cellule vegetali costano da 30 a 50 centesimi per litro di etanolo rispetto ai 3 centesimi per gallone di mais. Il Dipartimento di Energia spera di ridurre i costi di produzione a $ 1,07 per gallone entro il 2012 per essere efficace. Tuttavia, la biomassa cellulosica è più economica da produrre rispetto al mais, perché richiede meno input, come energia, fertilizzanti, erbicidi ed è accompagnata da una minore erosione del suolo e una migliore fertilità del suolo. Inoltre, i solidi non fermentabili e non convertiti rimasti dopo aver prodotto l’etanolo possono essere bruciati per fornire il combustibile necessario per far funzionare l’impianto di conversione e produrre elettricità. L’energia utilizzata per la produzione di piante di etanolo a base di mais deriva dal carbone e dal gas naturale. L’Istituto per l’autosufficienza locale stima che il costo dell’etanolo cellulosico dalla prima generazione di piante commerciali sarà compreso tra $ 1,90 e $ 2,25 per gallone, esclusi gli incentivi. Questo si confronta con il costo attuale di $ 1,20- $ 1,50 per gallone per l’etanolo da mais e il prezzo corrente al dettaglio di oltre $ 4,00 per gallone per benzina regolare (che è sovvenzionato e tassato).
Uno dei motivi principali per aumentare l’uso dei biocarburanti è ridurre le emissioni di gas serra. In confronto alla benzina, l’etanolo brucia più pulito, mettendo quindi meno anidride carbonica e inquinamento generale nell’aria. Inoltre, dalla combustione si producono solo bassi livelli di smog. Secondo il Dipartimento di Energia degli Stati Uniti, l’etanolo derivante dalla cellulosa riduce le emissioni di gas serra dell’86 percento rispetto alla benzina e all’etanolo a base di mais, che riduce le emissioni del 52 percento. Le emissioni di anidride carbonica sono inferiori dell’85% rispetto a quelle della benzina. L’etanolo cellulosico contribuisce poco all’effetto serra e ha un bilancio energetico netto cinque volte migliore rispetto all’etanolo a base di mais. Quando viene usato come combustibile, l’etanolo cellulosico rilascia meno zolfo, monossido di carbonio, particolato e gas serra. L’etanolo cellulosico dovrebbe guadagnare crediti di riduzione del carbonio dei produttori, superiori a quelli dati ai produttori che coltivano mais per l’etanolo, che è di circa 3 a 20 centesimi per gallone.
Ci vogliono 0,76 J di energia dai combustibili fossili per produrre 1 J di etanolo dal mais. Questo totale include l’uso di combustibili fossili usati per fertilizzanti, carburante per trattori, funzionamento di impianti di etanolo, ecc. La ricerca ha dimostrato che il combustibile fossile può produrre oltre cinque volte il volume di etanolo dall’erba della prateria, secondo Terry Riley, Presidente della Politica presso la Theodore Roosevelt Conservation Partnership. Il Dipartimento dell’Energia degli Stati Uniti conclude che l’etanolo a base di mais fornisce il 26 percento di energia in più rispetto a quello necessario per la produzione, mentre l’etanolo cellulosico fornisce l’80 percento di energia in più. L’etanolo cellulosico produce l’80 percento di energia in più di quanto richiesto per crescere e convertirlo. Il processo di trasformare il mais in etanolo richiede circa 1700 volte (in termini di volume) la quantità di acqua prodotta dall’etanolo. [Discutibile – commenta] Inoltre, lascia 12 volte il suo volume di rifiuti. L’etanolo di grano utilizza solo la parte commestibile della pianta.
La cellulosa non è utilizzata per il cibo e può essere coltivata in tutte le parti del mondo. L’intera pianta può essere utilizzata per la produzione di etanolo cellulosico. Switchgrass produce il doppio di etanolo per acro rispetto al mais. Pertanto, è necessaria meno terra per la produzione e quindi minore frammentazione dell’habitat. I materiali da biomassa richiedono meno input, come fertilizzanti, erbicidi e altre sostanze chimiche che possono comportare rischi per la fauna selvatica. Le loro estese radici migliorano la qualità del suolo, riducono l’erosione e aumentano la cattura dei nutrienti. Le colture energetiche erbacee riducono l’erosione del suolo di oltre il 90%, rispetto alla produzione convenzionale di colture di materie prime. Ciò può tradursi in una migliore qualità dell’acqua per le comunità rurali. Inoltre, le colture energetiche erbacee aggiungono materiale organico ai terreni impoveriti e possono aumentare il carbonio del suolo, che può avere un effetto diretto sui cambiamenti climatici, poiché il carbonio del suolo può assorbire l’anidride carbonica nell’aria. Rispetto alla produzione agricola, la biomassa riduce il deflusso superficiale e il trasporto dell’azoto. Switchgrass fornisce un ambiente per diverse abitazioni di animali selvatici, principalmente insetti e uccelli terrestri. Il terreno di Conservation Reserve Program (CRP) è composto da erbe perenni, che vengono utilizzate per l’etanolo cellulosico e possono essere disponibili per l’uso.
Per anni gli agricoltori americani hanno praticato il taglio a filari, con coltivazioni come sorgo e mais. Per questo motivo si sa molto sull’effetto di queste pratiche sulla fauna selvatica. L’effetto più significativo dell’aumento dell’etanolo di mais sarebbe la terra addizionale che dovrebbe essere convertita in uso agricolo e l’aumento dell’erosione e dell’uso di fertilizzanti che accompagnano la produzione agricola. Aumentare la produzione di etanolo attraverso l’uso del mais potrebbe produrre effetti negativi sulla fauna selvatica, la cui grandezza dipenderà dalla scala di produzione e se la terra utilizzata per questa maggiore produzione è stata precedentemente inattiva, in uno stato naturale, o piantata con altre file colture. Un’altra considerazione è se piantare una monocultura veronica o utilizzare una varietà di erbe e altra vegetazione. Mentre una miscela di tipi di vegetazione probabilmente fornirebbe un habitat migliore per la fauna selvatica, la tecnologia non è ancora sviluppata per consentire la trasformazione di una miscela di diverse specie di erba o tipi di vegetazione in bioetanolo. Naturalmente, la produzione di etanolo cellulosico è ancora agli inizi e la possibilità di utilizzare diversi stand di vegetazione invece di monocolture merita un’ulteriore esplorazione man mano che la ricerca prosegue.
Uno studio del premio Nobel Paul Crutzen ha rilevato che l’etanolo prodotto dal mais ha un effetto “riscaldamento climatico” rispetto al petrolio quando la valutazione completa del ciclo di vita considera correttamente le emissioni di protossido di azoto (N20) che si verificano durante la produzione di etanolo. Crutzen ha scoperto che le colture con meno domanda di azoto, come le erbe e le specie di bosco ceduo, hanno impatti climatici più favorevoli.