Il picco del fosforo: di che si tratta? (2 parte)

Nota: si ricorda che le opinioni espresse in questo blog non sono da ascrivere alla SCI o alla redazione ma al solo autore del testo.

a cura di C. Della Volpe

La prima parte di questo post è stata pubblicata qui.

E’ stato Liebig attorno al 1840 che ha iniziato a chiarire il ruolo degli elementi chimici nello sviluppo e nella crescita degli esseri viventi; tuttavia la conoscenza empirica dell’importanza degli escrementi fa parte della storia della cultura umana, essendo basata su una lunga osservazione empirica; scrive Victor Hugo nella seconda parte de I Miserabili, parte II, Cap. 1 (1862):

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L’uso prima del guano, poi del letame ed infine negli ultimi decenni di quantità crescenti di minerali fosfatici, che hanno un contenuto attivo che è un ordine di grandezza superiore rispetto ad altre fonti hanno contribuito ad uno sviluppo eccezionale della produttività agricola mondiale attraverso un cambiamento della composizione media del terreno; un’idea del ruolo storico dei vari componenti si vede nel grafico qui sotto.

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Dopo la seconda guerra mondiale l’estrazione di minerali fosfatici ha costituito la fonte principale di fosforo per l’agricoltura; si è trattato della cosiddetta “rivoluzione verde”; gli effetti non si sono fatti attendere perchè con un incremento estremamente grande del weathering del fosfato (da 2 a 4 volte almeno secondo varie stime o perfino di più) rispetto alla situazione precedente si è avuto un aumento dei flussi di fosforo sia verso il terreno, con accumulo che ne ha ridotto o perfino distrutto la componente organica, sia verso il mare; il sistema della biosfera non è stato in grado di assorbire l’enorme incremento di nutrienti senza una modifica sostanziale della sua composizione.

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The global phosphorus cycle, G.M. Filippelli, Rev. Min. Geochem. doi: 10.2138/rmg.2002.48.10 v. 48 no. 1 p. 391-425, 2002

Una rappresentazione del medesimo dìfenomeno si vede in questo secondo grafico che cerca di descrivere in modo più completo i diversi “livelli” di ciclo del ciclo del fosforo, ciascuno giocato su una diversa scala temporale.

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P Soup (the global phosphorus cycle) by Elena Bennett and Steve Carpenter

March/April 2002 WORLD WATCH magazine

Lungo le coste delle zone più abitate del pianeta e con una agricoltura più intensiva si sono incrementate le cosiddette dead-zone,ossia le zone morte, le zone di oceano dove l’input di fosfato ha comportato prima una massiccia alterazione della composizione delle specie ed in ultima istanza una situazione di anossia che ha enormemente impoverito la biosfera stessa.

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Red circles show the location and size of many dead zones.
Black dots show dead zones of unknown size.
The size and number of marine dead zones—areas where the deep water is so low in dissolved oxygen that sea creatures can’t survive—have grown explosively in the past half-century. –
NASA Earth Observatory

La produzione mondiale di rocce fosfatiche è cresciuta secondo l’andamento mostrato nel grafico (linea rossa); essa è il risultato di un numero relativamente ridotto di grandi produttori mondiali; la linea blu sottostante mostra l’andamento della produzione negli USA; si vede che essa ha seguito il tipico andamento a campana delle risorse usate al di sopra della loro capacità di riproduzione; il picco del fosforo americano, ossia il momento di massima produzione fu raggiunto nei primi anni 80; dopo qualche anno gli USA hanno smesso di esportare rocce fosfatiche e sono divenuti importatori netti.

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L’effetto di questo fenomeno e anche quello della crisi dell’altro grande produttore mondiale del dopoguerra, l’URSS, che produceva, prima della caduta del muro, circa ¼ del fosforo mondiale e la cui produzione è crollata ad un terzo appena dopo il 1989, sono la spiegazione della brusca variazione di capacità produttiva mondiale che si vede nel grafico (linea rossa) a cavallo degli anni 90.

I dati possono essere analizzati meglio guardando al grafico sottostante in cui il trend di ciascun grande produttore è riportato in maggiore dettaglio; come si può vedere alcuni produttori come il Marocco, che è anche il detentore della maggiori riserve sono rimasti costanti, mentre la Cina ed un ristretto numero di nuovi produttori ha lentamente preso il posto dell’URSS (la cui produzione dipendeva in realtà non dal territorio russo ma da quello immenso di alcune altre repubbliche ex-sovietiche).

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Il risultato è stato che negli ultimissimi anni la produzione ha ripreso l’andamento esponenziale precedente agli anni 80; ma questa lunga battuta d’arresto ha mostrato cosa succede quando una risorsa limitata comincia ad incontrare difficoltà.

Infine è da notare che l’estrazione dalle fonti “nuove” è comunque una estrazione da fonti più povere.

Il massimo di concentrazione di P2O5 si ha nell’apatite sedimentaria con un eccezionale 42%; con due conti stechiometrici si arriva ad una percentuale finale di fosforo nel campione di circa il 18%. Tuttavia questa non è affatto la norma.

I valori medi sono notevolmente più bassi e i massimi si hanno in realtà o meglio si sono avuti in minerali che erano di fatto guano, come nel caso dei minerali estratti per oltre 100 anni nell’isola di Nauru, in Micronesia. Il deposito cosiddetto primario, uno dei più ricchi del mondo con una percentuale di P2O5 all’origine di quasi il 36% è praticamente finito nel 2000.

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Attualmente l’estrazione è ferma perchè rimangono solo pochi milioni di tonnellate di minerale e la estrazione potrebbe riprendere per un tempo limitato usando il fondo del deposito, che però ha una percentuale utile di circa la metà, ma i costi ne sconsigliano la gestione; Nauru, che è stata per qualche anno il paese più ricco del mondo, è adesso in bancarotta. E per di più l’80% del suo territorio è stato devastato dall’attività mineraria, sembra la Luna.

fosforo214http://www.aljazeera.com/news/asia-pacific/2008/03/200852518437658837.html

Storia simile a Makatea, nella Polinesia Francese; fortunatamente Mataiva è invece salva. Le percentuali di partenza nel mondo sono comunque in genere molto più basse e devono essere aumentate usando dei processi di arricchimento che sono costosi in energia ed economicamente. La conseguenza è mostrata in questo grafico che riporta i valori del minerale dopo l’arricchimento:

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Come si evince dal grafico della IFDC (che è una organizzazione privata per il miglioramento dell’uso dei fertilizzanti) le percentuali di minerali estremamente ricche (superiori ad una percentuale di P2O5 del 32 o più%) si sono ridotte ,mentre quelle attuali sono inferiori al 31-32%; le rocce più ricche sono esaurite; quindi in un certo senso come è avvenuto per il picco del petrolio il fosforo facile è alle nostre spalle; davanti a noi c’è un minerale ancora relativamente abbondante, ma meno ricco e più costoso da estrarre.

E’ istruttivo leggere ciò che il rapporto IFDC scrive a riguardo:

The most desirable sedimentary phosphate rocks contain distinct phosphate particles that can be separated from the unwanted gangue minerals. Insular deposits, a type of sedimentary deposit associated with oceanic islands (such as Nauru and Christmas Island), have been an important source of phosphate rock for more than 100 years; however, most of these deposits have been totally depleted or have short projected remaining lifetimes.

Penso che nessun commento sia necessario.

E questo si vede bene anche nel trend dei prezzi degli ultimi anni; il costo energetico di estrazione è cresciuto parallelamente alla difficoltà di estrazione e con esso il costo del minerale, che ha seguito bene il trend del costo dell’energia fossile: picco nel 2008, rimbalzo nel 2009 e incremento lento ma costante ed inarrestabile, con valori che sono attualmente rimasti doppi di quelli di qualche anno fa.

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Chi ha un po’ di occhio clinico noterà che questo trend rassomiglia molto a quello del petrolio; come mai c’è questa correlazione?

La spiegazione è semplice; il costo energetico dell’estrazione del fosfato è enorme; occorre scavare il minerale in genere da miniere a cielo aperto con enormi scavatori.

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(http://www.mosaicco.com/florida/mining.htm)

Macchine enormi, alcune dotate di ruote gigantesche prodotte ad hoc per esse, con giganteschi motori termici od elettrici.

Descrivendo la miniera del deserto isareliano del Negev (uno dei motivi per cui quel territorio fu assegnato ad Israele nel 1948 strappandolo agli arabi), agricoltura24 scrive (http://www.agricoltura24.com/concimi-la-lunga-strada-per-arrivare-sul-campo/0,1254,98_ART_6548,00.html):

Se infatti all’inizio dello sfruttamento delle miniere la quantità di roccia inerte (non utilizzabile per la produzione di concime) incideva per circa il 50%, oggi molto spesso è necessario spostare una quantità più di dieci volte superiore di roccia rispetto a quella fosfatica. In sostanza per estrarre 2,5 milioni di tonnellate di rocce fosfatiche vanno spostati ben oltre 25 milioni di tonnellate di pietre. Molte volte per arrivare a estrarre uno strato “buono” può servire anche un anno di lavoro, con costi produttivi decisamente elevati. Si va sotto anche di 75 metri per trovare rocce “pregiate” mentre tutta la miniera viene solcata da strade della larghezza di 28 metri per agevolare il passaggio nei due sensi di marcia dei mezzi da lavoro.

Giganteschi dispositivi di scavo mossi da enormi motori termici ed elettrici, con ruote alte 4-5 metri e costruite ad hoc, oppure nastri trasportatori lunghi decine o perfino centinaia di chilometri, che ricordano le descrizioni dei romanzi di fantascienza (come La città morta di Samuel Delany dove un nastro analogo trasporta il favoloso minerale di tetron).

Nonostante questo dispiegamento di tecnologia le perdite di minerale sono molto elevate, sia in fase di scavo, che di trasporto che di trattamento; il trattamento poi prosegue con reazioni in fase umida che portano alla produzione dei composti finali usati direttamente nel trattamento dei terreni.

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Questo spiega perchè ci sia una relazione così stretta fra costo dell’energia e costo dei concimi.

L’impoverimento delle fonti e il peso crescente dei produttori maggiori come il Marocco, che stanno ricorrendo via via a depositi di sempre minore qualità ha comportato un problema di impurezze; nel fosforo marocchino c’è una percentuale di Cadmio che tende a rimanere, ad accumularsi poi nei terreni dove il concime viene sparso, e questo problema crescerà nel corso del tempo. Del problema si è interessata anche la Commissione europea (http://ec.europa.eu/environment/enveco/taxation/pdf/cadium.pdf).

Negli ultimissimi anni c’è anche stata una guerra dei dati; l’USGS aveva una stima di riserve dell’ordine di 16 miliardi tonnellate; IFDC ha rilanciato alzando questo livello di quasi 20 volte; e l’USGS ha infine accettato una stima di circa 70 miliardi di tonnellate di riserve (utilizzabili cioè a condizioni correnti) e di risorse (utilizzabili ragionevolmente in futuro ma a condizioni più onerose e senza stime percentuali affidabili di P2O5) per 300.

La questione è che come per il petrolio non sono chiari i dettagli di questi dati: quali percentuali di minerale? Quali costi di estrazione? Quali tipi di impurezze? Il documento dell’IFDC non è in grado di esprimere valori certi di questi parametri pur criticando i valori di stime precedenti. Il MIT in un recente documento, sia pur di tipo didattico, critica questo tipo di variazione brusca delle stime, che sembrano rispondere più ad interessi di parte che alla verità delle cose.

Problemi legati ai concimi fosfatici ce ne sono anche di inaspettati; nei depositi di fosforite c’è una concentrazione relativamente elevata di uranio. Ne segue l’impatto radiologico dell’industria dei fertilizzanti connesso con tale l’elevata concentrazione di U-238 nelle fosforiti (minerali di partenza costituiti da fosfati di calcio) e nei loro derivati. In passato erano presenti in Italia diversi impianti che producevano acido fosforico attraverso il processo a umido, con la formazione di fosfogesso come sottoprodotto; impianti che hanno cessato l’attività. Sono comunque presenti alcune aree in cui sono stoccati e smaltiti i rifiuti (fosfogessi o altri residui) che possono rappresentare una potenziale sorgente di esposizione della popolazione. Il più grande deposito di questi materiali è proprio quello di Gela che contiene ben sei milioni di metri cubi di fosfogessi. Chi ne sa di più?

Concludo qui un breve racconto che però ha moltissimi punti da approfondire; la storia dei paesi più ricchi di fosfati come Nauru o il Marocco ha numerosi trascorsi drammatici che mostrano come la storia delle risorse si intreccia profondamente con quella più generale dell’umanità; scontri politici ed economici pazzeschi! Chi è interessato a queste storie d’ora in poi sa dove andare a guardare.

Il picco del fosforo, come quello del petrolio non corrisponde alla fine del minerale, ma solo alla fine del minerale “facile” meno costoso da estrarre; è una campana di allarme; non è un problema geologico; ancor prima di esso dovrebbero preoccuparci i problemi di inquinamento dal ciclo del fosforo che ci sono già nei mari e nei laghi; come nel caso del petrolio e dei fossili l’effetto di inquinamento (atmosferico o oceanico) è attivo contemporaneamente a quello di deplezione della risorsa.

In conclusione il picco del fosforo è inevitabile perchè il fosforo è una risorsa finita; ma non si può stimare la durata del minerale dividendo la sua presenza geologica per il suo attuale consumo; occorre considerare i complessi problemi che ho cercato di mostrare qui: costo energetico, ambientale, inquinamento dei mari, effetto sul ciclo complessivo dell’elemento; la situazione è simile a quella del petrolio e dei fossili: l’era del petrolio non finirà perchè finirà il petrolio e l’era del fosforo minerale non finirà perchè il fosforo finirà. (Intendo ovviamente l’era del fosforo minerale come è usato adesso, senza riciclo, senza attenzione all’ambiente, l’era del fosforo come tale non può finire senza avere come effetto la NOSTRA fine come specie, perchè il fosforo non è fungibile come il petrolio, il petrolio possiamo sostituirlo con il sole e il vento, il fosforo no!)

Comunque quando si verificherà il picco del fosforo da minerale? Potrebbe verificarsi in un periodo di tempo da 20 a 100 anni a partire da ora, a secondo del consumo che ne faremo e dei dettagli ancora non ben chiari di molti depositi, ma anche in funzione dei costi energetici ed ambientali della sua produzione e del suo spreco ambientale.

Una soluzione dei problemi dell’uso del fosforo da minerale si può avere solo con una crescita dell’efficienza della fase di applicazione (solo una parte minoritaria del minerale impiegato viene effettivamente usato dalle piante), ma anche sviluppando metodi di riciclo del fosforo, che in qualche modo estendano a livello moderno la logica descritta da Hugo dei contadini cinesi.

E per fare questo c’è bisogno di tanta chimica, ma stavolta veramente verde, che ci aiuti a trasformare l’agricoltura da semplicemente intensiva come ora, a struttura PERMANENTE di produzione del nostro cibo, nostro ossia di una specie finalmente integrata nel ciclo della biosfera terrestre.

Ricordiamo questa semplice regola: La biosfera può fare a meno di noi, noi non possiamo fare a meno della biosfera.

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Riferimenti e fonti (oltre quelli citati nelle immagini di questo e del precedente post) + un chiarimento sui depositi italiani.

-Global Environmental Change 19 (2009) 292–305 The story of phosphorus: Global food security and food for thought – Dana Cordell, Jan-Olof Drangert, Stuart White

– Resilience (http://www.resilience.org) Peak phosphorus: Quoted reserves vs. production history

Energy Bulletin on 2008-08-26 – James Ward

http://web.mit.edu/12.000/www/m2016/finalwebsite/problems/phosphorus.html

-Dati USGS: http://minerals.usgs.gov/minerals/pubs/commodity/phosphate_rock/

-Dati IFDC: SteveVanKauwenbergh_World_Phosphate_Rock_Reserve.pdf

http://www.firt.org/sites/default/files/SteveVanKauwenbergh_World_Phosphate_Rock_Reserve.pdf

http://www.fertilizer.org/imis20/images/Library_Downloads/2011_ifa_10myths_pr.pdf?WebsiteKey=411e9724-4bda-422f-abfc-8152ed74f306&=404%3bhttp%3a%2f%2fwww.fertilizer.org%3a80%2fen%2fimages%2fLibrary_Downloads%2f2011_ifa_10myths_pr.pdf

-http://www.phosphorusplatform.eu/images/download/HCSS_17_12_12_Phosphate.pdf

http://blogs.ei.columbia.edu/2013/04/01/phosphorus-essential-to-life-are-we-running-out/

-Human Impact on Erodable Phosphorus and Eutrophication: A Global Perspective ELENA M. BENNETT, STEPHEN R. CARPENTER, AND NINA F. CARACO March 2001 / Vol. 51 No. 3 • BioScience 227

-Svensson, B.H. & Soderlund, R. (eds.) 1976. Nitrogen, Phosphorus and Sulphur – Global Cycles. SCOPE Report 7. Eco!’ Bull. (Stockholm) 22:75-88

THE GLOBAL PHOSPHORUSCYCLE   U. PIERROU

-The Global Phosphorus Cycle K. C. Ruttenberg, Treatise on Geochemistry

ISBN (set): 0-08-043751-6 Volume 8; (ISBN: 0-08-044343-5); pp. 585–643

-VARIATIONS IN THE GLOBAL PHOSPHORUS CYCLE

  1. COMPTON et al. Marine Authigenesis: From Global to Microbial, SEPM Special Publication No. 66 Copyright 2000 SEPM (Society for Sedimentary Geology), ISBN 1-56576-064-6, p. 21-33.

http://en.wikipedia.org/wiki/Phosphate_mining_in_Nauru

Sui depositi italiani: Geological Quarterly, Vol 52, No 1 (2008)

Mineralogy of Miocene phosphatic nodules in SE Sicily (Italy)

Giuseppe Cultrone, Giorgio Anfuso, Eduardo Sebastián

Abstract

This paper describes the geochemistry and petrography of three phosphatic nodular deposits in Ragusa Province, south-east Sicily (Italy). Phosphate nodules of late Burdigalian age are dispersed in a soft, friable packstone matrix within the Irminio Member of the Ragusa Formation. Mineralogical analyses revealed large amounts of calcite (64 to 89 wt.%) and smaller quantities of carbonate-fluorapatite (CFA). P2O5 content was less than 18%. Microtextural observations demonstrated that phosphate precipitation occurred in the microenvironments in the sediment in confined spaces (i.e. cavities, perforations) and not in the shells of microorganisms. The crystals were all of a similar size (~1 mm), presented imperfections, and the{0001}CFA and the{1010}CFA forms were clearly apparent. These hexagonal prisms showed reduced growth along their c axis. Our data suggest that bacteria were involved in the precipitation of CFA.

Una delle conseguenze della grande abbondanza di calcite nei depositi italiani che pure hanno una estensione significativa stimata nel passato ad alcune decine di milioni di ton al 18% di abbondanza è che la loro estrazione sarebbe costosa; la eliminazione della calcite infatti si fa normalmente per via termica con grande spreco di energia, mentre tecnologie di flottazione pur possibili non sono al momento granchè usate a questo scopo.

7 thoughts on “Il picco del fosforo: di che si tratta? (2 parte)

  1. Ottimo articolo. Riassume e pone in evidenza molti problemi che spesso non riusciamo a collegare. Bene ricordare anche che il problema dell’eutrofizzazione da fosforo è ancora presente. Spesso ci si concentra su quella provocata dai composti azotati. Ma nonostante gli interventi per l’eliminazione dei composti a base di fosforo nei prodotti per lavaggio, le concentrazioni in alcuni laghi (quello di Varese per esempio) sono ancora alte.

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