62 n. 26-2016 1 luglio

BIOGAS-BIOMASSE

terra vita

BIOENERGIE E AGRICOLTURA

Da una sperimentazione in pieno campo promossa una nuova coltura energetica

Caratterizzata da rusticità, resistenza e alta produttività

di Luca Corno1, Samuele Lonati1, Carlo Riva1, Daniel Puglisi2, Roberto Pilu2, Fabrizio Adani1

La digestione anaerobica è oggi un pro-cesso diffuso in tutta Europa che ve-

de Germania, Gran Bretagna e Italia come i principali attori. L’Italia è il terzo produttore di biogas con una quantità di energia generata pari a 21.113 GW.Il sistema di incentivazione, che ha determi-nato un forte sviluppo del settore negli ul-timi 8 anni, vede ora un forte rallentamento dovuto alla riduzione dei contributi statali e all’incertezza legislativa con particolare ri-ferimento al biometano. In aggiunta, il basso costo delle fonti energetiche fossili rischia di rendere il settore della digestione anaerobi-ca ulteriormente meno competitivo. In un tale contesto, la sopravvivenza del settore biogas, come più volte riportato an-che dalle pagine di questo giornale (TV n. 17-2016), non deve basarsi esclusivamente sulla logica dell’incentivazione ma deve ne-cessariamente considerare la riduzione dei costi di produzione del biogas/biometano, per rendere il biogas competitivo “a prescin-

Risparmio di costi e terreno grazie alla canna comune

(fertilizzanti, anticrittogamici e apporti idrici) e conseguentemente nei costi molto com-petitivi (700-100 €/ha) rispetto alle più tra-dizionali colture energetiche come il mais (1.800-2.100€/ha).Lo sfruttamento della pianta per scopi ener-getici e industriali può essere potenzialmente molto vario, a seconda delle caratteristiche del materiale raccolto. La canna comune può essere impiegata nella produzione di biogas, di bioetanolo o di cippato per la combustio-ne diretta. Dalla biomassa è inoltre possibile estrarre e isolare un pool di diversi composti chimici che possono essere materia prima per svariate filiere: è possibile fornire com-posti molecolari e materie prime per le indu-strie produttrici di carta, prodotti alimentari, cosmetici, farmaceutici ed edilizi.Recentemente, la possibilità di impiegare la canna comune per produrre biogas è stata investigata in laboratorio (Corno et al., 2015),. I risultati mettono in evidenza come questa biomassa produca circa il 70% del biometa-no potenziale ottenibile con mais. In partico-lare valori di produzione di bio-metano per A. donax di 251 Nm3 CH4/tss, sono in linea con quelle le produzioni delle colture energetiche tradizionali utilizzate per produrre biogas. Nonostante ciò, ad oggi, non esistono dati relativi all’utilizzo di A. donax in un impianto di biogas di scala reale.

Una pianta energeticaIl Gruppo Ricicla – DiSaa di Milano propone in questo articolo i risultati di una sperimen-tazione di pieno campo su un impianto di biogas di scala reale di 380 kW di potenza (volume 2.660 m3; temperatura di esercizio 38-40°C) sito nel nord Italia, in cui il mais è stato parzialmente sostituito con insilato di canna comune.L’impianto considerato viene abitualmente alimentato con insilato di mais, miscelato ad

Tab. 1 - Rese di canneti artificiali di A. donax*

dere” dalle politiche energetiche e di incen-tivazione. Circa il 30-35% del costo di produzione del biogas è imputabile alla produzione e all’im-piego di colture energetiche (es. mais), ne-cessarie queste per impianti “grandi” (1 MW) perché contribuiscono per almeno il 70% alla produzione di metano di un impianto agricolo. La riduzione del costo della coltura energeti-ca diviene un fattore determinante per poter proporre impianti di grande dimensione, so-stenibili dal punto di vista economico. In questo scenario si colloca l’Arundo donax L. o canna comune, una pianta erbacea che negli ultimi anni sta suscitando un grande interesse nella comunità scientifica e non solo, per il suo sfruttamento a livello energe-tico e industriale. Arundo donax è una pianta perenne erbacea rizomatosa ampiamente diffusa in tutti i continenti e su tutto il territo-rio italiano. Data la sua rusticità e resistenza, essa è in grado di svilupparsi e crescere in condizioni pedoclimatiche molto differenti. L’attenzione per questa coltura trova giusti-ficazione nella notevole quantità di biomassa prodotta (tab. 1), nella sua resistenza ai diver-si stress abiotici e biotici, nella multifunzio-nalità del suo impiego per scopi energetici, nel ridotto numero di interventi agronomici

Paese Descrizione Resa (t s.s./ha) ReferenzeSpagna 3° anno 45,9 Hidalgo and Fernandez, 2000Spagna 3° anno 6,3-18,6 Christou et al., 2005Nord Italia 2° anno 20,3 “Gruppo Ricicla - DiSaaNord Italia 2° anno 33 “Gruppo Ricicla - DiSaaNord Italia 4° anno 40,4 “Gruppo Ricicla - DiSaaCentro Italia 3° anno (terreno marginale) 20 Nassi o Di Nasso et al., 2013Centro Italia 12 anni 37,7 Angelini et al., 2009Sud Italia 4° anno 34,9 Mantineo et al., 2009

*in Spagna e Italia (modificata da Corno et al. 2014).

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BIOENERGIE E AGRICOLTURA

altre biomasse, come riassunto in tab. 2. La parziale sostituzione del mais con A. donax è stata effettuata considerando la produzione potenziale di biogas, i.e. una eguale produ-zione di biometano da mais è stata sostituita con una quantità di A. donax in grado di pro-durre la medesima quantità di metano. Tale scelta deriva dal fatto che le colture energe-tiche possono avere una grossa variabilità produttiva in funzione delle loro caratteristi-che, epoca di raccolta etc. L’impianto, il suo funzionamento, le caratteri-stiche chimico-fisiche del digestato, le pro-duzioni di gas ed energia elettrica sono state costantemente monitorate in tre fasi succes-sive per un periodo di monitoraggio comples-sivo di quasi 100 giorni durante l’anno 2015:- fase 1: monitoraggio della fase metanigena

stabile con alimentazione a solo mais (Mix 1) come coltura energetica (Mix 1);

- fase 2: sostituzione della miscela con solo mais con una nuova miscela che contiene A. donax e mais (Mix 2) (66 giorni- fase di wash-out);

- fase 3: monitoraggio della fase metanigena stabile con Mix 2 (A. donax + mais).

L’insilato di mais (2014) è stato coltivato e insilato mediante le tradizionali tecniche a-gronomiche; in particolare è stato impiegato insilato di mais di primo raccolto nella fase 1 (Mix 1) e di secondo raccolto nelle fasi 2 e 3 (Mix 2) con rese di circa 19 t s.s./ha e 19.8 t s.s./ha, rispettivamente. La biomassa di A. donax deriva da un Arundeto costituito pres-so un’azienda agricola del Nord Italia nel 2016 partendo da piantine micropropagate forni-te dalla società Arundo Italia (Pe). Il suolo è stato arato ed erpicato prima di accogliere le piantine, interrate con una densità di circa 10.000 piante/ha; durante il primo anno, sono state effettuate delle irrigazioni per facilita-re l’attecchimento. La resa al secondo anno di impianto (2014) (biomassa utilizzata per la sperimentazione) è stata di 33 t s.s./ha.

Richieste minori superfici Considerando i biogas potenziali (ABP) delle singole biomasse impiegate nelle miscele di alimentazione, è possibile identificare il con-tributo delle colture energetiche, mais e A. donax alla produzione totale di bio-metano (tab. 2). In particolare, il contributo è stato pa-ri (come % della totalità di metano prodotto) all’85.4% nel Mix 1 (miscela al 73% di mais) e 82.2% nel Mix 2 (miscela al 62% di mais e 13% di A. donax), praticamente identico. Il contri-buto dato dal mais alla produzione di metano è stato perciò diminuito di circa il 22% nel Mix 2, sostituito da A. donax. La caratterizzazione »»»

chimica delle miscele usate nelle diverse fasi non ha mostrato significative differenze, ad eccezione del maggiore contenuto di solidi totali a causa del maggior impiego di biomas-sa energetica nel Mix 2 (tab. 3).Come è possibile notare dalla fig.1, la produ-zione di biogas, corrente elettrica e metano sono rimasti costanti per tutto il periodo di monitoraggio con nessuna variazione stati-sticamente significativa data dalla modifica della miscela di alimentazione. Durante le due fasi di monitoraggio 1 e 3, sono state registra-te delle produzioni di metano non statistica-mente differenti, pari a 1.873 Nm3/giorno e

1.963 Nm3/giorno, rispettivamente, mentre la produzione di corrente elettrica ottenute era-no pari a 8.999 kW/giorno e 9.055 kW/giorno.Il funzionamento dell’impianto è stato anche valutato attraverso la caratterizzazione del fermentato prelevato durante la digestione anaerobica (tab. 3). I dati mostrano, per le due miscele, condizioni ottimali per lo svolgimen-to della digestione anaerobica, a riprova che l’introduzione di A. donax non sortiva effetti negativi. La sostituzione dell’insilato di mais con la canna comune è stata valutata anche in ter-mini economici (tab. 4).

Tab. 2 – Miscele di alimentazione e biogas e biometano prodotto

Tab. 3 – Caratterizzazione chimica di biomasse, miscele e digestati

Input Input (ss) ABP CH4 BMP ABP ABP BMP BMPt/g t/g Nm3/t.

s.s.% Nm3/t

s.s.Nm3/g % Nm3/g %

Insilato di mais 15 4,74 577 54 312 2735 87,6 1477 85,4Liquame bovino 18 0,5 246 71,3 175 124 3,97 88,4 5,11Pollina 2 0,58 290 65,3 189 168 5,37 109 6,33Separato solido digestato 2,5 0,55 91 59,8 54,4 50,1 1,6 29,9 1,73Farina di mais 0,09 0,08 578 53 306 46,2 1,48 24,5 1,42Mix 1 37,6 6,45 557 51,9 289 3123  100 1729  100Insilato di mais 13 4,51 448 54 242 2021 69,3 1091 66,6Insilato di A. donax 3 0,91 501 56 281 457 15,7 256 15,6Liquame bovino 18 0,59 267 77,8 208 159 5,44 123 7,53Pollina 2 0,58 307 62 190 179 6,13 111 6,76Separato solido digestato 2,5 0,54 99 61,2 60,6 53,2 1,83 32,6 1,99Farina di mais 0,09 0,08 581 53 308 46,5 1,59 24,6 1,5Mix 2 38,6 7,22 518 53 274 2915 100 1639 100

pH Sost. secca

Solidi volatili

AGV Alcalinità Ammoniaca Azoto totale

% % g CH3COOH/kg g CaCO3/kg g/kg s.s. g/kg s.s.Insilato di mais 3,36 31,6 95,2 10,8 10,7 3,35 10,5Liquame bovino 7,54 2,8 76,7 6,55 10,4 38,7 68,1Pollina 7,19 28,9 69,3 15,1 16,6 16,7 50,5Farina di mais - 88,8 98,5 - - - 1,44Separato solido digestato 8,99 22 87,7 0,21 7,96 10,2 27Mix 1 4,87 19 90,9 8,41 8,45 5,98 18,8Insilato di mais 3,74 34,7 96,9 18,5 29,3 1,5 11,2Insilato di A. donax 4,66 30,4 93,3 11,8 11 - 8,87Liquame bovino 7,39 3,3 83,6 6,92 11,4 26 54,4Pollina 8,12 29,1 67,8 46,8 48,5 21 45,9Farina di mais - 88,9 98,7 - - - 1,51Separato solido digestato 8,62 21,5 86,8 0,22 9,76 10,1 27,1Mix 2 5,81 22,7 89,4 11,5 11,1 8,33 21,3Digestato Fase 1 7,96 8,94 77,2 0,47 14,7 30,7 55,8Digestato Fase 2 8,07 8,3 78,9 0,16 13,5 34,3 60,4Digestato Fase 3 7,76 9,25 77 0,85 15,5 32 56,1

ABP: biogas potenziale. BMP: biometano potenziale.

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BIOENERGIE E AGRICOLTURA

Il primo effetto della sostituzione del mais con A. donax è stata la riduzione delle super-fici necessarie per la produzione di biomassa grazie alle maggiori rese ottenibili: a parità di biogas prodotto è necessaria una minore su-perficie agricola coltivata e il ridotto costo di produzione della biomassa, dovuta ai minori interventi agronomici, hanno comportato u-na riduzione dei costi di approvvigionamento della biomassa del 9%. Confrontando i costi per l’ottenimento di biogas e di corrente e-lettrica attribuibili al solo costo delle colture energetiche (tab. 4) si può notare come, con l’inserimento della canna comune nella mi-scela di alimentazione, era possibile ridurre il costo rispettivamente di 16,6% e 20% per la produzione di biogas e corrente elettrica. Ipotizzando la crescente sostituzione del mais con A. donax sino alla sua completa surroga-zione si ottiene quando riportato in fig. 2. In particolare, le proiezioni riportate in figura 2 indicano che all’aumentare della percentuale di corrente elettrica ottenuta da A. donax (gra-do di sostituzione del mais con A. donax), si riducono fortemente i costi di produzione della biomassa (riduzione del 75,5%) (figura 2a), ri-sparmiando, inoltre, circa il 36% di superficie coltivata (figura 2b): da 91 ettari (100% mais) si scende a 58 ha (100% A. donax). La forte ridu-zione del costo di approvvigionamento della biomassa si riflette sul costo di produzione del biogas e dell’elettricità, portando in questo ca-so ad importanti risparmi pari al 75% e 80% (fig. 2c, d). Va inoltre sottolineato che le valutazioni riferite al “caso studio” sono state effettuate considerando una resa della coltura di A. do-nax al secondo anno di impianto e pari a 33 t s.s./ha; tenuto in considerazione che nell’are-ale della Pianura padana le produzioni potreb-bero essere superiori negli anni successivi, e pari a circa 40 t s.s./ha, la riduzione dei costi potrebbe subire degli ulteriori incrementi.

Uno sguardo al futuro Arundo donax è ormai una realtà del nostro territorio e molti imprenditori agricoli han-no già fatto questa scelta. Nonostante ciò, l’impegno nella ricerca di nuove performan-ce produttive non si ferma. Presso l’azienda agraria didattico-sperimentale A. Menozzi, Cascina Marianna, Landriano (PV) (N 45°18’, E 9°15’) dove è ubicata la collezione di A. donax (100 cloni provenienti dal territorio Italiano e non solo), negli ultimi sei anni sono continua-te le ricerche riguardanti la selezione clonale, le tecniche di propagazione e la conduzione agronomica dell’arundeto. I risultati più im-portanti ottenuti hanno messo in evidenza:- differenze produttive, anche notevoli, tra

Fig. 1 - Biogas, biometano e energia elettrica*

Fig. 2 - Valutazioni economiche riferite all’impianto

*e % di metano nel gas registrati nelle fasi di monitoraggio dell’impianto

* in base alla % di corrente elettrica prodotta da A. donax (a) costi totali di approvvigionamento della biomassa da colture energetiche; (b) fabbisogno di superficie annuale per la coltivazione delle colture energetiche; costo di produzione dovuto al costo delle biomasse del biogas (c) e dell’energia elettrica (d).

10.000

9.000

8.000

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Giorni

Fase 1 Fase 2 Fase 3

1 6 5611 6116 6621 7126 7631 8136 8641 9146 9651

Nm3 /

g; N

m3 C

H4/g

; kW

/g

%

Biogas Biometano Energia elettrica CH4

A B

C D

180.000160.000140.000120.000100.00080.00060.00040.00020.000

0

0,14

0,12

0,1

0,08

0,06

0,04

0,02

0

0,06

0,05

0,04

0,03

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1009080706050403020100

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90

90

100

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100

100

% kW da A. donax

% kW da A. donax

% kW da A. donax

% kW da A. donax

€/an

no€/

m3

€/kW

ha/a

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BIOENERGIE E AGRICOLTURA

e comparazione tra cloni diversi effettuata in parcelle presso il campo sperimentale di Landriano (Pv) (Di.S.a.a., Università di Milano) (b).

Tab. 4 – Biogas e corrente elettrica ottenibili dalle miscele di alimentazioneMix 1 (mais) Mix 2 (mais +canna)

Ettari/anno 91 89Costo della biomassa (€/ha) 1.800 1.667Costo totale approvvigionamento biomassa (€/anno) 164.250 149.318Costo unitario biogas (colture energetiche)a (€/Nm3) 0,12 0,1Costo unitario biogas (altre biomasse)b (€/Nm3 ) ≈0 ≈0COSTO TOTALE BIOGASc (€/Nm3) 0,36 0,34Costo unitario e. el. (colture energetiche)a,d (€/kWh ) 0,05 0,04Costo unitario e. el. (altre biomasse)b,d (€/kWh ) ≈0 ≈0COSTO TOTALE ENERGIA ELETTRICA c (€/kWh ) 0,18 0,17

aCosti riferiti solo all’approvvigionamento delle biomasse da coltura energetica.bCosti dovuti solo al costo della farina di mais (190 €/t).cCosti totali del biogas ed energia elettrica calcolati con i costi di manutenzione, gestione e ammortamento riferiti a un impianto di 550 kWh (Riva et al., 2014).dEnergia elettrica calcolata considerando il potere calorifico inferiore del metano pari a 8,79 kW/m3 CH

4.

Fig. 3 - Raccolta della biomassa a fine stagione vegetativa (a)

Fig. 4 - Confronto produttivo del clone selezionato Super Energy con altri cloni

i diversi cloni presenti sul territorio italiano;- l’importanza del primo anno d’impianto per la successiva produttività dell’arundeto.

- l’importanza di un solo sfalcio a fine stagio-ne vegetativa (fig. 3a) per il mantenimento della vigoria dell’arundeto negli anni.

Prove comparative effettuate in parcelle replicate (fig. 3b) hanno portato alla sele-zione del clone più produttivo: il “Super E-nergy ”, ceduto all’Università di Milano e in fase di registrazione al Cpvo (Community plant variety office). Questo clone si è di-mostrato facile da micropropagare a parti-re da frammenti di canna, facendo registra-re anche le migliori performance produttive che superano le 40 t s.s./ha, nettamente superiori ai cloni utilizzati nello studio com-parativo (fig. 4). n

RingraziamentiGli Autori ringraziano la società Arundo Italia e la società agr. Lanzoni per il supporto dato.

1Gruppo Ricicla, Laboratorio Biomasse e Bio-energia, Di.S.A.A., Università di Milano, via Celoria 2 - Milano.2Lab. Genetica e Gruppo Ricicla, Di.S.A.A, U-niversità di Milano, via Celoria 2 - Milano.

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