COLTURE DA
ENERGIA
1
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.
2
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.
3
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.
4
Uno dei maggiori obiettivi del XXI secolo
è quello di sviluppare risorse rinnovabili
e sostenibili, come alternativa al
petrolio, le cui riserve sono limitate.
5
Risulta prioritario diminuire
i consumi energetici e
diversificare le fonti,
specialmente quelle rinnovabili.
6
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.
7
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
SCARTI FORESTALI
SCARTI AGRICOLI
SCARTI AGRO-INDUSTRIALI
FORSU
EFFLUENTI ZOOTECNICI
COLTURE DEDICATE
ALCOLIGENE
OLEAGINOSE
LIGNEO-CELLULOSICHE
ERBACEE
ANNUALI
ERBACEE
PERENNI
LEGNOSE
Le biomasse sono materiali di origine vegetale,
scarti di attività agricole, di allevamento o di
industrie del legno, utilizzate in appositi impianti al
9
fine di produrre bioenergie
10
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
12
Principali specie utilizzabili per le
coltivazioni energetiche
13
Principali specie utilizzabili per le
coltivazioni energetiche
14
Principali specie utilizzabili per le
coltivazioni energetiche
Sylibum marianum
Switchgrass
virgatum
15
Principali specie utilizzabili per le
coltivazioni energetiche
16
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Conversione termochimica
18
Filiera biocombustibili solidi da combustione
19
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).
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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
annuali
Erbacee
poliennali
Arboree
Mais
Sorgo
Kenaf
Falaridi
Canna comune
Miscanto
Cardo
Cannetta
Pioppo
Salice
Robinia
Eucalipto
Ginestra
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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).
25
26
Raccolta sorgo da fibra
27
Imballatura sorgo da fibra
28
Canna comune
29
Raccolta invernale canna
30
Pioppo
31
32
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 1534
20 anni senza che si presenti la necessità di un reimpianto.
35
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.
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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.
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BIOGAS
Conversione biologica
ETANOLO
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Filiera biogas
COLTURE DEDICATE
Fanghi o digestato con destinazione agronomica
42
1 t silomais produce 100 m3 di metano + residui usati come
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concime organico
44
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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BIOMASSE
LIQUAME
BIOGAS
digestore
Pulitore
BIOGAS
Depurazione
Frazione
liquida
Stoccaggio
BIOGAS
Separatore
(opzionale)
Distribuzione
in campo
Frazione
solida t.q.
Bruciatore
Cogeneratore
Mercato
Frazione
solida
compostata
Energia
elettrica
Calore
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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
47
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
t/ha s.s.
MAIS TRINCIATO
BIOMASSE
ANNUALI
ERBACEE
25
SORGO ZUCCHERINO TRINCIATO
16-18
FRUMENTO TRINCIATO
TRITICALE TRINCIATO
12-14
SORGO DA FIBRA
SORGO A PIÙ SFALCI
18-22
16-20
INSILATI
49
50
Filiera bioetanolo
51
52
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
53
al 100%.
MATERIA PRIMA: Resa in Etanolo
3.3 t mais producono
3.5 t grano producono
3.6 t orzo producono
3.7 t segale producono
10 t di barbabietole producono
1 t mais producono
1 t grano producono
1 t orzo producono
1 t segale producono
1 t barbabietola producono
1 t etanolo (coeff 3.3)
1 t etanolo (coeff 3.5)
1 t etanolo (coeff 3.6)
1 t etanolo (coeff 3.7)
1 t etanolo (coeff 10)
0.300 t etanolo + 300-350 kg DDG/DDGS
0.285 t etanolo
0.277 t etanolo
0.270 t etanolo
0.100 t etanolo
54
55
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.
56
57
Filiera biodiesel
58
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 3,0-3,5 t ha
olio 1,0-1,4 t ha
granella 3,0-3,5 t ha
olio 1,3-1,8 t ha
granella 3,5-4,0 t ha
olio 0,7-0,8 t ha
61
62
Bioenergia e biocarburanti: opportunità e rischi
(International Assessment of Agricultural Knowledge, Science and
Technology for Development, IAASTD; www.agassessment.org)
63
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 64
combustibili fossili.
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.
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