Esperienze realizzate in campo agro-energetico - Rimini, 27 novembre 2009 Alessandro Zatta & Andrea Monti - Comunita' AT

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
             Biodisel 1a generazione
• Girasole
• Soia
• Barbabietola
• Mais                               etanolo 1a generazione

• Cereali autunno-vernini
• Canapa
              Combustione ed etanolo 2a generazione
• Sorgo

Principali colture erbacee
Poliennali
• Arundo
• Miscanto
                      Combustione ed etanolo 2a generazione
• Panico
• Cardo
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
Starch and sugar                sugars    Fermentation       distillation   Ethanol

                                                                                            1°gen.
crops

Oil crops              Extraction          Transesterification              Biodiesel

                                                                                            2°gen.
Ligno-cellulose        Gasification      Syngas          Catalysis          F-T Biodiesel
crops
                       Enzymatic         sugars       Fermentation          Ethanol
                       hydrolysis


 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???).

Panìcum virgatum
          Graminacea poliennale rizomatosa
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
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
              Specie autoctona molto rustica
Vantaggi:
• Elevato produzione di biomassa (15-35 t/ha)
• Elevata rusticità
• Basso fabbisogno idrico-nutrizionale
• Piena produzione al 2° anno

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
           Graminacea poliennale rizomatosa
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

Cynara cardunculus
           Composita tradizionalmente orticola
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

Due casi di studio
In zone pedo-collinari
  In Pianura Padana

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

           7 varietà di Panico
           2 epoche di raccolta (estiva ed invernale)

           6 ettari di panico var. varietà Alamo

Geo-referenziazione
Specie: Panicum virgatum var. Alamo
Località: Ozzano dell’Emilia
Strumenti utilizzati:
 GPS GEKO 201, Garmin Ltd.
 Software Arcview3.2
 TDR
 Geo-statistica

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

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

                                                                                          (Di Virgilio et al., 2007)

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

                Progetto CRPV
           filiere agroenergetiche
             Confronto fra due poliennali
             erbacea (panico)
             Arborea (pioppo)

Obbiettivo

• studio agronomico, ambientale ed economico di
   sistemi integrati di produzione di biomassa da
     colture dedicate a destinazione energetica.

                                    Principali parametri studiati:
                                     Produzione epigea
                                     Produzione ipogea
                                     Rizo-deposizione
                                     Accumulo di sostanza organica

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

CO2 flux mol m-2s -1

          0.0
                0.2
                      0.4
                                0.6
                                         0.8
                                                   1.0
                                                                  1.2
                                                                              1.4

May-08

Jun-08

 Jul-08

Aug-08

Sep-08

Oct-08

Nov-08

Dec-08

Jan-09

Feb-09

Mar-09
                                        Raccolta

Apr-09
                                                         ceneri

May-09
                                                                  no ceneri

Jun-09

 Jul-09

Aug-09
                                                                                                                                        Risultati preliminari

Sep-09
                                                                                    Effetto delle ceneri sulla respirazione del suolo

Risultati preliminari
                  Nel secondo anno d’impianto (2008)                                                 Produzione biomassa ipogea
                            0.0   1.0
                                        densità radicale (cm cm-3)
                                         2.0       3.0       4.0        5.0      6.0
                                                                                              6 t ha-1 senza ceneri e 10 t ha-1 con ceneri
                                                                                          Considerando il C nelle radici intorno al 45%
                     0-20

                    20-40

                                                                                       +41%
                    40-60
profondità (cm)

                    60-80
                                                                                                 2.7 t ha-1                4.5 t ha-1
                                                                                               Senza ceneri                   Con
                   80-100
                                                                     no ceneri                                               ceneri
                                                                     ceneri

                  100-120                                                                           Stock di C nel suolo

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 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)

RES DIRECTIVE

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 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.

RES DIRECTIVE

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 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.
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.

RES DIRECTIVE

Esempio di valori di default:

Stock di carbonio nel suolo?
 • Il suolo rappresenta il più grande magazzino di C organico
       della 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

GRAZIE PER L’ATTENZIONE

             Alessandro Zatta
    Dipartimento di Scienze e Tecnologie Agroambientali
             Mail: alessandro.zatta2@unibo.it
                   Telefono: 051 2096692
                     Fax: 051 2096241
         http://www.dista.agrsci.unibo.it/grici/
                        www.unibo.it