Gas infiammabile

6.1 Introduzione

La consapevolezza del gas infiammabile ottenuto da materiali vegetali marci è stata compresa fin dai tempi degli antichi persiani. Più tardi, quando la civiltà entrò nei tempi moderni, in Europa si stavano montando sistemi di drenaggio centralizzati e si riduceva il volume della materia solida nelle acque di scarico attraverso la digestione anaerobica. Allo stesso tempo, la comunità scientifica si stava concentrando sulla ricerca di nuovi combustibili alternativi proporzionali alla crescita della popolazione per soddisfare la crescente domanda di energia della società. La produzione di rifiuti è sempre proporzionale alla popolazione, con alcune frazioni di rifiuti che sono difficili da riciclare. Queste frazioni dovrebbero essere ulteriormente studiate per scopi energetici (Statistical Review of World Energy, giugno 2016). I materiali di scarto possono essere di molti tipi, principalmente biodegradabili come la biomassa, gli scarti alimentari, ecc. e non biodegradabili come la plastica, gli oli usati e i rifiuti metallici. Molti paesi come il Regno Unito (UK) e la Germania hanno usato questa idea per produrre gas infiammabile per l’illuminazione dei lampioni nei primi anni del 1900 trattando le acque di scarico. Il primo impianto di depurazione fu costruito a Bombay (attualmente conosciuta come Mumbai), in India, nel 1859. Nel 1930, la pratica dei rifiuti grange per generare gas infiammabile è stato sviluppato, sempre a Bombay . Nei primi anni ’60, la KVIC (Khadi and Villages Industries Commission) sviluppò impianti di biogas che furono utilizzati dagli abitanti dei villaggi indiani. Poco dopo, il successo del progetto, che utilizzava un tamburo galleggiante, costituì la base di un programma governativo indiano in corso per fornire agli abitanti dei villaggi indiani il combustibile da cucina.

Nei primi anni 1630, Jan Baptista Van Helmont, un chimico belga, stabilì che i gas combustibili potevano essere ottenuti dalla decomposizione della materia organica. Nell’anno 1776, la quantità di gas infiammabile prodotta fu trovata essere direttamente proporzionale alla quantità di materia organica in decomposizione dall’esperimento del conte Alessandro Volta. Nel 1808, Sir Humphrey Davy studiò se i gas metano erano prodotti durante la digestione anaerobica dei rifiuti del bestiame. Nel 1875, Wouter Sluys, un agricoltore olandese, utilizzò per la prima volta il metano per l’illuminazione. Inghilterra nel 1895 quando il biogas fu recuperato da un impianto di trattamento delle acque reflue “accuratamente progettato” e usato per alimentare i lampioni di Exeter. Il primo impianto di biogas in India fu costruito nel 1897 a Bombay.

La Cina ha installato 5 milioni di impianti basati sul design di una fossa settica prendendo un’iniziativa simile nei primi anni ’60 fino agli anni ’80. I disegni a forma di cupola sono stati sostituiti dal serbatoio rettangolare originale. L’India ha sviluppato disegni simili e ha formato la base di un programma attivo in Nepal con la partecipazione di vari gruppi, un programma che ora si chiama BSP (Biogas Sector Partnership). Cina, India e Nepal hanno sviluppato costantemente questo programma. Questo programma ha aumentato l’interesse più recentemente in Europa e nel Regno Unito. A causa dei picchi del prezzo del petrolio, alcuni gruppi nel Regno Unito hanno iniziato la produzione di energia in azienda attraverso il biogas come alternativa; questo è stato motivato dal programma indiano nei primi anni ’80. Quando l’impennata dei prezzi del petrolio spinse la gente a cercare alternative. La caduta del prezzo del petrolio, e quindi dell’elettricità, che ha restituito gli impianti di biogas poco redditizi alla fattoria, ha permesso ai 200 impianti costruiti in quel momento di sopravvivere .

La digestione anaerobica è una delle tecnologie più ampiamente applicate, ma non è ancora completamente compresa a causa del complicato processo di digestione, che dipende principalmente dal rendimento dei microrganismi. Inoltre, il rendimento di questi microrganismi dipende in gran parte dall’ambiente in cui risiedono. Molti modelli matematici sono stati sviluppati per studiare il comportamento del processo e la continua ottimizzazione di nuovi modelli. Questi modelli matematici non possono essere implementati direttamente nell’industria a causa del “fattore biologico”, che ostacola un processo che non è facile da realizzare e rende la digestione anaerobica altamente non lineare. Allo stesso modo, in un anno più di 130 milioni di tonnellate di cibo vengono sprecate in tutto il mondo, portando alla generazione di un’enorme quantità di rifiuti di cucina. I rifiuti di cucina hanno un alto contenuto di nutrienti organici e si decompongono rapidamente a causa dell’azione microbica. Questo causa cattivi odori e malattie che rendono la gestione dei rifiuti di cucina un problema serio in tutto il mondo. Poiché i rifiuti di cucina sono per lo più di natura organica, sono una materia prima ideale per la produzione di biogas e quindi il potenziale dei rifiuti alimentari e di cucina come substrato per la produzione di biogas è stato ampiamente studiato. La maggior parte degli sforzi di ricerca e sviluppo in tutto il mondo si concentrano su metodi per produrre i cosiddetti biocarburanti di seconda generazione che sono identificati come aventi eccellenti prestazioni ambientali così come un’elevata flessibilità della materia prima di biomassa.

La produzione di syngas dai rifiuti organici è un passo fondamentale nella realizzazione della maggior parte dei biocarburanti di seconda generazione. Diversi paesi dell’Organizzazione per la cooperazione e lo sviluppo economico (OCSE) hanno creato le loro industrie di biocarburanti per uso locale. La produzione annuale mondiale di syngas principalmente da fonti energetiche fossili come il gas naturale, il petrolio e il carbone è di circa 6 EJ, che corrisponde a circa il 2% del consumo totale di energia primaria. I principali produttori e consumatori di bioetanolo (circa il 95% del totale mondiale) sono il Brasile e gli Stati Uniti; allo stesso modo, per il biodiesel i principali sono Germania, Austria e Francia. Le materie prime preferite includono materiali di natura legnosa ed erbacea, nonché rifiuti agricoli, municipali e industriali. I carburanti sintetici per il trasporto come il biometanolo, il bioetanolo, il di-metil-etere (DME), il gas naturale sintetico, il carburante FT (Fischer-Tropsch) e l’idrogeno, che sono prodotti e commercializzati da Sasol (Sud Africa) e Mobil (Stati Uniti), sono alcuni esempi che possono essere convertiti in syngas con un processo di steam reforming. Il syngas derivato dal biogas potrebbe essere usato per una maggiore produzione di alcool.

Quando si esamina lo sviluppo del biogas nel mondo, l’India e la Cina non sono da meno degli altri paesi, anche se la spinta viene dall’Europa occidentale. L’India è conosciuta in tutto il mondo per aver costruito il primo digestore anaerobico in assoluto nel 1897, quando i rifiuti umani sono stati utilizzati per generare gas per l’illuminazione delle strade nel Matunga Leper Asylum di Mumbai. Intensa ricerca negli anni 1950, quando diversi disegni di impianti sono stati sviluppati. Il più notevole di essi, noto come “Grama Laxmi III” è stato sviluppato da Joshbai Patel (un lavoratore gandhiano del Gujarat). Divenne il prototipo per il modello a cupola galleggiante della Khadi and Village Industry Commission (KVIC). Dopo una pausa, l’interesse per il biogas fu rinnovato all’inizio degli anni 1960, quando la KVIC creò e sviluppò impianti standard di biogas. Fu così deciso di creare un milione di impianti di dimensioni familiari e molti altri impianti comunitari del governo, durante il sesto piano per cinque anni. Si è sostenuto fino ad oggi senza rotture e ha raggiunto 4 milioni di impianti (MNRE 2011). Il programma nazionale di gestione del biogas e del letame aveva previsto di installare 150.000 impianti di biogas “di tipo familiare” durante il 2009 e il 2010.

La biomassa è uno dei campi più focalizzati in India per i programmi di energia rinnovabile a causa della grande quantità di residui generati dalle colture, nonché della domanda di energia. Circa 26 colture da un totale di 39 colture residue sono considerate per il caso di studio. Complessivamente, l’India produce 686 MT di biomassa lorda di residui colturali su base annua, di cui 234 MT (34% del lordo) sono stimati come surplus per la generazione di bioenergia. Le aree rurali usano principalmente i raccolti e i rifiuti animali per la produzione di energia e per soddisfare i bisogni energetici per cucinare. Queste due sono le fonti primarie che contribuiscono a una grande quantità di rifiuti di cucina dalle aree domestiche e residenziali. Le statistiche dicono che le famiglie più grandi che ospitano più persone tendono a produrre più rifiuti delle loro controparti più piccole. Tuttavia, è stato riportato che le famiglie composte da una sola persona sono quelle che sprecano più cibo su base pro capite. Allo stesso modo, gli anziani sprecano tanto cibo evitabile quanto i giovani (1,2 kg a persona a settimana), un fatto che contraddice la saggezza accettata nella nostra società. Ogni anno si generano molti rifiuti di cucina che devono essere smaltiti per salvare il nostro ambiente. La digestione anaerobica è un processo biologico organizzato di decomposizione dei rifiuti di cucina che permette la cattura e l’utilizzo efficiente del biogas per la generazione di energia. Questo biogas è circa il 60% di metano e il 40% di CO2. Le persone nelle zone rurali di adottare tecnologie di biogas per soddisfare le loro esigenze di cottura domestica e di illuminazione, coinvolge Khadi e Village Industries, Janata e Deenbandhu impianti di biogas. Queste biomasse sono una grande fonte per la biometanazione e la produzione di vari combustibili liquidi come il biodiesel e gli oli da trasporto. La digestione anaerobica è uno dei processi principali per convertire la biomassa in biogas. Il biogas viene convertito in syngas tramite ossidazione parziale o steam reforming. Il syngas viene ulteriormente convertito in combustibili liquidi utilizzando vari metodi come il processo Fischer-Tropsch e con la metanazione il syngas viene convertito in metanolo, etanolo e vari biocarburanti.