Esperienze realizzate in campo agro-energetico

Rimini, 27 novembre 2009

Alessandro Zatta & Andrea Monti

Progetti conclusi dal GRiCI• BIOCHAIN: Bioenergy chains from perennial crops in South Europe. (U.E.;

2001-2005).

• BIOKENAF: Biomass production chain and growth simulation model for

kenaf. (Regione E-R.; 2003-2006).

• TISEN Brassiche: Tecniche innovative sostenibili di produzione e

trasformazione delle colture energetiche e non- food. (MiPAF; 2002-2005).

• TISEN Biomasse: Tecniche innovative sostenibili di produzione e trasformazione delle colture energetiche e non- food. (MiPAF; 2002-2005).

• IRSO: Efficienza d'uso dell'acqua nel sorgo in funzione della destinazione

produttiva per energia rinnovabile. (CNR; 2000-2003).

• ERG: Laboratorio a rete per la ricerca e il trasferimento tecnologico nel

settore energia. (ERG, ENEA; 2005-2007).

• BEACHMED-e: (INTERREG IIIC; 2005-2008).

• PROBIO-biomasse: (CRPV - Regione E-R; 2006-2007).

Progetti in atto

• 4F CROPS: Future Crops for Food, Feed, Fiber and Fuel.

• SWEET FUELS (U.E.)

• Crops 2 Industry (U.E.)

• Agro-piro-energy-farm: densificazione energetica ed upgrading di biomasse

per la produzione di energia.

• Network piante ad uso energetico e riciclo di CO2.

• CRA 2008: Progetto di ricerca sulle bioenergie - Valutazione di colture

erbacee annuali e poliennali da biomassa per energia.

• CRPV - 2007 - FILIERE AGROENERGETICHE. Filiere agroenergetiche:

gestione sostenibile di specie da biomassa

Le colture dedicate

Principali colture erbacee

Annuali• Colza• Girasole• Soia• Barbabietola• Mais• Cereali autunno-vernini• Canapa• Sorgo

Biodisel 1a generazione

etanolo 1a generazione

Combustione ed etanolo 2a generazione

Principali colture erbacee

Poliennali• Arundo • Miscanto• Panico• Cardo

Combustione ed etanolo 2a generazione

Vantaggi:

•Durata dell’impianto di circa 15-20 anni•Bassi input energetici (concimazione, diserbo, fitofarmaci, lavorazioni)

Svantaggi:

•Poca familiarità degli agricoltori•Difficoltà nella fase d’impianto

•Raccolta della biomassa

Combustibili di I e II generazione

� La produzione totale di biofuels (biodiesel + bioethanol) è di 0.8 EJ (20 Mtoe or 643.000 barrel per day, International Energy Agency, 2006). 85% is bioetanolo ; 15% biodiesel ;

� Rappresenta solo 1% del consumo globale di carburante (~04-06% of arable and grass lands).

� I biocarburanti sono tenuti a raggiungere il 23% del mercato entro 2050 (IEA, 2007), 11% e 12% rispettivamente per la prima e la seconda generazione

� L’Unione Europea in un tempo molto più breve (2010) vuole miscelare benzina e diesel con il 5.75% di biofuels (directive 2003/30/EU), e del 10% entro il 2010 (importazioni???).

Ligno-cellulose crops

Gasification

Enzymatic hydrolysis

Syngas Catalysis F-T Biodiesel

sugars Fermentation Ethanol

2°gen.

Starch and sugar crops

Oil crops

sugars distillation Ethanol

BiodieselExtraction Transesterification

1°gen.

Fermentation

Panìcum virgatum

Vantaggi:• Propagazione per seme (90-100 € ha-1)• Buona produzione (10-25 t/ha)• Elevata tolleranza alla siccità• Adattabilità delle macchine da fienagione• Facile essiccamento in campo

Graminacea poliennale rizomatosa

Svantaggi sono legati soprattutto alla semina:• Ridotte dimensioni del seme con scarso vigore vegetativo• Accurata preparazione del letto di semina• Semina tardiva con temperature alte e molta acqua• Controllo delle infestanti

Arundo donax

Vantaggi:• Elevato produzione di biomassa (15-35 t/ha)• Elevata rusticità• Basso fabbisogno idrico-nutrizionale• Piena produzione al 2° anno

Specie autoctona molto rustica

Svantaggi:• Propagazione per rizoma• Elevati costi d’impianto (~ 5000 €)• Alta umidità della biomassa alla raccolta (oltre 50%)• Bonifica dei terreni a fine impianto• Difficoltà di raccolta a causa delle dimensioni

Miscanthus sinensis x giganteus

Vantaggi:• Elevato produzione di biomassa (15-30 t/ha)• Elevata rusticità• Rapido accrescimento • Adattabilità delle macchine da fienagione• Facile essiccamento in campo

Svantaggi:• Propagazione per rizoma• Elevati costi d’impianto (~ 4000 €)• Cali produttivi con stress idrico• Perdita di foglie e quindi biomassa alla raccolta

Graminacea poliennale rizomatosa

Cynara cardunculus

Vantaggi:• Elevato rusticità• Ridotte esigenze idrico-nutrizionali• discreta produzione (10-15 t/ha)• Propagazione per seme• Elevato contenuto di s.s. alla raccolta (75%)

Svantaggi:• Elevata variabilità individuale• Ridotta copertura del terreno (infestanti)• Alto contenuto in ceneri della biomassa (5-8%)• Elevate perdite alla raccolta • Scarsa adattabilità in nord Italia

Composita tradizionalmente orticola

Due casi di studioIn zone pedo-collinari

In Pianura Padana

Prove in zone pedo-collinari

6 ettari di panico var. varietà Alamo

7 varietà di Panico2 epoche di raccolta (estiva ed invernale)

BIOCHAIN: Bioenergy chains from perennial crops in South Europe. (U.E.; 2001-2005).

Geo-referenziazione

Specie: Panicum virgatum var. Alamo

Località: Ozzano dell’EmiliaStrumenti utilizzati:

� GPS GEKO 201, Garmin Ltd.

� Software Arcview3.2� TDR

� Geo-statistica

Correlazione fra la distribuzione spaziale della produttività lavariabilità di diversi parametri (pH, sostanza organica, indice penetrometrico, tessitura, umidità terreno, pendenza del suolo)

(Di Virgilio et al., 2007)

Alcuni risultatiFig. 2. Yield (Mg ha1) maps obtained by ordinary kriging: (a) 2004 (Y04) and (b) 2005 (Y05). Maps show a patch distribution.

Alcuni risultati

(f) soil organic matter (mg g-1), (h) available P (mg kg-1),

(Di Virgilio et al., 2007)

Prove in zone di pianura

Confronto fra due poliennalierbacea (panico)Arborea (pioppo)

Progetto CRPV filiere agroenergetiche

• studio agronomico, ambientale ed economico di sistemi integrati di produzione di biomassa da

colture dedicate a destinazione energetica.

Obbiettivo

• Concimazione con azoto (0, 50 e 100 kg/ha di N)• Concimazione con ceneri (residuo della combustione)

Principali parametri studiati:

� Produzione epigea

� Produzione ipogea

� Rizo-deposizione

� Accumulo di sostanza organica

0.0

0.2

0.4

0.6

0.8

1.0

1.2

1.4

May

-08

Jun-

08

Jul-0

8

Aug

-08

Sep

-08

Oct

-08

Nov

-08

Dec

-08

Jan-

09

Feb

-09

Mar

-09

Apr

-09

May

-09

Jun-

09

Jul-0

9

Aug

-09

Sep

-09

CO

2 flu

x m

ol m

-2s-1

no ceneri

ceneri

Risultati preliminari

Effetto delle ceneri sulla respirazione del suolo

Raccolta

0.0 1.0 2.0 3.0 4.0 5.0 6.0

0-20

20-40

40-60

60-80

80-100

100-120

prof

ondi

tà (

cm)

densità radicale (cm cm-3)

no cenericeneri

Risultati preliminari

+41%

Produzione biomassa ipogea 6 t ha -1 senza ceneri e 10 t ha -1 con ceneri

Considerando il C nelle radici intorno al 45%

2.7 t ha -1

Senza ceneri

4.5 t ha -1

Con ceneri

Stock di C nel suolo

Nel secondo anno d’impianto (2008)

Rispettare Kyoto

• L’Italia sta accumulando un debito di 3.6 milioni € d-1.

• Abbiamo passato 2,5 miliardi di € di debito (www.kyotoclub.org)

• Reg. Ce 74/2009 per rispettare Kyoto tramite nuovi interventi nei PSR 2007-2013:� Limitare l’emissione di gas serra (CO2, CH4 e N20)

� Produzione energia rinnovabile

� colture energetiche perenni

� Impianti/infrastrutture per energia rinnovabile

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

1. NUOVA DIRETTIVA SULLA PROMOZIONE DELL’USO DI ENERGIA DA FONTI RINNOVABILI (che emenda la Direttiva 2003/30/CE 2. NUOVA DIRETTIVA SULLE SPECIFICHE DEI CARBURANTI (che emenda la Direttiva 98/70/CE)

La direttiva stabilisce:

• target nazionali obbligatori al 2020 per l’utilizzo di energia da fonti rinnovabili

• un target specifico per il settore dei trasporti (-10% di emissione di gas serra per unità di energia prodotta)� 6% entro il 2020 (utilizzando bio-carburanti e migliorando i processi di trasformazione)

� 2% cattura di CO2 con stock di C e uso di veicoli elettrici

� 2% acquisto di crediti;

• i criteri di sostenibilità che dovranno soddisfare i biocarburanti per essere conteggiabili per il raggiungimento degli obiettivi nazionali nonché per beneficiare di sostegni finanziari.

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

Criteri sostenibilità

E’stata Individuata una soglia minima di risparmio nelle emissioni di CO2 (GHG saving) prodotte nell’intero ciclo di vita, rispetto a quelle causate dal corrispondente combustibile fossile di riferimento pari a:

– 35% all’entrata in vigore della direttiva;

– 50% a partire dal 1°gennaio 2017. Questo secondo valore tuttavia andrà confermato nel 2014.

Calcolo del GHG saving:

GHG saving = (Efossile – Ebio)/(Efossile)

E = emissioni. Nella direttiva sono riportati fattori di default di GHG saving e particolarmente:- fattori di default relativamente alle emissioni dalle singole fasi che compongono il ciclo di vita del biocombustibile (coltivazione, produzione, trasporto e distribuzione); - una formula per il calcolo delle Ebio consistente in una somma algebrica di valori parziali corrispondenti alle varie fasi del processo di produzione:

E = eec + el + ep + etd + eu - esca - eccs - eccr - eee

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

E totale emissioni derivanti dall'uso del carburante;

eec emissioni derivanti da estrazione o coltivazione delle materie prime;

el emissioni risultanti da modifiche degli stock di C a seguito del

cambiamento della destinazione dei terreni;

ep emissioni derivanti dalla lavorazione;

etd emissioni derivanti dal trasporto e alla distribuzione;

eu emissioni derivanti dal carburante al momento dell'uso;

esca riduzioni delle emissioni grazie all'accumulo di C nel suolo;

eccs riduzioni di emissioni grazie alla cattura allo stoccaggio geologico di C;

eccr riduzioni delle emissioni grazie alla cattura e alla sostituzione del C;

eee riduzioni di emissioni grazie alla cogenerazione.

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

Le emissioni derivanti dal cambio d’uso del suolo non sono calcolabili finché la Commissione non adotterà una linea guida per il calcolo degli stock di C nel suolo. Attualmente vi è solo un fattore “bonus” di dubbia provenienza pari a 29 gCO2/MJ nel caso di utilizzo di terre degradate.

Esempio di valori di default:

RES DIRECTIVERES DIRECTIVE

Stock di carbonio nel suolo?

• Il suolo rappresenta il più grande magazzino di C organicodella terra con 1550 Pg (1015) mentre l’atmosfera ne

contiene circa 700 Pg (1015) (Lal & Kimble, 1997)

• L’aumento della sostanza organica del suolo può ridurre fino al 15% le emissioni globali di CO2 (Lal, 2004)

• 10 anni di panico può incrementare il contenuto di C di circa il 45% nei primi 15 cm di suolo, e del 28% fra i 15 e 30 cm di

profondità (Frank et al., 2004).

Le potenzialità delle colture dedicate

• Aumento della fertilità del suolo• Utilizzazione di zone marginali• Riduzione dei fenomeni di lisciviazione• Riduzione dei fenomeni di erosione• Stock di carbonio nel suolo

Alessandro ZattaDipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali

Mail: alessandro.zatta2@unibo.itTelefono: 051 2096692

Fax: 051 2096241

http://www.dista.agrsci.unibo.it/grici/

www.unibo.it

GRAZIE PER L’ATTENZIONE