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Geo-engineering, microalghe marine e stabilizzazione del clima nel 21st secolo di Charles H. Greene et alii. parte II

tempo di lettura: 9 minuti

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livello medio
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ARGOMENTO: EMERGENZE CLIMATICHE
PERIODO: XXI SECOLO
AREA: DIDATTICA
parole chiave: geoingegneria

 

libera traduzione – per lo studio originale in lingua inglese seguite il seguente link:
Original article published 21 March 2017 – DOI: 10.1002/2016EF000486 


The Marine Microalgae Option

A differenza dei sistemi tradizionali BECCS, basati sulla produzione di piante terrestri, la produzione su larga scala di microalghe marine da impianti industriali a terra presenta alcune interessanti alternative [Huntley et al., 2015; Dipartimento di Energia (DOE), 2016a; Efroymson et al., 2016].

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è BUEFUEL-Cyanobacteria.jpg

Cianobatteri – I procarioti (Prokaryota) sono organismi cellulari che non hanno un nucleo e comprendono i batteri e gli archaea. Il nome si riferisce alla mancanza di nuclei (greco antico πρό pró “prima”, “prima”; κάρυον káryon “noce” o “nucleo”). La divisione degli esseri viventi in procarioti ed eucarioti fu chiaramente enfatizzata per la prima volta per i protisti da Edouard Chatton e pubblicata nel 1925. Il terzo dominio sono gli eucarioti. L’elica (έλιξ plurale eliche o eliche), detta anche vite, elica, spirale cilindrica o elica, è una curva che si avvolge intorno alla camicia di un cilindro a passo costante. Una curiosità: in botanica, le piante che crescono come eliche destrorse sono chiamate sinistre, perché viste dall’alto crescono in senso antiorario verso l’alto.
Cyanobacteria.jpg – Wikimedia Commons

La produzione di bioenergia da micro alghe marine può avere effetti positivi sul clima e sulla sicurezza alimentare evitando molte delle conseguenze negative ambientali associate a BECCS basati su piante terrestri [Lenton, 2014; Walsh et al., 2015, 2016; Greene et al., 2016]. Poiché le micro alghe presentano tassi di produzione primari tipicamente di un ordine di grandezza superiore a quello delle piante terrestri più produttive [Huntley e Redalje, 2007], esse possono produrre una quantità equivalente di bioenergia e / o cibo in meno di un decimo della superficie del terreno.

Semplificando i numeri di produzione da strutture di coltivazione a scala dimostrativa, Greene et al. [2016] hanno dimostrato che l’attuale domanda di combustibile liquido americano può essere soddisfatta da micro alghe in crescita in una zona di dimensione minore della metà del Texas (~ 392.000 km2), mentre l’attuale domanda di combustibile liquido globale può essere soddisfatta in un’area leggermente inferiore a tre volte (~1,92 milioni di km2). La coproduzione di proteine ​​nei prodotti nutrizionali algali per alimentazione animale e acqua nonché il consumo diretto umano è altrettanto sostanziale. Dagli stessi ~1,92 milioni di km2, necessari per soddisfare l’attuale domanda di combustibile liquido globale, possono essere coprodotti 2,4 gigatoni di proteine ​​[Greene et al., 2016]. Ciò corrisponde a circa 10 volte la produzione mondiale totale di proteine ​​di soia [Organizzazione delle Nazioni Unite per l’alimentazione e l’agricoltura (UNFAO), 2016].

algae bioOltre al potenziale significato dal punto di vista nutrizionale per la sicurezza alimentare globale, i biocarburanti microalgici diventeranno competitivi ai combustibili fossili [Beal et al., 2015; Gerber et al., 2016]. La produttività della biomassa a secco di 23 g/m2 / giorno, la coproduzione di acqua può portare il costo del bio crude al di sotto del target di ricerca a breve termine del Dipartimento dell’Energia americano di cinque dollari americani al gallone equivalente (GGE) [Gerber et al., 2016]. Gli scenari target, che riducono questo costo a meno di $ 3 per GGE, sono previsti per le tecnologie entro il 2022 [Dipartimento di Energia (DOE), 2016c]. La produzione su vasta scala di bioenergia e/o cibo da zero micro alghe marine può anche evitare molte delle conseguenze negative dell’ambiente associate ad una espansione dell’agricoltura terrestre [Greene et al., 2016].

In primo luogo, riducendo notevolmente i requisiti globali in materia di terra, la produzione di microalghe marine può essere limitata a terre non coltivabili, evitando così i conflitti con la produzione di prodotti alimentari agricoli. In secondo luogo, poiché le microalghe marine possono essere molto efficienti nel loro uso di sostanze nutritive, si possono evitare problemi connessi con il deflusso dei fertilizzanti e la successiva eutrofizzazione degli ecosistemi d’acqua dolce e marina. Infine, perché la produzione di micro alghe marine non richiede acqua dolce, non deve competere con l’agricoltura o con altri utenti per questa preziosa risorsa, spesso scarsa negli ambienti subtropicali aridi più adatti a questo settore. Nel contesto della mitigazione del cambiamento climatico, la produzione di biocarburanti da micro alghe marine può fornire un importante cuneo di stabilizzazione [Pacala e Socolow, 2004] per ridurre la dipendenza della società dai combustibili fossili. Anche presumendo una transizione verso fonti rinnovabili di elettricità e l’elettrificazione dei veicoli leggeri entro la metà del secolo [Coalizione elettrificazione 2010], sarà ancora necessario combustibile derivato dagli idrocarburi per alimentare veicoli pesanti, trasporti e aviazione nel settore dei trasporti.

Sebbene sia possibile produrre su vasta scala biocarburanti neutri al carbonio dalle microalghe sarà necessario che:

(1) l’elettricità utilizzata nei processi a monte e a valle sia fornita da fonti rinnovabili [Beal et al., 2015];

(2) sono stati sviluppati nuovi metodi per fornire la CO2 necessaria direttamente dall’atmosfera;

(3) i due precedenti requisiti possono essere raggiunti a costi ragionevoli (cfr. Sezione 5).

Una volta sviluppati tali metodi per produrre biocarburanti neutri al carbonio, potranno essere modificati per ottenere emissioni negative attraverso la produzione di prodotti biopetrolici a lungo termine.

algae6

dalle alghe al biocarburante
Les biocarburants à base d’algue convaincront-ils ? – AgoraVox le média citoyen

Utilizzando biofuel a base di microalghe come materia prima per la sintesi di molti prodotti chimici ampiamente utilizzati, quali le materie plastiche [Zeller et al., 2013; Otto et al., 2015], l’industria potrà realizzare emissioni negative e nello stesso tempo generare entrate. A differenza dello stoccaggio geologico di CO2 catturato, l’uso di queste materie plastiche e di altri prodotti biopetrolici nei progetti di costruzione su scala globale potrebbe fornire un metodo più sicuro e economicamente vantaggioso per sequestrare grandi quantità di carbonio per lunghi periodi di tempo [Greene et al., 2010b, 2016].

Oltre al ruolo diretto che possono svolgere nel mitigare e potenzialmente invertire gli effetti delle emissioni di CO2 fossili, le microalghe marine possono svolgere un ruolo altrettanto importante ma indiretto nella mitigazione del clima. Come accennato in precedenza, le micro alghe presentano livelli di produzione primaria molto più elevati rispetto a quelli terrestri, riducendo notevolmente la superficie del suolo necessaria per produrre una quantità equivalente di bioenergia e / o cibo. Sostituendo la coltivazione di microalghe marine per le pratiche agricole tradizionali, si possono ottenere importanti emissioni di CO2 e risparmi di acqua [Walsh et al., 2015, 2016].

Infatti, ragionando su scala globale, la riduzione delle emissioni, derivante dallo spostamento dell’agricoltura convenzionale, potrà superare i vantaggi dei biocarburanti micro algici nel raggiungimento degli obiettivi di stabilizzazione del clima [Walsh et al., 2015, 2016].

Sfide future
Il concetto di coltivazione di micro alghe marine per la bioenergia, la sicurezza alimentare e la stabilizzazione del clima è molto attraente. Tuttavia, per poter avere successo, l’energia solare, l’energia elettrica, la CO2 e le sostanze nutritive devono essere fornite in modo da essere favorevoli con la valutazione del ciclo di vita (LCA), l’analisi tecnica (TEA) ed una valutazione integrata di valutazione [Es. Sills et al., 2013; Beal et al., 2015; Gerber et al., 2016; Walsh ed altri, 2016]. Alti livelli di radiazioni foto sinteticamente attive sono necessarie per ottenere i tassi di produzione primaria necessari per le operazioni redditizie e questo pone vincoli geografici per la collocazione dei potenziali impianti di produzione. In una valutazione globale, Moody et al. [2014], ha rivelato che le regioni subtropicali aride del mondo sono particolarmente attraenti.

Questa immagine ha l'attributo alt vuoto; il nome del file è BIOFUEL-CSIRO_ScienceImage_4157_Varieties_of_bluegreen_algae_in_flasks.jpg

Varietà di alghe blu-verdi (o cianobatteri), Adelaide, SA. 1993 – autore Willem van Aken, CSIRO
CSIRO Science Image 4157 Varieties of bluegreen algae in flasks.jpg – Wikimedia Commons

Per le micro alghe marine, le aree costiere dell’Australia, del Brasile, dell’India, del Messico, del Medio Oriente, del Nord Africa Sahariane e dell’Africa meridionale sembrano le più promettenti [Moody et al., 2014, figura 1]. L’elettricità necessaria per alimentare i processi produttivi a monte ed a valle rappresenta una gran parte delle spese operative necessarie [Beal et al., 2015]. Data la necessità  di radiazioni solari per ottenere elevati tassi di produzione primaria dalle microalghe, le tecnologie solari concentrate e fotovoltaiche offrono opzioni energetiche rinnovabili per la generazione dell’energia elettrica necessaria.

L’energia eolica può anche fornire un’efficiente fonte rinnovabile di energia elettrica [Beal et al., 2015]. Da una prospettiva LCA, la limitata penetrazione delle fonti energetiche rinnovabili nell’attuale generazione di energia su larga scala rende l’elettricità dalla rete meno attraente in molte località. Tuttavia, la scalabilità dell’energia solare ed eolica può renderli favorevoli per la generazione locale di elettricità localizzata, in particolare nelle regioni considerate più attraenti per la produzione di microalghe marina su larga scala. La produzione di microalghe marine richiede anche una maggiore disponibilità di CO2 per ottenere elevati tassi di produzione primaria anche se sviluppati in sistemi aperti esposti a CO2 atmosferica. Ciò è dovuto al fatto che il flusso di CO2 attraverso l’interfaccia acqua-aria è tipicamente limitato in base alle diluizioni, concentrazioni ambientali di questo gas nell’atmosfera.

Attualmente, le proiezioni di coltivazione microalghe ridotte si basano su fonti industriali esterne di CO2 [Dipartimento di Energia (DOE), 2016b]. Questo crea due vincoli principali per l’eventuale commercializzazione. Innanzitutto la maggior parte delle fonti industriali di CO2 sono alimentate dai combustibili fossili per cui i biocarburanti che vengono prodotti libererebbero carbonio derivato dai fossili quando bruciati e quindi non sarebbero veramente neutri al carbonio. In secondo luogo, il costo del trasporto del gas CO2 da fonti esterne e industriali diventa proibitivo a distanze maggiori di 10 km. In uno studio dettagliato di progettazione ingegneristica, condotto da Royal Dutch Shell, è stato stabilito che i costi combinati di trasporto di CO2 e di acqua marina hanno gravemente limitato il numero di siti potenziali in tutto il mondo che potrebbero ospitare la produzione su larga scala di microalghe marine. Entrambi i vincoli possono essere superati se la CO2 necessaria potesse essere catturata dall’atmosfera direttamente nel sito di coltivazione con un costo ragionevole. Una soluzione sarebbe quella di dispiegare un sistema di assorbimento DAC e poi catturare la CO2 nei bioreattori negli stagni aperti utilizzati per la coltivazione [Greene et al., 2016]. Per essere attraente, da un punto di visto economico, la CO2 dovrebbe essere fornita ad un costo minore  ai $ 100 / ton. Per essere attraente da una prospettiva LCA, la potenza elettrica per la cattura della CO2 dovrebbe essere fornita da una fonte di energia rinnovabile locale (ad esempio fotovoltaica). Un’altra soluzione consisterebbe nella valorizzazione dell’efficienza del trasferimento di gas di CO2 attraverso l’interfaccia acqua-acqua di stagni aperti attraverso lo sviluppo di nuovi approcci idromeccanici [Greene et al., 2016].

Attualmente, gli scienziati e gli ingegneri della Cornell University stanno esplorando la fattibilità di aumentare il gradiente  attraverso questa interfaccia riducendo lo spessore del bordo di concentrazione [Citerone, 2016].

Il concetto base coinvolge “il sintonizzarsi” del flusso dello stagno in modo da indurre instabilità nel flusso e l’assottigliamento del limite di concentrazione. Sfruttando la più elevata efficienza di trasferimento di CO2 e la grande superficie degli stagni per lo scambio di gas, tutta la CO2 necessaria per la coltivazione, almeno negli stagni aperti, potrebbe essere teoricamente fornita con mezzi idromeccanici. Ancora una volta, i requisiti di potenza per il potenziamento idromeccanico dovrebbero essere economici e preferibilmente forniti in loco da una fonte di energia rinnovabile.

In sintesi, se fornito da un sistema DAC o da un potenziamento idromeccanico, la cattura di CO2 direttamente dall’atmosfera sul posto aumenterebbe notevolmente il numero di siti produttivi potenziali in tutto il mondo.

Un’altra importante sfida alla produzione industriale su larga scala di micro alghe marine è la sua domanda relativamente elevata per sostanze nutritive, in particolare di fosforo [Lenton, 2014; Walsh ed altri, 2016]. Le richieste agricole attuali per il fosforo sono insostenibili e la sicurezza alimentare globale è già a rischio per questo secolo, a meno che l’Uomo non venga reso più efficace nel suo utilizzo di fertilizzanti e nel riciclaggio di sostanze nutritive dagli acque di scarico [Canter et al., 2015]. Fortunatamente, la coltivazione di micro alghe marine può essere altamente efficiente nel suo uso di nutrienti, perdendo solo quelli che vengono effettivamente raccolti nei prodotti desiderati. Inoltre, le micro alghe possono fornire la base per i sistemi di trattamento delle acque reflue efficienti [Mu et al., 2014]. Pertanto è essenziale, per trovare una soluzione a lungo termine al problema del fosforo, l’integrazione di sistemi di trattamento delle acque reflue a base di micro alga ed un efficiente riciclaggio dei nutrienti.

In conclusione, la produzione industriale su larga scala di micro alghe marine può svolgere un ruolo multi disciplinare per aiutare la società a raggiungere gli obiettivi di stabilizzazione del clima concordati al COP 21 di Parigi. Investimenti significativi per la ricerca e lo sviluppo saranno essenziali nel prossimo decennio per migliorare la bioenergia e la produzione di alimenti, riducendo contemporaneamente l’uso del suolo e le emissioni di CO2. I rigorosi studi LCA, TEA e IAM devono guidare gli sforzi futuri per ridurre gli impatti ambientali e i costi finanziari associati [Dipartimento dell’Energia (DOE), 2016c].

Con lo sviluppo di queste tecnologie a livello globale, le prospettive per raggiungere gli obiettivi di stabilizzazione del clima COP 21 potranno migliorare, raggiungendo contemporaneamente una sicurezza energetica ed alimentare.

Ringraziamenti
Tutti i coautori di questo articolo sono attualmente membri del team di progettazione di MAGIC (Marine Algae Industrialization Consortium), sostenuto da una borsa di studio presso la Duke University presso il Dipartimento per l’energia americana (DE-EE0007091). Il team di progettazione ha precedentemente partecipato al consorzio di biocarburanti Cornell Marine Algae, sostenuto da sovvenzioni del Dipartimento per l’Energia degli Stati Uniti (DE-EE0003371) e del Dipartimento dell’Agricoltura Usa (2011-10006-30361). Il supporto per MJW è stato fornito dalla National Biomedical Research Foundation.

 

In anteprima Blue-green algae (or cyanobacteria) in flask, Adelaide, SA. 1993 – autore Willem van Aken, CSIROhttp://www.scienceimage.csiro.au/image/4158

 

Original article published 21 March 2017
Geoengineering, marine microalgae, and climate stabilization in the 21st century (wiley.com)

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