Incremento dei consumi mondiali di energia I problemi che affliggono l’attuale sistema energetico sono vari, e tra questi i principali sono l’esaurimento dei combustibili fossili e le modifiche all’equilibrio ambientale del pianeta. (Tep= unità di misura convenzionale dell’energia, pari all’energia ottenibile dalla combustione di una tonnellata di petrolio, a cui si attribuiscono 10 milioni di chilocalorie; 1Gtep= 109tep) Fonte: Energia per il futuro. ENEA, vol.23

Fonti energetiche utilizzate nei 27 Paesi dell’Unione Europea (dati 2004)

Emissioni di CO2 e aumento di temperatura I problemi che affliggono l’attuale sistema energetico sono vari, e tra questi i principali sono l’esaurimento dei combustibili fossili e le modifiche all’equilibrio ambientale del pianeta. (Tep= unità di misura convenzionale dell’energia, pari all’energia ottenibile dalla combustione di una tonnellata di petrolio, a cui si attribuiscono 10 milioni di chilocalorie; 1Gtep= 109tep) Emissioni di CO2 e aumento di temperatura Fonte: IPCC, Third Assessment Report (2001)

All’aumentare del contenuto di idrogeno aumenta la quantità di energia disponibile

Le possibili soluzioni Uso di vettori energetici aventi impatto ambientale quasi nullo; ottenibili da fonti energetiche primarie rinnovabili, intercambiabili e ampiamente disponibili; facilmente distribuibili attraverso una rete ampia e diffusa. Una possibile soluzione a queste problematiche potrebbe essere l’uso di un vettore energetico che abbia come caratteristiche di avere un basso impatto ambientale, di essere producibile da più fonti energetiche e di essere facilmente distribuibile. Quando si parla di vettore energetico ci si riferisce non ad una fonte primaria di E, cioè ad una fonte di cui esistono giacimenti, ed è quindi presente in natura in forma direttamente utilizzabile e non deriva dalla trasformazione di nessuna altra forma di energia. Rientrano in questa classificazione sia fonti rinnovabili (quali ad esempio l'energia solare, eolica, idroelettrica, geotermica, l'energia delle biomasse) che fonti esauribili, come i combustibili direttamente utilizzabili (petrolio grezzo, gas naturale, carbone) o l'energia nucleare. Si differenziano dalle fonti di energia secondaria in quanto queste ultime possono essere utilizzate solo a valle di una trasformazione di energia (come l'energia elettrica o l'idrogeno). Fonte:Energia per il futuro. ENEA, vol.23.

Etanolo

Produzione di metano Produzione di etanolo Produzione di biodiesel da microalghe Produzione di idrogeno

Il possibile contributo dei rifiuti di natura biologica: vettori energetici gassosi ottenuti a partire da biomasse CH4 H2

Energia da digestione anaerobica

Tendenza della produzione di Biogas nell’UE (EurObserv’ER) Obiettivo UE 15 Tendenza attuale

Digestione anaerobica

I digestori anaerobici

Il biogas da discarica

Biodiesel da microalghe

L’idrogeno come vettore energetico

Cella a combustibile (fuel cell)

Produzione di idrogeno per via microbiologica: Processi a basso impatto ambientale Uso di fonti rinnovabili (es. residui dell’agroindustria) Possibilità di applicare strategie multiprocesso/multiprodotto

Sistemi integrati di fermentazione e Biofotolisi dell’acqua Fotofermentazione di composti organici Fermentazione di composti organici I processi di produzione La produzione biologica di idrogeno avviene infatti utilizzando fonti di energia rinnovabili, in un processo a basso impatto ambientale operante a temperatura e pressione ambiente, che può anche essere alimentato da rifiuti di natura organica (scarti vegetali, sottoprodotti di industrie alimentari, etc.). Sistemi integrati di fermentazione e fotofermentazione

Es. fermentazione acido mista

H2 da microrganismi a fotosintesi anossigenica

Enzimi coinvolti nella produzione biologica di idrogeno N2 + 8 H++ 8 e - + 16 ATP 2NH3+ H2 + 16 ADP + 16 Pi Nitrogenasi Idrogenasi 2 H++ 2 e - H2 Idrogenasi reversibile Idrogenasi "uptake" H2 2 H++ 2 e -

Biofotolisi diretta dell'acqua PS II e PS I 2 H2O 4 e- O2 + 4 H+ Fd H2asi 2 H2 Condizioni necessarie: 2 H2O 2 H2 + O2 Microalghe verdi Chlamydomonas spp. Scenedesmus spp.. Produzione in anaerobiosi, luce, bassa PH2 periodo di incubazione al buio

Biofotolisi diretta dell'acqua 2 H2O 2 H2 + O2 Cianobatteri Anabaena spp. Nostoc spp.

Biofotolisi diretta dell'acqua (Cianobatteri) Vantaggi Idrogeno prodotto dall’acqua Rilascio O2 Uso luce solare Limitazioni Attività H2-asi “uptake” N2-asi sensibile a O2 Bassi tassi produzione

Batteri rossi non sulfurei Fotofermentazione Substrati organici (acidi) PS I 2 e- Fd H2 4 ATP 2 H+ N2asi Acidi organici x H2 + y CO2 Rhodopseudomonas spp Rhodospirillum spp Batteri rossi non sulfurei

Fotofermentazione Vantaggi Idrogeno prodotto da reflui Uso ampio spettro di luce Tassi superiori a biofotolisi Altri prodotti di interesse applicativo Limitazioni Attività H2-asi “uptake” Produzione di CO2 Competizione con altre vie metaboliche che utilizzano NADH

H2 + CO2 Sistema a due fasi Fermentazione acidogenesi fototrofa Residui vegetali Acidi organici Fermentazione fototrofa acidogenesi 1° Fase 2° Fase

Sistema a due fasi-1°fase Fermentazione con microflora autoctona di residui vegetali provenienti dal mercato ortofrutticolo di Firenze RESIDUI VEGETALI

Sistema a due fasi-1°fase Recupero del fermentato. Composizione: Acido lattico 6,5 g/L Acido acetico 1,2 g/L Etanolo 0,15 % (v/v) Ammonio 70 mg/L Sono state effettuate tre fermentazioni vegetali, in tre diverse stagioni autunno-primavera-estate

Sistema a due fasi-2°fase Dispositivo: fermentatore 11 L Durata produzione: 4-5 giorni Tasso di produzione medio = 11-12 mL L-1h-1 Tasso di produzione max = 17-18 mL L-1h-1 Conversione substrato/H2 = 24-26%

Sistema a due fasi: produzione energia elettrica da H2 L’H2 prodotto ha alimentato una cella a combustibile PEMFC (che ha prodotto energia elettrica con una densità di potenza massima di circa 60 mW/cm2 a temperatura ambiente.