Sostenibilità ambientale delle filiere di produzione ... · combustibili . Etanolo da cereali...

Sostenibilità ambientale delle filiere di produzione energetica da biomassa

Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari [email protected] http://people.unica.it/danielecocco/

“Le colture agroenergetiche: un’opportunità per l’agricoltura?” - Uta, 24 Ottobre 2012

mailto:[email protected]�

http://people.unica.it/danielecocco/�

Partiamo dal 22 Agosto 2012 …….. Le

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Nel 2012, dal 22 Agosto abbiamo iniziato a consumare risorse che la Terra non sarà in grado di rigenerare nel corso

dello stesso 2012!

Dal 22 Agosto per vivere stiamo intaccando il “Capitale Terra” e non usando solo gli “interessi” che può produrre

Pare che una Terra sola proprio non ci basti ….. Le

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2 Il primo Overshoot Day è stato il 31 Dicembre 1986.

Nel 1995 21 Novembre Nel 2005 2 Ottobre Nel 2009 21 Settembre Nel 2010 21 Agosto Nel 2012 22 Agosto

Italia (circa 4)

La sostenibilità nella produzione di energia Le

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Consumi di combustibili fossili in continua crescita (tasso medio annuo del 4-5%) ma riserve limitate (40-200 anni)

Una possibile soluzione: l’energia dalle biomasse Le

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Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, etc.); Residui agricoli e forestali (paglie, potature,

ramaglie, cortecce, etc.); Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti

vegetali, etc.); Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali,

etc.); Frazione organica dei rifiuti solidi urbani

(FORSU), il cosiddetto “umido”. Biomasse Residuali

Coltivazioni Energetiche

Le Tecnologie di conversione energetica Le

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Molte altre filiere e processi (gassificazione, pirolisi, etanolo da legnose, olio vegetale da microalghe, etc.) sono inoltre in

una fase di sviluppo più o meno avanzato

Bio-combustibili

Etanolo da cereali (USA) e canna da zucchero (Brasile) Olio vegetale da colza, girasole e

palma

Digestione anaerobica

Biogas da FORSU, residui vegetali e

coltivazioni erbacee

Combustione Caldaie a pellet e a cippato

Energia termica e elettrica

Combustibili per MCI

Energia elettrica da MCI o TG

La produzione di energia da biomassa Le

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Biomassa Ossigeno

Energia CO2 Ceneri

Energia solare CO2 Acqua Nutrienti

Il bilancio teorico della

CO2 è in pareggio!

Fotosintesi

Conversione

La produzione di energia da biomassa Le

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In realtà, occorre inoltre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale

dell’intera filiera!

Energia solare

Coltivazione biomassa

Residui

Trasporto prodotto

Conversione industriale

Energia utile

Combustibili Fertilizzanti, sementi, ecc.

Emissioni Emissioni

Combustibili

Sotto-prodotti Emissioni

Materiali, ecc.

Combustibili, energia el.

Coltivazione, trasporto e conversione industriale consumano risorse ed emettono inquinanti

Biomasse: opportunità e criticità Le

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Le biomasse sono l’unica FER che necessita di un combustibile non disponibile gratuitamente (elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio);

La biomassa può essere stoccata (è una fonte programmabile, diversamente da eolico e solare);

La filiera di conversione energetica ha un suo bilancio energetico e ambientale (le filiere non sono pertanto tutte equivalenti);

Sul medio periodo e su larga scala possono nascere problemi di competizione fra coltivazioni ad uso energetico e coltivazioni alimentari.

FILIERA CORTA – USO RESIDUI O PIANTA INTERA SOSTITUZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI PREMIUM

Le domande sulla sostenibilità delle filiere Le

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La produzione di energia dalle biomasse è sostenibile dal punto di vista dei bilanci energetici e ambientali?

Quale è la migliore filiera di conversione energetica delle biomasse dal punto di vista energetico e ambientale?

Quale è la principale forma di impatto ambientale prodotto dalle diverse filiere di produzione energetica da biomassa?

Quante emissioni di CO2 si possono evitare sostituendo la produzione di energia da fonte fossile con quella da biomassa?

L’Analisi del Ciclo di Vita (Life Cycle Analysis, LCA) Le

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“La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti sull’ambiente, ovvero l’uso delle risorse

e le conseguenze ambientali delle emissioni, lungo tutta la vita del prodotto (o del servizio),

dalla estrazione delle materie prime, alla produzione, uso, trattamento di fine vita, riciclo

e smaltimento finale, secondo un approccio denominato dalla culla alla tomba”.

(UNI EN ISO 14040 e 14044, Ottobre 2006).

Le fasi di uno studio LCA Le

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1. Definizione degli scopi e degli

obiettivi

LCA

3. Analisi degli impatti

4. Interpretazione e miglioramento 2. Analisi di

inventario

LCA della filiera di produzione energetica da colza Le

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Colza, girasole, soia, ecc.

Estrazione olio grezzo

Panello proteico

Transesterifica zione Biodiesel

Glicerina

Energia elettrica Metanolo Solventi Energia

elettrica

Olio

grezzo

Motore Diesel

Energia elettrica

Gas di scarico

Energia termica

LCA della filiera di produzione energetica da colza Le

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La filiera di produzione di energia da colza viene confrontata con l’analoga filiera di produzione energetica da combustibili fossili; A partire dal colza sono possibili diverse filiere

(biodiesel, energia elettrica da olio vegetale, ma anche energia elettrica usando la pianta intera); Ogni filiera si compone di 3 fasi (coltivazione,

trasporto e conversione finale in energia) ciascuna divisa in operazioni unitarie. L’unità funzionale è rappresentata dalla coltivazione di

1 ha di terra per un anno in condizioni climatiche tipiche dell’Italia meridionale. Tale scelta non è l’unica possibile (es. 1 MJ di energia, 1 t di olio), ma è congruente con gli scopi dello studio;

I confini del sistema per la filiera del colza Le

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Alcune assunzioni di base Le

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Semi 2 t/ha – PCI 26,8 MJ/kg – 42% olio (37 MJ/kg);

Paglie 3,5 t/ha – PCI 15,07 MJ/kg;

Trasporto semi 50 km, trasporto paglie 150 km;

Uso Fertilizzanti +100% di N e + 120% di P2O5 nel caso di recupero paglie;

Emissioni uso fertilizzanti azotati: 2% emesso come NH3, 1,25% come N2O e 0,6% come NOX;

Efficienza estrazione 98%, resa biodiesel 98%;

Consumo metanolo 0,11 kg/kgolio, consumo NaOH 0,06 kg/kgolio, resa glicerina 0,108 kg/kgolio;

Energia elettrica: 32 kWh/tseme per estrazione e 36 kWh tolio per esterificazione (+0,53 GJ termica);

Alcune assunzioni di base Le

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Machinery Operating time (h/ha)

Fuel and lubr. (kg/ha)

Means of production (kg/ha)

Field preparation Tractor: 78 kW, 5670 kg Plough: 600 kg 3.90 Fuel= 30.0

Lubr.= 0.90 -

Fertilization Tractor: 54 kW, 3240 kg Spreader: 300 kg 0.86 Fuel= 7.0

Lubr.= 0.22

N=91.2 kg/ha P2O5= 92.0 kg/ha K2O= 0.0 kg/ha

Sowing Tractor: 78 kW, 5670 kg Broadcaster: 470 kg 1.0 Fuel= 6.0

Lubr.= 0.18 Seeds=5.0 kg/ha

Herbicide and pesticide treatments

Tractor: 54 kW, 3240 kg Sprayer: 250 kg 0.45 Fuel= 6.0

Lubr.= 0.18 Glyphosate=3 kg/ha

Carbaryl=2 kg/ha

Cultivator Tractor: 78 kW, 5670 kg Rototiller: 500 kg 0.78 Fuel= 8.0

Lubr.= 0.24 -

Harvesting Harvester: 180 kW, 12500 kg 1.30 Fuel= 15.0 Lubr.= 0.45 -

Baling Tractor: 78 kW, 5670 kg Baling packer: 800 kg 1.50 Fuel= 12.0

Lubr.= 0.36 -

I risultati dell’inventario Le

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Principali elementi del bilancio energetico: filiera del biodiesel

Coltivazione Trasporto (50 km)

Conversione

12,5 0,2 5,9

53,6 53,6

106,3

52,7 13,6

26,8

Residui agricoli (3,5 t)

Panello (1,2 t) + Glicerina (80 kg)

Biodiesel (725 kg)

(Dati in GJ/ha)

Pianta intera

Seme (2 t)


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2 Trasporto (50 km)

Conversione (η=47%)

0,2 1,8

53,6 53,6

8,5

12,9

Panello

(1,2 t)

Energia elettrica

(3580 kWh) Seme (2 t)

14,5 Perdite

termiche

Coltivazione

12,5

106,3

52,7 Residui agricoli (3,5 t)

(Dati in GJ/ha)

Pianta intera

Principali elementi del bilancio energetico: filiera dell’olio vegetale


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Primary energy Environmental emissions

E (MJ/kg)

CO2 (g/kg)

CO (g/kg)

CH4 (g/kg)

SO2 (g/kg)

NOX (g/kg)

Diesel fuel production 46.7 346.8 2.92 9.27 3.48 1.22 Diesel fuel use (tractor) - 3397.5 13.4 0.2 5.0 37.38 Diesel fuel use (vehicle) - 3163.0 3.5 0.14 0.53 10.5 Lubricant production 83.7 326.8 2.62 8.73 3.28 1.15 Fertilizer production (N) 70.9 3896.0 4.8 31.4 5.7 8.4 Fertilizer production (P2O5) 14.6 725.5 0.8 3.1 6.0 2.2 Fertilizer production (K2O) 6.5 268.2 0.3 1.9 1.1 0.7 Herbicide prod. (Simazine) 213.0 11626.0 40.2 60.8 57.8 57.4 Pesticide prod. (Carbaryl) 185 8807.0 17.0 43.3 54.3 28.9 Methanol production 45.2 1106.0 2.8 10.2 2.9 2.0 Glycerine production 71.0 1292.0 1.76 6.87 2.38 1.87 NaOH production 26.5 1364.0 1.48 6.74 4.5 3.5 Hexane production 33.5 687.0 3.3 10.5 10.1 3.6 Tractor production 159.0 6638.0 23.5 38.8 46.6 32.5 Utensil production 83.4 3482.0 12.4 20.4 24.4 17.0 Animal feed (barley and oat) 5.47 230.2 0.71 1.23 0.52 1.55

Energia ed Emissioni degli input al sistema


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(g/t⋅km) CO

(g/t⋅km) CH4

(g/t⋅km) SO2

(g/t⋅km) NOX

(g/t⋅km) Transport (heavy-duty truck) 1.98 139.4 10.2 3.2 3.7 11.6


E (MJ/MJ)

CO2 (g/MJ)

CO (g/MJ)

CH4 (g/MJ)

SO2 (g/MJ)

NOX (g/MJ)

Power generation (Italy) 3.095 173.6 0.186 0.747 1.649 0.547

Trasporti e generazione elettrica


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E (MJ/kg)

CO2 (g/kg)

CO (g/kg)

CH4 (g/kg)

SO2 (g/kg)

NOX (g/kg)

Biodiesel transport 0.195 11.9 0.11 0.03 0.04 0.12 Biodiesel use (vehicle) - - 1.76 0.12 - 10.5 Rape oil use (Diesel generator) - - 4.99 0.256 - 21.5 Straw use (steam power plant) - - 0.238 0.106 0.977 0.986 Aboveground biomass plant use (steam power plant) - - 0.238 0.106 0.977 0.986

Emissioni della fase di utilizzo dei prodotti

I risultati della caratterizzazione per categoria Le

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Energy consumption (MJ/ha)

Greenhouse impact (kgCO2/ha)

Acidification impact (kgSO2/ha)

Case A Case B Case A Case B Case A Case B Fuel and lubricants 3625.8 4229.0 290.16 338.48 2.60 3.00

Fertilizers 6441.0 14185.0 770.17 1707.09 5.80 12.72 Seeds, herbicides and insecticides 1035.7 1035.7 59.53 59.53 0.44 0.44

Machinery production 1350.5 1462.1 39.13 44.47 0.34 0.35

Cultivation phase 12453.6 20973.9 1158.99 2149.56 9.12 16.51 Energy Output 53600.0 106345.0

Fase di coltivazione del colza

Paglie all’impianto di generazione elettrica

Paglie lasciate sul campo


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Filiera del Biodiesel

Primary Energy Cons. (MJ/ha)



Case A Case B Case A Case B Case A Case B Cultivation 12453.6 20973.9 1158.99 2146.56 9.12 16.51

Oilseed transport 198.3 198.3 15.12 15.12 0.14 0.14

Straw transport 0.0 347.0 0.0 79.41 0.0 0.74

Oil extraction 1328.6 1328.6 54.99 54.99 0.61 0.61

Transesterification 4550.0 4550.0 161.93 161.93 0.60 0.60

Biodiesel transport 125.0 125.0 9.54 9.54 0.09 0.09

Biodiesel use (vehicles) 4.79 4.79 5.31 5.31

Straw use (power prod.) 0.0 7.60 0.0 5.84

a) Biodiesel Fuel System 18655.5 27522.8 1405.36 2479.94 15.87 29.84 Diesel fuel production and use 29415.0 29415.0 2384.56 2384.56 7.71 7.71

Animal feed production 9516.6 9516.6 590.27 590.27 3.12 3.12

Fossil Glycerine production 5689.4 5689.4 118.14 118.14 0.29 0.29

Power generation 0.0 40824.3 0.0 2540.90 0.0 26.79

b) Reference System 44621.0 85445.3 3092.97 5633.87 11.12 37.91 c) Avoided Impact (a-b) -25965.5 -57922.5 -1687.6 -3153.9 +4.8 -8.1 d) Avoided Impact (% of b) -58.2 -67.8 -54.6 -56.0 +42.7 -21.3


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Filiera dell’olio Vegetale




Case A Case B Case A Case B Case A Case B Cultivation 12453.6 20973.9 1158.99 2146.56 9.12 16.51

Oilseed transport 198.3 198.3 15.12 15.12 0.14 0.14

Straw transport 0.0 347.0 0.0 79.41 0.0 0.74

Oil extraction 713.1 713.1 43.24 43.24 0.47 0.47

Oil use (power) 11.02 11.02 10.11 10.11

Straw use (power prod.) 0.0 7.60 0.0 5.84

a) Diesel Power System 13365.0 22232.3 1228.4 2303.0 19.8 33.8 Power generation 36703.1 77527.4 2288.12 4829.02 24.10 50.89

Animal feed production 10455.4 10455.4 653.03 653.03 3.46 3.46

b) Reference System 47158.5 87982.8 2941.15 5482.05 27.56 54.35 c) Avoided Impact (a-b) -33793.5 -65750.5 -1712.8 -3179.1 -7.7 -20.5 d) Avoided Impact (% of b) -71.7 -74.7 -58.2 -58.0 -28.0 -37.8


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Filiera della Pianta Intera




Cultivation 20973.9 2146.56 16.51

Transport 545.3 41.60 0.39

Use (power production) 23.86 9.17

a) Steam Power System 21519,2 2212,02 26,07 Power generation 91308.1 5684.44 59.94

b) Reference System 91308.1 5684.44 59.94 c) Avoided Impact (a-b) -69788.9 -3472.42 -33.87 d) Avoided Impact (% of b) -76.4 -61.1 -56.5

Caratterizzazione finale delle filiere Le

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Risparmio di Energia Primaria


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Risparmio sul Potenziale di Riscaldamento Globale


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Risparmio sul Potenziale di Acidificazione

Sostenibilità delle filiere nella attuale normativa Le

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2 Decreto MSE 6 Luglio 2012

Il costo cumulato di tutti gli incentivi, alle FER, escluso il fotovoltaico, non può superare 5,8 M€/a;

Oltre una prefissata potenza di soglia (5 MW per le biomasse) si accede agli incentivi mediante un meccanismo di aste competitive al ribasso, mentre sotto la soglia mediante l’inserimento in posizione utile all’interno di appositi registri;

I piccoli impianti (sotto 200 kW per le biomasse di origine biologica e sotto 100 kW per il biogas) hanno accesso diretto agli incentivi;

Gli impianti con potenza inferiore a 1 MW possono usufruire di una tariffa omnicomprensiva che include incentivo e valorizzazione dell’energia.

Sono previsti premi sulla tariffa incentivante in relazione al raggiungimento di specifici target di prestazione ambientale (riduzione emissioni o risparmio di energia).

I nuovi incentivi alle FER Le

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Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti soggetti a procedure d’asta


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Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti iscritti al Registro del GSE


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Sostenibilità delle filiere nella attuale normativa Le

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Sono previste diverse tipologie di biomasse: a) prodotti di origine biologica b) sottoprodotti di origine biologica c) rifiuti con frazione biodegradabile determinata forfetariamente d) rifiuti non provenienti da raccolta differenziata;

Per i bioliquidi, gli incentivi sono subordinati al rispetto dei criteri di sostenibilità della direttiva 2009/30/CE;

Sono previsti premi per impianti con: a) potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di gas serra (10 €/MWh) e biomasse da filiera (20 €/MWh); b) ridotte emissioni inquinanti (30 €/MWh); c) operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da 10 a 40 €/MWh).

Criteri sostenibilità bioliquidi Le

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2 Dlgs n. 55 del 31 Marzo 2011

Premio per riduzione emissioni di gas serra Le

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2 Fonte: UNI/TS 11435/2012

Premio per riduzione emissioni inquinanti Le

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In sintesi ………. Le

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Le biomasse, rispetto a diverse altre FER, offrono maggiori ricadute economiche e occupazionali sul territorio, dal momento che non sono disponibile gratuitamente, neppure nel caso dei residui;

L’impiego delle biomasse assume una valenza strategica per il gestore della rete in relazione alla possibilità di accumulo (è pertanto una fonte programmabile, diversamente da eolico e solare);

Le filiere di conversione energetica non sono tutte uguali e il bilancio energetico e ambientale è molto favorevole soprattutto nel caso di filiere corte, di uso della pianta intera e di recupero di residui;

Il problema della competizione fra coltivazioni ad uso energetico e alimentare deve essere governato, specie su larga scala e sul medio periodo.

Sostenibilità ambientale delle filiere di produzione ... · combustibili . Etanolo da cereali...

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