Meccanizzazione e tecnologie per il controllo e ... - unimi.it

Meccanizzazione e tecnologie per il controllo e la sostenibilità dei Meccanizzazione e tecnologie per il controllo e la sostenibilità dei Meccanizzazione e tecnologie per il controllo e la sostenibilità dei Meccanizzazione e tecnologie per il controllo e la sostenibilità dei sistemi agricoli e forestalisistemi agricoli e forestali

Alghero 29 maggio Alghero 29 maggio –– 1 giugno 20161 giugno 2016

Life Cycle Assessment in AgriFood Chains – LabDIPT. DI SCIENZE AGRARIE E AMBIENTALI - PRODUZIONE, TERRITORIO, AGROENERGIAhttp://www.disaa.unimi.it/

http://sites.unimi.it/agrifood_lcalab/

INTRODUZIONE

INTROINTRONel 2014, circa 1796 impianti di biogas in funzione. EE da biogasfortemente incentivata anche per questo è importante verificareche sia ambientalmente sostenibile.

SCOPOi) Valutare l’impatto ambientale della produzione di EE in

impianti di digestione anaerobica (AD) caratterizzati dadiversa taglia e differenti alimentazionidiversa taglia e differenti alimentazioni,

ii) identificare gli aspetti chiave (hotspots) del sistema.

METODO DI ANALISIAnalisi del ciclo di vita o Life Cycle Assessment (LCA) DefinitoAnalisi del ciclo di vita o Life Cycle Assessment (LCA). Definitoda standard ISO, sviluppato per l’analisi degli impatti ambientalidei processi industriali è sempre più utilizzato anche per l’analisidei sistemi agro-alimentari.

Life Cycle Assessment in Life Cycle Assessment in AgriFoodAgriFood Chains Chains –– LabLabDIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRARIE E AMBIENTALI -

PRODUZIONE, TERRITORIO, AGROENERGIA

IL METODO DI ANALISI

DEFINIZIONE DEFINIZIONE 1 1 -- GOAL GOAL DEFINITIONDEFINITION

ULT

ATI

ULT

ATI

OBIETTIVO E OBIETTIVO E CAMPO CAMPO DIDI

APPLICAZIONEAPPLICAZIONE

1 1 -- GOAL GOAL DEFINITIONDEFINITIONDefinizione degli obiettivi dell’analisi e del campo di applicazione (confini e unità funzionale)

NE

DEI

RIS

UN

E D

EI R

ISU

ANALISI ANALISI DIDI

2 2 -- ANALISI ANALISI DI INVENTARIODI INVENTARIOAnalisi di inventario, finalizzata al reperimentodei dati necessari relativamente a input eoutput del sistema

RPRE

TAZI

ON

RPRE

TAZI

ON

INVENTARIOINVENTARIO output del sistema

3 3 -- ANALISI ANALISI DEGLI IMPATTIDEGLI IMPATTIConversione ed aggregazione dei dati di

INTE

RIN

TER

VALUTAZIONE VALUTAZIONE DEGLI IMPATTIDEGLI IMPATTI

inventario in pochi indici sintetici numerici

44 --INTERPRETAZIONEINTERPRETAZIONE DEIDEI RISULTATIRISULTATIe definizione di potenziali azioni dimiglioramento

Quando fare LCA

INDIVIDUAREINDIVIDUARE i processi che - all’interno del sistema analizzato - sono responsabili del maggior impatto potenziale sull’ambiente.

CONFRONTARECONFRONTARE SOLUZIONISOLUZIONI e/oe/o FILIEREFILIERE DIVERSEDIVERSE al fine di individuare quella aminor impatto



GLI IMPIANTI CONSIDERATI (i)

10 impianti di digestione anaerobica (LombardiaLombardia e PiemontePiemonte) caratterizzati da una potenzapotenza elettricaelettricap g ( ) ppvariabile da 100 a 999 kW, alimentati con insilatiinsilati didi cerealicereali (mais e triticale), refluireflui zootecnicizootecnici (liquamebovino e suino). Mesofilia e termofilia. Stoccaggi del digestato sia coperto che scoperto



UNITA’ FUNZIONALE = grandezza fisica a cui si riferiscono i risultati, esprime la funzione del sistemaIMPIANTI DI DA AGRICOLO 1 MWh elettrico (1 MWh) prodotto dal CHP

UNITA’ FUNZIONALE & CONFINI DEL SISTEMA

IMPIANTI DI DA AGRICOLO 1 MWh elettrico (1 MWh) prodotto dal CHP

CONFINICONFINI DELDEL SISTEMASISTEMA = definiscono cosa viene incluso nell’analisi e cosa è escluso poiché ininfluente,oggetto di un altro ciclo produttivo e/o non influenzato da processo produttivo oggetto di analisi

GAS DI SCARICO DEL CHP, CH4

CH4

EEEE

ETETDAUTILIZZO BG1 IMPIANTO ALIMENTATO 1 IMPIANTO ALIMENTATO

UNICAMENTE A REFLUIUNICAMENTE A REFLUI

FASE DI FASE DI CONVERSIONECONVERSIONE

EEEE

LIQUAME

DIGESTATO

Liquame bovino e suino

150 kW

CONVERSIONECONVERSIONE

OLIO, EE, CHP NH3,

N2O, CH4

EE-ET, NaOH, IMPIANTI

SurplusSurplus termicotermico dissipatodissipato

Liquame viene considerato scarto di un altro processo produttivo e quindi la sua produzione è ad impattoimpattoambientaleambientale nullonullo, viene però considerato il suo trasporto e si considerano evitate le emissioni cheavverrebbero con il suo stoccaggio tradizionale in vasca aperta creditocredito ambientaleambientale.



avve ebbe o co l suo stoccagg o t ad o ale vasca ape ta c ed toc ed to a b e talea b e tale.

CONFINI DEL SISTEMA (ii)GAS DI SCARICO, COMPOSTI N-P GAS DI SCARICO

BIOMASSA INSILATOCOLTIVAZIONE E RACCOLTA INSILAMENTO

FASE FASE DIDI STOCCAGGIOSTOCCAGGIOFASE DI CAMPOFASE DI CAMPO

CARBURANTI, OLIO TRINCEA

CARBURANTI, OLIOOLIO, TRINCEA

SEMI, AGROFARMACI FERTILIZZANTI

TRATTORI MACCHINE

GAS DI SCARICO, CH4

CH4

TRATTORI, MACCHINE OPERATRICI

ETETDAUTILIZZO BG22 IMPIANTIIMPIANTI ALIMENTATIALIMENTATI

FASE DI FASE DI

EEEE

DIGESTATO

COMPLETAMENTECOMPLETAMENTE CONCONINSILATIINSILATI DIDI CEREALICEREALI

Insilato di mais e diFASE DI FASE DI CONVERSIONECONVERSIONE

OLIO, EE, CHP NH3,


triticale

505 e 860 kW

SurplusSurplus termicotermico dissipatodissipato EE, CHP



N2O, CH4IMPIANTISurplusSurplus termicotermico dissipatodissipato

CONFINI DEL SISTEMA (iii)GAS DI SCARICO, COMPOSTI N-P GAS DI SCARICO

BIOMASSA INSILATOCOLTIVAZIONE E RACCOLTA INSILAMENTO

FASE FASE DIDI STOCCAGGIOSTOCCAGGIOFASE DI CAMPOFASE DI CAMPO

CARBURANTI, OLIO TRINCEA

CARBURANTIOLIO, TRINCEA

SEMI, AGROFARMACI FERTILIZZANTI

TRATTORI MACCHINE

GAS DI SCARICO, CH4

CH4

TRATTORI, MACCHINE OPERATRICI

ETETDAUTILIZZO BG

FASE DI FASE DI

EEEE

DIGESTATO

7 IMPIANTI 7 IMPIANTI CODIGESTIONE INSILATI CODIGESTIONE INSILATI

DI CEREALI E REFLUIDI CEREALI E REFLUIFASE DI FASE DI CONVERSIONECONVERSIONE

OLIO, EE, CHP NH3,

LIQUAME


100 e 999 kW

SurplusSurplus termicotermico dissipatodissipato EE, CHP



N2O, CH4IMPIANTISurplusSurplus termicotermico dissipatodissipato

ANALISI DI INVENTARIO: Raccolta dei dati

RILIEVI DIRETTI (DatiDati primariprimari) Schede di rilievo compilate dagli agricoltori per quanto riguarda

la tecnica colturale, i fattori produttivi consumati nel corso delciclo produttivo, la meccanizzazione delle operazioni di campo,

ReseRese delle diverse colture, Schede di rilievo per distanzedistanze didi trasportotrasporto, MonitoraggioMonitoraggio degli impianti: produzione di EE, alimentazione,

consumo di NaOH, elettricità, carburanti, olio motore,temperature di processo

DATI SECONDARI (ECOINVENT®,ECOINVENT®, BIBLIOGRAFIA,BIBLIOGRAFIA, MODELLIMODELLI DIDISTIMASTIMA) Perdite di metano per trafilamenti e durante trattamenti del

biogasbiogas Emissioni fumi di scarico del CHP Emissioni da vasche di stoccaggio del digestato Emissioni N e P compounds durante la coltivazione dei cereali Emissioni legate allo stoccaggio tradizionale dei reflui Emissioni legate allo stoccaggio tradizionale dei reflui Impatto ambientale dei fattori produttivi a logorio parziale (es.

trattori, operatrici, impianti di DA, CHP.)



INVENTARIO (i)

UnitàIMPIANTO

UnitàA B C D E F G H I L

Potenza elettrica kW 998 999 999 861 598 505 298 300 150 101Funzionamento ore/anno 7980 8550 8055 8211 8104 8503 8455 8098 7805 8350

T ° 40 0 40 0 53 0 41 0 40 0 55 0 39 0 40 5 40 0 40 0Temperatura °C 40.0 40.0 53.0 41.0 40.0 55.0 39.0 40.5 40.0 40.0Elettricità prodotta MWhel 7966 8523 8046 7068 4843 4291 2517 2428 1169 841

Autoconsumo elettricoMWhel 716.93 767.06 659.80 664.38 445.57 446.24 224.04 206.39 128.54 92.47

% 9.0% 9.0% 8.2% 9.4% 9.2% 10.4% 8.9% 8.5% 11.% 11%% 9.0% 9.0% 8.2% 9.4% 9.2% 10.4% 8.9% 8.5% 11.% 11%Insilato di maismais t/anno 16293 16566 10740 10948 0 10806 0 3374 0 1044Insilato di triticaletriticale t/anno 0 0 8055 6843 11143 0 0 2024.5 0 0Insilato di spigaspiga di di maismais t/anno 0 0 0 0 0 0 2114 0 0 0Liquame suinosuino t/anno 16957 0 10069 0 0 0 0 14172 4878 16700Liquame suinosuino t/anno 16957 0 10069 0 0 0 0 14172 4878 16700Liquame bovinobovino t/anno 0 26719 0 0 20260 0 11273 0 19512 0Acqua t/anno 0 3563 6713 8553 0 0 0 0 0 0

Separato liquido t/anno 43225 46312 43631 44476 43897 33658 5284 0 0 0p q



INVENTARIO (ii)

UnitàIMPIANTO

UnitàA B C D E F G H I L

Potenza elettrica kW 998 999 999 861 598 505 298 300 150 101Digestori nn 2 2 2 2 2 1 1 1 1 1

P tf t t i 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1Postfermentatori nn 2 2 2 2 1 1 1 1 1 1

Volume totale m3/ 11900 11900 11900 10600 7150 6100 3650 5300 4750 4200Volume specifico digestori m3/kW 5.5 5.5 5.5 5.9 6.2 5.7 5.5 8.5 18.4 19.9Volume specifico m3/kW 11.9 11.9 11.9 12.3 12.0 12.1 12.3 17.7 31.7 41.7Perdite di Metano t/ha 27.3 29.2 27.5 24.8 17.6 15.8 9.5 9.2 4.6 3.3

Autoconsumo termicomed % 23% 27% 35% 22% 33% 29% 17% 23% 54% 55%max % 31% 37% 43% 30% 45% 36% 23% 31% 74% 74%

Surplus termico MWh 6761.6 6821.7 5760.2 6363.1 3964.8 3800.4 2736.0 2455.3 748.8 531.5Surplus termico MWh 6761.6 6821.7 5760.2 6363.1 3964.8 3800.4 2736.0 2455.3 748.8 531.5

Stoccaggio digestato ‐ Aperto Coperto Coperto Coperto Aperto Coperto Aperto Coperto Aperto Aperto

Extra produzione di EE MWh 0.0 361.5 341.3 292.5 0.0 169.1 0.0 93.2 0.0 0.0

Perdite di metano 2% del CH4 prodotto

EM da digestato 8.9 kg CH4/MWh, 0.23 kg NH3/MWh, 0.27 kg NO2/MWh

Copertura delle vasche di stoccaggio del digestato - 80% delle emissioni di CH4, N2O , NH3

Impatto costruzione digestori Database Ecoinvent® modificando le informazioni presenti con quellerilevate e/o ricavate dalle relazioni tecniche ed applicando un fattore di scala di 2/3



LCIA (Life Cycle Impact Assessment)Metodo per la conversione e l’aggregazionel’aggregazione delledelle informazioniinformazioni raccolte nella fase di inventario (input

VALUTAZIONE DEGLI IMPATTI

Metodo per la conversione e l aggregazionel aggregazione delledelle informazioniinformazioni raccolte nella fase di inventario (inputconsumati e output in aria, acqua e suolo) in un numeronumero ridottoridotto didi indicatoriindicatori di impatto ambientale.

Consente, ad esempio, di sommare i diversi gas serra emessi considerandone la diversa efficacia(dannosità) nel causare il buco dell’ozono e quindi nel favorire l’effetto serra e il riscaldamento della(dannosità) nel causare il buco dell ozono e, quindi, nel favorire, l effetto serra e il riscaldamento dellatemperatura terrestre.

Esempio 1 kg CO2 = 1 kg di CO2 equivalente, 1 kg CH4 = 21 kg di CO2 equivalente

METODO DI CARATTERIZZAZIONERecipeRecipe, utilizzato per valutare i seguenti impatti potenziali: ClimateClimate changechange (CC)(CC) ClimateClimate changechange (CC)(CC) Ozone depletion (OD) Terrestrial acidification (TA) Freshwater eutrophication (FE) Marine eutrophication (ME) Marine eutrophication (ME) Human toxicity (HT) Photochemical oxidant formation (POF) Particulate matter formation (PM) Terrestrial ecotoxicity (TEx) Terrestrial ecotoxicity (TEx) Freshwater ecotoxicity (FEx) Marine ecotoxicity (MEx) Metal depletion (MD) Fossil depletion (FD) Fossil depletion (FD)



B C D F HInsilato di mais t/giorno 49 46.5 32 32 30.5 10 3

A E G I L

RISULTATI: confronto tra i diversi impianti (i)

/gInsilato di triticale t/giorno 24 20 33 6Insilato di spiga t/giorno 6Liquame suino t/giorno 51 30 42 15 48Liquame bovino t/giorno 75 60 32 60

B C D F HAperto Coperto Coperto Coperto Aperto Coperto Aperto Coperto Aperto Aperto

Climate change kg CO2 eq 423.1 ‐75.4 254.0 337.9 165.7 292.9 74.0 ‐22.8 ‐1543.5 ‐602.1Ozone depletion g CFC‐11 eq 0 011 0 008 0 012 0 013 0 017 0 011 0 011 0 012 0 007 0 011

LCategoria d'impatto Unità

A E G I

Ozone depletion g CFC‐11 eq 0.011 0.008 0.012 0.013 0.017 0.011 0.011 0.012 0.007 0.011Terrestrial acidification kg SO2 eq 5.709 4.135 6.220 6.375 5.991 5.021 5.646 5.531 1.015 3.984Freshwater eutrophication kg P eq 0.024 0.019 0.052 0.052 0.089 0.023 0.023 0.037 0.000 0.015Marine eutrophication kg N eq 0.239 0.176 1.231 1.227 2.961 0.213 4.790 0.698 0.032 0.159Human toxicity kg 1,4‐DB eq 26.425 25.376 27.439 27.771 28.724 26.671 26.819 28.077 24.874 28.058Photochemical oxidant formation kg NMVOC 0.619 0.380 0.787 0.848 0.852 0.630 0.433 0.585 ‐0.584 0.108Particulate matter formation kg PM10 eq 0.901 0.660 1.002 1.029 1.032 0.800 0.893 0.899 0.214 0.679Terrestrial ecotoxicity kg 1,4‐DB eq 1.231 0.976 1.078 1.114 0.105 1.187 1.204 1.101 0.020 0.752Freshwater ecotoxicity kg 1,4‐DB eq 0.889 0.711 0.824 0.851 0.233 0.868 0.896 0.866 0.121 0.658M i t i it k 1 4 DB 0 318 0 275 0 343 0 353 0 339 0 321 0 344 0 376 0 247 0 379Marine ecotoxicity kg 1,4‐DB eq 0.318 0.275 0.343 0.353 0.339 0.321 0.344 0.376 0.247 0.379Metal depletion kg Fe eq 9.548 8.343 11.777 12.072 11.861 10.214 12.354 14.905 9.133 15.358Fossil depletion kg oil eq 33.665 23.342 32.021 34.610 45.848 29.276 32.898 30.902 23.648 35.223

Grande variabilità dei risultati, l’alimentazionealimentazione è la variabile più importante. 1) Consumo di insilatiGrande variabilità dei risultati, l alimentazionealimentazione è la variabile più importante. 1) Consumo di insilatiassociato a emissioni di GHG, acidificazione ed eutrofizzazione e impatti legati all’emissioni di panell’ambiente, 2) reflui associati a crediti per CC a seguito della «sostituzione» dello stoccaggiotradizionale).

P l i i tti h l d lità di t ggit ggi d ld l dig t tdig t t ( t / t ) h l i t t



Per alcuni impatti, anche la modalità di stoccaggiostoccaggio deldel digestatodigestato (aperto/scoperto) ha un ruolo importante.

RISULTATI: analisi dei contributi Climate Change – Emissione di GHG

Prod&traspProd&traspProd&traspProd&traspbiomassebiomasse Impatto nontrascurabile mainferiore rispettoinferiore rispettoa quello legatoalle emissioni dadigestato

DADA RefluiReflui crediti ambientaliper il processomolto importantip

PerditePerdite didi CHCH44 18-22% delleemissioni di GHGemissioni di GHG

EmissioniEmissioni digestatodigestato Molto evidente il vantaggio legato alla copertura delle vasche di stoccaggio deldigestato



digestato

RISULTATI: analisi dei contributi Eutrofizzazione

Eutrofizzazione Eutrofizzazione Eutrofizzazione Eutrofizzazione marinamarina



RISULTATI: analisi dei contributi Eutrofizzazione

Eutrofizzazione Eutrofizzazione d l i d l iacque dolciacque dolci



RISULTATI: analisi dei contributi consumo di risorse minerali (metalli)

31,7 e 41.7 m3 di digestori/kW11,9 m3 di digestori/kW



RISULTATI (ii): confronto con il mix elettrico nazionale

Mix Mix elettrico elettrico

AAITAITA



CONCLUSIONI

ElettricitàElettricità dada DADA didi biomassebiomasse agricoleagricole sostenibilità rispetto al mix elettrico nazionale sempre garantitaElettricitàElettricità dada DADA didi biomassebiomasse agricoleagricole sostenibilità rispetto al mix elettrico nazionale sempre garantitaSOLO per impianti alimentati solo con reflui.

Possibili strategie di riduzioneriduzione dell’impattodell’impatto:g pp Utilizzo di sottoprodotti; Valorizzazione del surplus termico (serre, essiccatoi, riscaldamento domestico, ORC, gruppi ad

assorbimento, ecc.); Copertura degli stoccaggi del digestato.

LCA metodologia utile per «leggere» le complessità dei un sistema produttivo come quello della produzionedi EE da DA al fine di valutarnevalutarne gligli impattiimpatti ambientali, analizzareanalizzare ilil ruoloruolo deidei diversidiversi processiprocessi che locompongono e confrontareconfrontare diversediverse soluzionisoluzioni impiantistiche

p g gg g

compongono e confrontareconfrontare diversediverse soluzionisoluzioni impiantistiche.

ASPETTIASPETTI CRITICICRITICI molti dati e informazioni che si rivelano avere una forte influenza sui risultati dil t i bi t l d ti d i ( id i d ll i i i t d l di t tvalutazione ambientale sono dati secondari (es. riduzione delle emissioni con copertura del digestato,

emissioni di N-P nel ciclo colturali) e quindi per una valutazione puntuale dei singoli casi studiooccorrerebbero misure sperimentali.

MARGINIMARGINI DIDI MIGLIORAMENTOMIGLIORAMENTOPOSSIBILITA’POSSIBILITA’ DIDI INTEGRAREINTEGRARE COMPETENZECOMPETENZE DIVERSEDIVERSE



GRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L’ATTENZIONEGRAZIE PER L ATTENZIONEGRAZIE PER L ATTENZIONE

Life Cycle Assessment in Life Cycle Assessment in AgriFoodAgriFood Chains Chains –– LabLab

Laboratorio interdisciplinare costituito nel 2015 dal DiSAA dedicato all’applicazione del metodo del Life Cycle

Assessment ai processi agro-alimentari

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