Fotobioreattori tubulari con microalghe verdi che producono bio-olio assorbendo CO2 dall'atmosfera

Le alghe microscopiche e l'idrogeno rappresentano la frontiera della decarbonizzazione dei trasporti. Senza competere con l'agricoltura e catturando CO2, queste tecnologie potrebbero rivoluzionare treni, navi e camion dove le batterie falliscono. LEGGI TUTTO L'ARTICOLO

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Oltre i biocombustibili tradizionali: il problema della terra
I biocombustibili di prima generazione, derivati da colture alimentari come mais e canna da zucchero, hanno creato il problema del conflitto cibo-energia. Destinare terre fertili alla produzione di etanolo o biodiesel significa sottrarle all'agricoltura alimentare, con conseguenze sui prezzi dei generi alimentari e sulla sicurezza alimentare globale.

I biocombustibili di seconda generazione, prodotti da biomasse lignocellulosiche come scarti agricoli e forestali, hanno parzialmente risolto questo problema, ma rimangono limitati dalla disponibilità di materia prima e dall'efficienza ancora modesta dei processi di conversione.

La terza generazione di biocombustibili si basa su un organismo radicalmente diverso: le microalghe. Questi microrganismi fotosintetici crescono in acqua, non competono con le colture alimentari, hanno tassi di crescita elevatissimi e possono accumunare lipidi (oli) fino al cinquanta-settanta percento del loro peso secco. Soprattutto, catturano anidride carbonica dall'atmosfera durante la crescita, rendendo il bilancio di carbonio potenzialmente neutro o addirittura negativo.

Come funzionano i fotobioreattori
Le microalghe possono essere coltivate in due sistemi principali: vasche aperte (open ponds) o fotobioreattori chiusi. I fotobioreattori sono strutture tubolari o a pannelli trasparenti in cui le alghe crescono in condizioni controllate. Questo permette di ottimizzare temperatura, pH, concentrazione di nutrienti e intensità luminosa, massimizzando la produttività.

Il processo è sorprendentemente semplice: le alghe vengono inoculate nel fotobioreattore contenente acqua, nutrienti (principalmente azoto e fosforo) e anidride carbonica. Attraverso la fotosintesi, convertono la CO2 in biomassa, accumulando lipidi al loro interno. Quando raggiungono la densità ottimale, le alghe vengono raccolte, concentrate e sottoposte a estrazione dei lipidi.

I lipidi estratti possono essere convertiti in biodiesel attraverso transesterificazione, esattamente come l'olio di colza o di girasole. Ma a differenza delle piante oleaginose tradizionali, le alghe possono produrre dieci-trenta volte più olio per ettaro all'anno, e non richiedono terra arabile: possono crescere su terreni marginali, in deserti costieri, o addirittura su piattaforme marine.

Selezione genetica e ingegneria metabolica
Non tutte le specie di microalghe sono uguali. Alcune accumulano più lipidi, altre crescono più velocemente, altre ancora tollerano meglio temperature estreme o salinità elevate. La ricerca biotecnologica si concentra sulla selezione e sul miglioramento genetico di ceppi ad alte prestazioni.

Tecniche di mutagenesi e selezione artificiale hanno prodotto ceppi di Chlorella, Nannochloropsis e Scenedesmus con accumulo lipidico superiore al settanta percento. L'ingegneria genetica permette di modificare i pathway metabolici delle alghe per reindirizzare più energia verso la sintesi di lipidi invece che verso la crescita cellulare.

Un approccio promettente è l'uso di stress metabolico controllato: sottoponendo le alghe a carenza di azoto o a eccesso di luce, si induce l'accumulo di lipidi come meccanismo di sopravvivenza. Combinando selezione genetica e controllo ambientale, si possono ottenere produttività che rendono economicamente competitivo il biodiesel da alghe.

Cattura di CO2 industriale: il doppio vantaggio
Uno dei vantaggi più interessanti dei fotobioreattori è la possibilità di utilizzarli per catturare l'anidride carbonica da fonti industriali concentrate, come centrali termoelettriche o cementifici. Invece di sequestrare la CO2 sottoterra (carbon capture and storage, CCS), la si può convogliare nei fotobioreattori dove diventa nutrimento per le alghe.

Questo crea un ciclo virtuoso: l'industria pesante produce CO2, le alghe la catturano e la trasformano in biomassa, la biomassa diventa biocombustibile che viene bruciato rilasciando nuovamente CO2, ma in quantità inferiore grazie all'efficienza del processo. Nel lungo termine, integrando più cicli e ottimizzando le efficienze, si può tendere a un bilancio di carbonio netto negativo.

Progetti pilota in tutto il mondo stanno testando questa integrazione industriale. In Germania, una centrale a carbone alimenta fotobioreattori che producono biomassa per mangimi animali e bioplastiche. In Cina, un cementificio ha installato impianti di alghe che catturano parte delle emissioni di processo. La tecnologia esiste: manca ancora la scalabilità economica.

Celle a combustibile a idrogeno: oltre le auto
Mentre i biocombustibili da alghe affrontano il problema delle emissioni nei settori difficili da elettrificare, le celle a combustibile a idrogeno offrono una soluzione complementare. Una cella a combustibile converte direttamente l'energia chimica dell'idrogeno in elettricità attraverso una reazione elettrochimica, producendo solo acqua come sottoprodotto.

Le auto a idrogeno esistono già, ma il loro mercato rimane di nicchia a causa della mancanza di infrastrutture di rifornimento. Tuttavia, le celle a combustibile mostrano vantaggi decisivi in applicazioni dove il peso delle batterie è proibitivo: treni, navi, camion pesanti, autobus urbani e veicoli da cantiere.

Un treno a batterie dovrebbe trasportare decine di tonnellate di accumulatori per avere un'autonomia ragionevole, riducendo drasticamente il carico utile. Un treno a celle a combustibile, invece, trasporta serbatoi di idrogeno compressi molto più leggeri e può rifornirsi in pochi minuti, esattamente come un treno diesel. In Germania, i primi treni passeggeri a idrogeno circolano già commercialmente su linee non elettrificate.

La sfida dell'idrogeno verde
Il problema delle celle a combustibile non è tecnologico, ma logistico ed energetico: come produrre l'idrogeno? Oggi, oltre il novanta percento dell'idrogeno globale viene prodotto da reforming del metano (idrogeno grigio), un processo che emette enormi quantità di CO2. L'idrogeno "verde", prodotto per elettrolisi dell'acqua usando elettricità rinnovabile, è ancora costoso e poco diffuso.

La chiave è l'integrazione con le rinnovabili intermittenti. L'energia eolica e solare produce elettricità in modo variabile: troppa quando c'è vento o sole, insufficiente quando mancano. Usare l'eccesso di produzione rinnovabile per elettrolizzare l'acqua e produrre idrogeno permette di stoccare energia in forma chimica, trasportabile e utilizzabile quando serve.

L'idrogeno diventa quindi non solo un carburante, ma un vettore energetico fondamentale per l'integrazione delle rinnovabili nel sistema energetico. Prodotto in eccesso di giorno, può alimentare celle a combustibile di notte. Prodotto in regioni ventose o soleggiate, può essere trasportato via pipeline o nave verso regioni meno favorite.

Biocombustibili da alghe e celle a combustibile a idrogeno non sono soluzioni magiche, ma tasselli di un puzzle complesso. La decarbonizzazione completa dei trasporti richiederà un mix di tecnologie: elettrico a batteria per auto e veicoli leggeri, idrogeno per trasporti pesanti e a lungo raggio, biocombustibili avanzati per aviazione e navigazione. L'importante è iniziare a costruire le infrastrutture oggi, perché il futuro sostenibile non si improvvisa.

 

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