1

COLTURE DA

ENERGIA

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Il Comitato Intergovernativo sul Cambiamento Climatico (IPCC) ha concluso che “il riscaldamento del sistema climatico è indubbio” e che “la maggior parte dell’aumento osservato nelle temperature medie globali a partire dalla metà del XX secolo è molto probabilmente dovuto all’aumento osservato delle concentrazioni di gas ad effetto serra (GHG) di origine antropica”.

Le conseguenze del cambiamento climatico possono

determinare gravi effetti su importanti settori di sussistenza come l’agricoltura – diminuendo fortemente la sicurezza alimentare e ostacolando la lotta alla povertà – ma anche sulla salute umana e sugli ecosistemi.

3

Aumentare l’efficienza energetica, arrestare la deforestazione e sviluppare ed utilizzare fonti energetiche più pulite e sostenibili sono approcci chiave per affrontare il cambiamento climatico. La bioenergia è emersa come un’alternativa ai combustibili fossili e viene promossa (spesso anche con la concessione di contributi) come fonte pulita di energia. In aggiunta all’impulso determinato dal cambiamento climatico, le crescenti preoccupazioni per la sicurezza energetica e i costi crescenti dei combustibili fossili stanno spingendo molti paesi a considerare i biocombustibili come un importante elemento delle proprie strategie energetiche.

4

1997 - PROTOCOLLO DI KYOTO (TERZA CONFERENZA DELLE PARTI ALLA

CONVENZIONE SUI CAMBIAMENTI CLIMATICI)

o Riduzione dei gas ad effetto serra;

o Utilizzo di fonti rinnovabili di energia;

o Miglioramento efficienza energetica delle industrie e dei trasporti.

5

Uno dei maggiori obiettivi del XXI secolo è quello di sviluppare risorse rinnovabili e sostenibili, come alternativa al petrolio, le cui riserve sono limitate.

6

Risulta prioritario diminuire i consumi energetici e diversificare le fonti, specialmente quelle rinnovabili.

7

Bioenergie

Con bioenergia ci si riferisce ai prodotti della biomassa che sono stati convertiti in forma liquida, solida o gassosa, a seconda della materia prima di base e della tecnologia impiegata, per la generazione di energia. L’energia contenuta nelle biomasse vegetali può essere convertita adottando processi termochimici, biologici o fisici. Il risultato finale, a parte il caso della combustione diretta, è un prodotto ad alta densità energetica, utilizzabile con maggiore facilità e flessibilità in successivi dispositivi di conversione energetica.

8

Le biomasse comprendono un ampio spettro di

materiali vegetali che vanno dagli scarti urbani,

forestali ed agricoli, a piante specificamente

coltivate per produrre biocarburanti come il

bioetanolo e il biodiesel.

I residui agricoli possono essere di vario tipo: la

principale suddivisione è tra i residui secchi (come la

paglia o gli stocchi di mais) e i residui umidi (come

letame e liquami).

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BIOMASSE

RESIDUALI COLTURE DEDICATE

SCARTI FORESTALI SCARTI AGRICOLI SCARTI AGRO-INDUSTRIALI FORSU EFFLUENTI ZOOTECNICI

OLEAGINOSE ALCOLIGENE

LIGNEO-CELLULOSICHE

LEGNOSE ERBACEE PERENNI

ERBACEE ANNUALI

Le biomasse sono materiali di origine vegetale, scarti di attività agricole, di allevamento o di industrie del legno, utilizzate in appositi impianti al fine di produrre bioenergie

10

11

Le colture ‘da energia’ sono piante coltivate e

raccolte per produrre biocombustibili, oppure per

generare calore o elettricità mediante la loro

combustione.

Esse possono quindi essere utilizzate come

biomasse, oppure per fornire uno specifico prodotto

per una particolare applicazione energetica.

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Specie utilizzabili per le coltivazioni energetiche

13

Principali specie utilizzabili per le coltivazioni energetiche

14

Principali specie utilizzabili per le coltivazioni energetiche

15

Principali specie utilizzabili per le coltivazioni energetiche

Sylibum marianum virgatum

Switchgrass

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Principali specie utilizzabili per le coltivazioni energetiche

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18

Conversione termochimica

19

Filiera biocombustibili solidi da combustione

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Combustione per la produzione di energia termica e/o elettrica

La combustione consiste nell’ossidazione di una sostanza combustibile mediante l’O2 contenuto nell’aria.

Scopo della combustione è di produrre un flusso di gas caldi che vengono utilizzati per la produzione di vettori energetici che a loro volta possono alimentare un ulteriore processo (es. turbina a vapore).

21

Pre-trattamenti alla combustione

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Caratteristiche delle colture dedicate alla combustione diretta

•Adattabilità all’ambiente •Elevata resa in biomassa •Stabilità della resa •Elevato potere calorifico •Basso contenuto di umidità alla raccolta •Basso contenuto in ceneri •Rapporto output/input favorevole •Tecnica colturale semplice e “sostenibile”

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Le specie utilizzabili per la produzione di biomassa sono

potenzialmente molto numerose dato che, non essendo

richieste particolari caratteristiche qualitative del

prodotto, la principale valenza agronomica delle specie

deve consistere nell’elevato tasso di crescita. Esse si

dividono generalmente in specie legnose e specie erbacee.

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Colture dedicate

Erbacee

Arboree

annuali

poliennali

Mais Sorgo Kenaf Falaridi

Canna comune Miscanto Cardo Cannetta

Pioppo Salice Robinia Eucalipto Ginestra

25

BIOMASSE PER COMBUSTIONE

In numerosi Paesi europei l’impiego complementare delle colture dedicate nella produzione di calore dalle biomasse agroforestali, costituisce da tempo un discreto business.

Le più rispondenti in assoluto risultano

senz’altro: il sorgo da fibra, la canna comune, il miscanto ed il cardo (quest’ultimo negli areali più meridionali).

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27 Raccolta sorgo da fibra

28 Imballatura sorgo da fibra

29

Canna comune

30

Raccolta invernale canna

31 Pioppo

32

33

Rispetto alle specie annuali, le perenni presentano vantaggi

economici significativi, permettendo di ammortizzare i costi

d’impianto (pari anche al 50% dell’energia totale spesa per

la coltura) lungo l’intera durata della coltivazione.

Le colture perenni, inoltre, presentano importanti vantaggi

ecologici, tra cui il limitato bisogno di lavorazioni del

terreno, riducendo i rischi di erosione, aumentando la

biodiversità del suolo e il sequestro del carbonio.

Grazie alla notevole rusticità delle specie perenni, queste

hanno una bassa domanda di elementi nutritivi e un’alta

resistenza a stress biotici ed abiotici.

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Miscanto (Miscanthus giganteus)

Specie erbacea poliennale, di taglia alta (fino a 3.5 m), dai fusti

piuttosto lignificati. Ridotte necessità di nutrienti (scarsa risposta

all’applicazione di azoto).

È una specie a ciclo fotosintetico C4 con alta efficienza di fissazione

del carbonio e di utilizzazione dell’acqua.

Esigente in termini di disponibilità idriche, soprattutto se confrontata

con la canna comune.

Propagata per divisione dei rizomi, e la meccanizzazione delle operazioni

di trapianto rappresenta un altro punto debole, essendo costosa e non

ancora perfettamente a punto. Possono essere utilizzate trapiantatrici

da patata, ma sono in via di sviluppo attrezzature specializzate. Si

trapianta in primavera alla densità di 20000 piante/ha e cresce

rapidamente sino a 1-2 m entro agosto. Negli anni seguenti, raggiunge

altezze molto maggiori (2.5-3.5 m) e le rese crescono progressivamente

nei primi 4-5 anni. La coltura può essere raccolta annualmente per 15-

20 anni senza che si presenti la necessità di un reimpianto.

35

36

Si raccoglie a fine inverno e le piante al momento della raccolta sono piuttosto secche (umidità relativa inferiore al 20%). La raccolta viene eseguita con una falciatrice da foraggi, la biomassa viene lasciata in andane per un’eventuale ulteriore asciugatura ed infine raccolta con una imballatrice da foraggi. Il miscanto entra in piena produzione soprattutto dal terzo anno in poi e la produzione media annua di sostanza secca è piuttosto elevata (fino a 14 t/ha), pari o superiore a quella del sorgo e inferiore soltanto a quella della canna. Il valore calorifico del miscanto è leggermente inferiore a quello delle colture legnose e il contenuto in ceneri è piuttosto alto (fino al 14%); la biomassa è inoltre caratterizzata da un elevato contenuto in silice.

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Canna comune (Arundo donax) La canna è la specie da energia più produttiva tra quelle sperimentate nell’ambiente mediterraneo. Pianta erbacea perenne dal fusto lungo, cavo e robusto, che forma dense macchie. Ciclo C3 con una inusuale elevata capacità fotosintetica. Dato il suo ritmo di crescita molto elevato, la canna può essere un’ottima fonte di biomassa per uso combustibile e di cellulosa per l’industria della carta. Ha un profondo apparato radicale, molto più sviluppato di quelli del sorgo o del miscanto, che consente di ottenere alte rese unitarie anche in condizioni asciutte. La canna raggiunge la maturità (5-6 m di altezza) rapidamente (circa un anno) e, a seconda del clima, può essere raccolta da una a tre volte all’anno. Produce una media di circa 25-28 t/ha annue di sostanza secca e può essere raccolta per 20-25 anni senza necessità di sostituire l’impianto.

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Tecnica colturale senza particolari difficoltà (normale aratura o

ripuntatura, facoltativamente accompagnata da una concimazione di

fondo di 100 kg/ha di P2O5) se non per la necessità di propagare

vegetativamente le piante a causa della sterilità del seme.

Per la messa a dimora delle piante si impiegano comunemente porzioni di

rizoma dotate di almeno una gemma oppure fusti maturi (> 2 anni di

età) interrati mediante l’ausilio di trapiantatrici. I rizomi vengono

interrati a fine inverno-inizio primavera, mentre il fusto può essere

trapiantato all’inizio dell’inverno.

Il sesto d’impianto che ha dato migliori risultati produttivi è di 20000

piante/ha.

Fortemente competitiva contro le infestanti.

La fertilizzazione azotata determina un sostanziale miglioramento della

sostanza secca prodotta, ma il suo effetto tende a scomparire nel

tempo.

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Cardo mariano (Sylibum marianum) Specie erbacea spinosa, comune negli ambienti mediterranei (temibile infestante dei pascoli per la sua competitività nei confronti di specie più pabulari). La sua rusticità e il suo tasso di accrescimento lo rendono interessante per la produzione di biomassa in asciutta, soprattutto nei terreni marginali o abbandonati. In grado di fornire una produzione di biomassa superiore a quella di cereali e foraggere in un ambiente con piovosità di 420 mm dalla semina alla raccolta (quasi 20 t/ha di biomassa all’85% di sostanza secca). Il suo output energetico è risultato inferiore a quello ottenibile con la canna comune o il sorgo, ma con un rapporto output/input di energia nettamente superiore a quelli delle altre due specie.

40

La tendenza attuale per le coltivazioni energetiche legnose

è di aumentare la densità di impianto e ridurre l’intervallo

di tempo tra i tagli. Possono essere praticate le gestioni definite come ‘Short Rotation

Coppicing’ (SRC), o ceduazione a breve rotazione – in cui il prodotto

viene raccolto ogni tre anni circa, ed è cippato direttamente al

momento della raccolta oppure dopo un periodo di asciugatura – o

‘Short Rotation Forestry’ (SRF) – che è più vicina ad una gestione

forestale convenzionale, ma su una scala temporale più breve

(solitamente 8-20 anni).

L’alta densità di impianto e la brevità del turno di

utilizzazione consentono di ottenere rese produttive

elevate con piante ancora relativamente piccole e sottili,

che meglio si prestano alla raccolta meccanizzata.

41

Conversione biologica

BIOGAS

ETANOLO

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Filiera biogas

Fanghi o digestato con destinazione agronomica

COLTURE DEDICATE

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1 t silomais produce 100 m3 di metano + residui usati come concime organico

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Biogas

Il biogas è una miscela composta principalmente da metano (50-80%) che deriva dalla fermentazione, in condizioni di anaerobiosi (digestori) di sostanze organiche.

Diverse sono le materie prime che possono essere impiegate per la produzione, tra queste le biomasse vegetali (es. silomais) e forestali, deiezioni zootecniche e residui organici di varia natura.

Le biomasse vegetali con un elevato contenuto di proteine grezze, grassi, cellulosa ed emicellulosa, sono particolarmente idonee a questo scopo. Il contenuto di fibra invece è poco interessante.

Tramite una digestione biologica, da parte di alcuni batteri, in 20-40 gg, oltre al biogas si può produrre, grazie ad un cogeneratore alimentato dallo stesso biogas, anche energia elettrica.

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Distribuzione

in campo

Depurazione

Mercato

BIOMASSE

digestore Pulitore

BIOGAS

BIOGAS

Stoc-

caggio

BIOGAS

Separatore

(opzionale)

Frazione

liquida

Frazione

solida t.q.

Frazione

solida

compostata

Cogeneratore Bruciatore

Energia

elettrica Calore

LIQUAME

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Digestione anaerobica (produzione di biogas) Digestione anaerobica= demolizione della s.o. ad opera di batteri anaerobi e con temp. tra i 30°C e i 60°C. Il contenuto di CH4 può superare il 60% in volume. Il processo per un carboidrato può essere così semplificato: C6H10O5 + H2O -> 3 CH4 + 3 CO2 Alla fine del processo si ottiene un digestato

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La produzione di CH4 può variare da 6.000 a 9.000 m3/ha.

Con 6.000 m3/ha di CH4 e disponendo di gruppi elettrogeni con rendimento medio dal combustibile all'energia elettrica ceduta alla rete del 30% si producono oltre 17.000 kWh elettrici/ha di energia rinnovabile

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BIOMASSE E BIOGAS POTENZIALITÀ PRODUTTIVE

BIOMASSE ANNUALI

ERBACEE

MAIS TRINCIATO

SORGO ZUCCHERINO TRINCIATO

FRUMENTO TRINCIATO TRITICALE TRINCIATO

SORGO DA FIBRA SORGO A PIÙ SFALCI

INSILATI

t/ha s.s.

25

16-18

12-14

18-22

16-20

50

51

Filiera bioetanolo

52

53

Bioetanolo Il bioetanolo è un alcol ottenuto dalla fermentazione di prodotti

agricoli ricchi di carboidrati. Per la sua produzione si utilizzano colture saccarifere, amilacee, o residui lignocellulosici.

Il bioetanolo può essere utilizzato come carburante al posto della benzina (1 kg di benzina è pari a circa 1,64 kg di bioetanolo).

Mediante reazione con isobutilene, dal bietanolo si può inoltre produrre ETBE (etil-tertio-butil-etere), che può essere utilizzato come antidetonante nelle benzine in sostituzione del benzene o del MTBE.

Può essere aggiunto nelle benzine fino al 20%, senza modifiche al motore. Con opportune modifiche al motore si può arrivare anche al 100%.

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MATERIA PRIMA: Resa in Etanolo

3.3 t mais producono 1 t etanolo (coeff 3.3)

3.5 t grano producono 1 t etanolo (coeff 3.5)

3.6 t orzo producono 1 t etanolo (coeff 3.6)

3.7 t segale producono 1 t etanolo (coeff 3.7)

10 t di barbabietole producono 1 t etanolo (coeff 10)

1 t mais producono 0.300 t etanolo + 300-350 kg DDG/DDGS

1 t grano producono 0.285 t etanolo

1 t orzo producono 0.277 t etanolo

1 t segale producono 0.270 t etanolo

1 t barbabietola producono 0.100 t etanolo

55

56

Il bioetanolo di seconda generazione sarà quello prodotto

a partire dalla cellulosa ricavata da composti carboidrati

complessi presenti in parti delle piante diverse dalla

granella dei cereali.

La ricerca sta cercando di mettere a punto trattamenti

enzimatici e nuovi ceppi di lieviti per ottimizzare l’idrolisi

e la fermentazione dei composti cellulosici complessi.

Studi multidisciplinari stanno contemporaneamente

investigando la parete cellulare di alcune specie di grande

potenziale per la produzione di bioetanolo (soprattutto il

switchgrass), cercando di modificarne la composizione per

massimizzare la conversione di cellulosa in etanolo.

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58

Filiera biodiesel

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Biodiesel

Il biodiesel è un carburante ottenuto dalla lavorazione degli oli estratti da alcune piante, come colza, girasole, soia, cartamo, ricino ed altre brassicacee.

Le caratteristiche tecniche ne fanno il sostituto del gasolio, ma può essere utilizzato in miscela per ottenere combustibili alternativi.

Essendo completamente biodegradabile e privo di zolfo il suo impatto ambientale è notevolmente ridotto.

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Aspetti ambientali: completa rinnovabilità della risorsa; biodegradabilità del prodotto; bilancio positivo del C (riduzione effetto serra); bilancio positivo dell’energia in ingresso ed in uscita dal sistema filiera; migliore qualità delle emissioni da motori alimentati con biodiesel (minore presenza di PM10, benzene, alchibenzene, anidride solforosa, CO, metalli pesanti).

Aspetti agro-ambientali: diversificazione delle produzioni agricole; valorizzazione di ambienti “difficili” grazie all’impiego di specie adatte alle produzioni non-food;

Aspetti tecnico-applicativi: nessuna alterazione delle caratteristiche dei motori diesel utilizzando il biodiesel in mix. dal 5% al 30% con il gasolio; nessuna alterazione del funzionamento delle caldaie utilizzando olio tal quale o biodiesel puro; possibilità di utilizzazione dell’olio tal quale anche in diesel veloci per mezzo di apparecchiature in grado di modificarne viscosità e densità direttamente sul mezzo; possibilità di utilizzazione dell’olio tal quale in motori diesel lenti o in caldaie per la produzione di energia elettrica.

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POTENZIALI PRODUTTIVI

granella 3,5-4,0 t ha

granella 3,0-3,5 t ha

granella 3,0-3,5 t ha

olio 1,0-1,4 t ha

olio 1,3-1,8 t ha

olio 0,7-0,8 t ha

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63

Bioenergia e biocarburanti: opportunità e rischi (International Assessment of Agricultural Knowledge, Science and Technology for Development, IAASTD; www.agassessment.org)

64

Preoccupazioni ambientali Esiste un notevole dibattito sulle dimensioni delle emissioni dirette ed indirette di GHG con i biocombustibili, ed è ancora controverso se essi (soprattutto quelli di prima generazione) determinino dei benefici netti in termini di GHG. Alcune pratiche agronomiche con effetti negativi sono: i) l’asportazione dei residui colturali, con peggioramento della struttura del terreno, aumento dell’erosione e riduzione della sostenibilità dell’ecosistema; ii) il massiccio ricorso all’irrigazione per le colture ‘energetiche’ dedicate, con diminuzione della disponibilità idrica complessiva; iii) le piantagioni estensive di colture dedicate, con distruzione delle foreste e diminuzione della biodiversità (l’espansione agricola rappresenta circa il 70-90% dell’eliminazione globale di copertura forestale, e circa il 15-18% del totale di emissioni di GHG è a carico del cambiamento nell’uso dei suoli indotto dall’agricoltura). L’etanolo prodotto dalla canna da zucchero e i biocarburanti di seconda generazione possono realizzare una diminuzione dei GHG rispetto ai prodotti petroliferi, ma alcune colture, come il mais, non consentono gli stessi risultati, perché la loro produzione richiede massicci input basati sui combustibili fossili.

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Preoccupazioni di sicurezza alimentare

L’insicurezza alimentare è il mancato accesso fisico ed economico

delle persone ad un cibo sicuro, nutriente e culturalmente

accettabile in misura sufficiente da soddisfare i loro bisogni

dietetici.

La sicurezza alimentare è una delle principali preoccupazioni che

accompagnano l’uso dei biocombustibili. La produzione di materie

prime per i biocombustibili compete per terra, acqua e fertilizzanti

con la produzione di cibo, fibre e legname.

Colture agrarie utilizzate come combustibili e terreni agricoli

impiegati per l’impianto di colture da energia possono determinare

un aumento dell’insicurezza alimentare. È stato stimato che per

ogni punto percentuale di aumento del costo attuale degli alimenti

aumenta l’insicurezza alimentare di 16 milioni di persone.

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La crescente domanda per colture da materie prime, come ad esempio

il mais, ha contribuito alla volatilità dei prezzi agricoli mondiali,

soprattutto nel settore dei cereali.

A queste pressioni sui mercati agricoli globali e sui prezzi si sommano

altri fattori negativi per la disponibilità complessiva dei prodotti

agricoli, quali la ricchezza crescente delle economie emergenti – che

causa lo spostamento delle preferenze alimentari da alimenti base

tradizionali ad alimenti di derivazione animale (carne e latte) – e il

cambiamento climatico con il suo impatto sulla produttività agricola.