Specie erbacee da biomassa per energia di possibile coltivazione in Sicilia

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1 Attività svolta e risultati ottenuti nell ambito del progetto sulle colture dedicate alla produzione di biomasse per scopi energetici in Sicilia - Specie erbacee da biomassa per energia di possibile coltivazione in Sicilia Venera Copani Dipartimento di Scienze delle Produzioni Agrarie e Alimentari Università di Catania Caltanissetta, 29 novembre 2013

2 Specie erbacee annuali e poliennali da biomassa per energia Canna comune (Arundo donax L.) Cardo (Cynara cardunculus L. var. altilis) Miscanto (Miscanthus spp.) Sorgo da fibra (Sorghum bicolor (L) Moench) Graminacee della flora spontanea siciliana Kenaf (Hibiscus cannabinus L.) Lignocellulosiche Sorgo zuccherino (Sorghum bicolor (L) Moench) Zuccheri Ricino (Ricinus communis L.) Cartamo (Carthamus tinctorius L.) Lino (Linum usitatissimum L.) Brassicacee (Brassica spp.) Olio

3 Un panel di soluzioni nel tempo e nello spazio La biomassa di origine agricola, un obiettivo per l energia del futuro (Gosse, 2008) I prodotti come le paglie sono limitati in termini di quantità ma sono diffusamente presenti. Questo è il primo step per le applicazioni industriali. Colture annuali, una soluzione già pronta (triticale, sorgo ) ma non la migliore in termini di resa e sostenibilità, una soluzione di transizione Colture perenni C4 e C3 ad elevata efficienza, la migliore soluzione in termini di produttività e impatto sull ambiente, non ancora pronto per l uso su larga scala

4 Biomassa da colture erbacee poliennali Dimensione ( t/anno o t/anno), le conseguenze sono completamente diverse. Complementarietà con altre risorse in biomassa. Impatti sui sistemi aziendali (sistemi colturali). Impatti sullo sviluppo rurale Accettabilità da parte degli attori della catena, tra cui la società.

5 Cardo domestico (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) - Canna comune (Arundo donax L.)

6 Miscanto (Miscanthus spp.)

7 Cardo domestico (Cynara cardunculus L. var. altilis DC.) -

8 Specie graminacee perenni della flora siciliana Oryzopsis miliacea (L.) Asch. et Schweinf. (Miglio) Famiglia: Poaceae Genere: Oryzopsis Michx. Saccharum spontaneum (L.) ssp. aegyptiacum (Willd.) Hack. (Canna d Egitto) Famiglia: Poaceae Genere: Saccharum L. Cymbopogon hirtus (L.) Janchen (Barboncino mediterraneo) Famiglia: Poaceae Genere: Cymbopogon Spreng. Sorghum halepense (L.) Pers. (Sorgo selvatico, Sorghetto, Sagginella, Melghetta, Melgastro, Canestrello, Cannerecchia) Famiglia: Poaceae Genere: Sorghum Moench

9 Il rizoma Descrizione

10 Perchè le graminacee perenni? Produzione elevata di biomassa, elevato contenuto di lignina, cellulosa ed emicellulosa, polisaccaridi, benefici sociali ed ambientali. Zegada-Lizarazu et al., 2010 Benefici ambientali Limitati consumi idrici; Ridotte esigenze di fertilizzanti e pesticidi; Bassa emissione di gas serra; Phytoremediation; Riduzione della degradazione del suolo e dell erosione; Adattamento ad ambienti marginali; Copertura permanente del suolo; Habitat per animali selvatici. Benefici socio-economici Sviluppo di nuovi mercati (biocarburanti, chimica verde); Nuove risorse per le aree rurali; Sviluppo di strutture economiche a livello regionale; Incremento della biodiversità; Aumento delle energie rinnovabili interne (> sicurezza energetica); Miglioramento delle conoscenze della formazione, e dei servizi di assistenza agli agricoltori.

11 I dati della letteratura Miscanthus ARUNDO CARDO Area of origin South East Asia Asia and Mediterranean Mediterranean Available genetic resource Many var. available Wild genetic base Wild genetic base Photosynthesis system C4 C3 C3 Resa (t ha -1 ) Raw material characteristic Adaption range in EU Lignocellulosic biomass Cold and warm regions of EU Lignocellulosic biomass Warm region of southern EU Durata (anni) Insediamento Rizoma Rizoma e/o talea di culmo Lignocellulosic biomass/oil seed Mediterranean regions Harvest time Winter/Early spring Winter/Early spring Summer Rizoma/seme Required machinery Fertilizers input (kg ha -1 N): Pesticide and herbicides Special farm equipments Special farm equipments Special farm equipments First year and postharvest First year and postharvest First year and postharvest

12 Resa energetica ed efficienza Crop Yield (O I) Efficiency (O/I) (GJ ha -1 ) Arundo donax Miscanthus Cardo Sorgo da fibra Sweet Sorghum Panicum virgatum Rapeseed ,4 Sunflower Soyabean Sugar beet Maize

13 Resa in etanolo da 1 tonnellata di biomassa secca (Scordia, laboratorio USDA Forest products, Madison USA) Materia prima Arundo Teorico/ottenuto C6 (l ton -1 ) C5 (l ton -1 ) Totale (l ton - Teorico Ottenuto ) Miscanthus Saccharum Teorico Ottenuto Teorico Ottenuto Scordia D, Cosentino SL, Jeffries TW, Second generation bioethanol production from Saccharum spontaneum L. ssp. aegyptiacum (Willd.) Hack.. Bioresour. Technol.(101),

14 Emissioni di CO 2 equivalenti risparmiate Biomasse Bioenergia Olio combustibile Resa (t ha -1 ) Emissioni t CO 2 equ. ha -1 (a) Biomasse combustibili Emissioni t CO 2 equ. ha -1 (b) Emissioni t CO 2 equ. ha -1 saved (b-a) Arundo 35,7 6,8 44,4 37,7 Miscanto 17,3 4,2 21,6 17,5 Cardo 18,2 4,0 22,7 19,1 Sorgo da fibra 24,6 5,7 30,7 25,1 ETBE Sorgo Zuccherino 21,4 15,8 19,9 3,9 Biodiesel Colza 2,6 1,9 3,1 1,2

15 Canna comune Apparato radicale

16 Arundo donax L. Prelievo di acqua dal suolo a differente profondità durante lo sviluppo della coltura in relazione alla disponibilità irrigua. I0=no irrigazione, I100= restituzione 100% Etm Soil Depth (cm) I0 28/8 13/8 27/7 17/7 10/7 3/7 19/6 28/5 I Soil Depth (cm) Available soil water content (%) Disponibilità di acqua nel suolo (%)

17 Cardo - Possibili utilizzazioni aggiuntive Sostanze biofunzionali (flavonoidi): acidi caffeilchinici, luteoline e apigenine (per la funzionalità e patica, prevenzione del cancro) Inulina e fruttosio da radici, scarti di lavorazione industriale) Produzione di cagli vegetali

18 Cardo - Possibili utilizzazioni alternative Produzione di FORAGGIO Produzione di SEME per l estrazione di olio e proteine

19 II meeting annuale di OPTIMA, Università di Madrid, Spagna 30 settembre 02 ottobre 2013

20 OPTIMISATION OF PERENNIAL GRASSES FOR BIOMASS PRODUCTION IN MEDITERRANEAN AREA OPTIMA (289642) Work programme topics addressed: Call: FP7 - KBBE KBBE : Perennial grasses: optimising biomass production Coordinatore: Salvatore L. Cosentino Università di Catania Durata: 4 anni ( ) Assegnazione:

21 OPTIMA - obiettivi Individuare le graminacee perenni più adatte per l area del Mediteraneo, creare filiere efficienti in grado di fornire risorse stabili di biomassa e bioprodotti Esplorare le potenzialità delle graminacee perenni nelle aree sottoutilizzate o abbandonate

22 Consortium: 21 Partner di 12 Paesi (IT, GR, ES, PT, NL, BE, DE, HU, IR, Argentina, India, China); 6 piccole e medie imprese

23 UCD - impact of cold on germination rates and early plant performance in switchgrass WP1 Fisiologia della pianta e della foglia (leader UB, Spagna) INDEAR Physiology of switchgrass under salinity and water stress IBERS - Miscanthus early season leaf development under water stress (4 reps 249 genotypes) UB/UIB - Giant reed and cardoon under salinity and water stress

24 INDEAR Switchgrass RNA seq. under stresses WP2 Biotechnologie (leader INDEAR, Argentina) INDEAR Genome reduction under stress HZAU Giant reed tags depths distribution in each individual (GBS- Tags) Sequenziamento dell RNA per individuare i geni coinvolti nella tolleranza agli stress salini e idrici

25 WP3 Agronomia, leader UNICT (Task 3.1) UNICT Wild species propagation material CNR Ampelodesmos in riparian area S. halepense seeds Rhizome of S. spontaneum Mother plant C. hirtus UNICT Wild species in collection field CRES Pennisetum (sx) vs Miscanthus (dx) Saccharum spontaneum Sorghum halepense Cymbopogon hirtus

26 WP3 Plant agronomy 1/2 (Task 3.2) UNICT Giant reed stem propagation UNIBO Switchgrass hydrosowing PRIMUS Miscanthus propagation CRES Giant reed rhizome (sx) and stem cutting (dx) propagation

27 WP3 Plant agronomy 2/2 (Task 3.2) UNICT Saccharum under water stress 100% ETM rest. Rainfed UNIBO Switchgrass under salinity stress UNICT Giant reed under salinity stress S 0 S 1 S 2 UNIBO Switchgrass harvest UPM Giant reed under waters strategy stress S 0 S 1 S 2

28 WP4 Produttività a scala aziendale in ambienti marginali (1/2), leader CRES, Grecia CRES Giant reed irrigated vs marginal Irrigated Marginal UNICT PG intercropping UNICT 5 ha Giant reed field UNIBO Switchgrass long term UNICT Giant reed (up) and Miscanthus (down) long term

29 WP4 Produttività a scala aziendale in ambienti marginali (2/2) UPM Cardoon cultivation on marginal land UPM Cardoon mechanical harvesting CRA-ING and SPAPPERI Giant reed mechanical harvesting Graphical representation of slope classes in the field

30 WP5 Energia prodotta e sottoprodotti (leader BTG, Olanda) BTG and CRES Giant reed ash test BTG Pirolisys (up) and torrefaction (down) pilot plants 2ZK Biomass densification

31 WP6 Valutazione di impatto ambientale (leader UNIBO, Italia) UNIBO Eddy covariance tower in switchgrass field PRIMUS PG on red mud in Hungary UNICT Soil erosion mitigation by PG FCT-UNL Energy balance Energy in Energy out?

32 WP7 Valutazione della sostenibilità integrale (leader IFEU, GERMANIA)

33 Temi e risultati sperimentali Produttività di specie e genotipi Propagazione gamica e agamica Risposta alla disponibilità idrica Stress salino radicazione Biocarburanti di seconda generazione

34 Canna comune - Una collezione di 40 cloni di reperiti in Sicilia e Calabria. Cosentino et al., 2006

35 Miscanto - Nuovi genotipi provenienti dall Asia nel 2007 Non fioriscono ma producono elevate quantità di biomassa e sono arido resistenti

36 Miscanto - Nuovi genotipi provenienti dall Asia nel 2007 Non fioriscono ma producono elevate quantità di biomassa e sono arido resistenti

37 Miscanto - Nuovi genotipi provenienti dall Asia nel Miscanto - Nuovi genotipi CERES (Ca) Kg plant Produzione del 2010 Fresh Biomass Dry biomass

38 Miscanto Altri genotipi provenienti dall Asia introdotti nel 2008 Accessioni di specie diverse M. floridulus M. floridulus M. floridulus M. condensatus Goliath M x G M. floridulus: M2, M3, M11, M12 M. sacchariflorus: M9, M. sinensis: M5, M18, M20 M. condensatus: M13 M1, M6, M7, M8, M10, M14, M15, M16

39 Miscanto - Risposta alla temperatura dell aria Tesi di dottorato del dott. Scalici, Aberystwyth (UK) T low - 20 C T high - 30 C

40 Miscanto Fotosintesi in relazione alla temperatura dell aria Tesi di dottorato del dott. Scalici, Aberystwyth (UK) M. x giganteus M. floridulus Produce seme A (µmol m -2 s -1 ) Fotosintesi T high T low Absorbed Irradiance (µmol m -2 s -1 ) A (µmol m -2 s -1 ) T high T low Absorbed Irradiance (µmol m -2 s -1 ) Goliath M. sinensis Fotosintesi A (µmol m -2 s -1 ) T high T low A (µmol m -2 s -1 ) T high T low Absorbed Irradiance (µmol m -2 s -1 ) Absorbed Irradiance (µmol m -2 s -1 )

41 Cardo Produzione di genotipi diversi Biomassa (t ha-1 s.s.) Biomassa (t ha-1 s.s.) Biomassa (t ha-1 s.s.) Titolo del grafico F 50,50,50 F 100,150,150 F 200,300,200

42 Specie graminacee perenni della flora siciliana Oryzopsis miliacea (L.) Asch. et Schweinf. (Miglio) Famiglia: Poaceae Genere: Oryzopsis Michx. Saccharum spontaneum (L.) ssp. aegyptiacum (Willd.) Hack. (Canna d Egitto) Famiglia: Poaceae Genere: Saccharum L. Cymbopogon hirtus (L.) Janchen (Barboncino mediterraneo) Famiglia: Poaceae Genere: Cymbopogon Spreng. Sorghum halepense (L.) Pers. (Sorgo selvatico, Sorghetto, Sagginella, Melghetta, Melgastro, Canestrello, Cannerecchia) Famiglia: Poaceae Genere: Sorghum Moench

43 Specie graminacee perenni della flora siciliana Produzione di biomassa Biomassa secca (t ha -1 ) a I anno (2011) II anno (2012) S.spontaneum S.halepense C. hirtus O. miliacea b b b

44 Specie graminacee perenni della flora siciliana 30,00 Fotosintesi 41 C a livello fogliare Pn (umol CO2 m-2 s-1) 25,00 20,00 15,00 10,00 5,00 0,00 0,30 0,25 Gs (mol m-2 s-1) 0,20 0,15 0, Data di misurazione Conduttanza Saccharum Sorghum Arundo Cymbopogon Oryzopsis Saccharum Sorghum Arundo Cymbopogon Traspirazione (mmol H2O m-2 s- 1) 8,00 7,00 6,00 5,00 4,00 3,00 2,00 1,00 0,00 Traspirazione Data di misurazione Saccharum Sorghum Arundo Cymbopogon Oryzopsis 0,05 Oryzopsis 0, Data di misurazione

45 Specie selvatiche - Test di germinazione dei semi Specie Germination (%) TMG (giorni) Sorghum halepense (control) Sorghum halepense (H 2 SO 4 ) Lygeum spartum (uncut) Lygeum spartum (cut) Ampelodesmos mauritanicus (bracts) Ampelodesmos mauritanicus (no bracts) Oryzopsis miliacea

46 Specie selvatiche - Test di germinazione dei semi Age (months) Germination (%) Treatment Germination MGT (days) duration (min) (%) 0 4.7e 3.50b d 3.83b cd 3.82b bc 3.67b a 3.56b a 3.27ab ab 2.82a

47 Temi Risultati sperimentali Produttività di specie e genotipi Propagazione meccanizzazione Epoca di trapianto disponibilità idrica Biocarburanti di seconda generazione

48 L impianto del canneto Rizoma Difficoltà di approvvigionamento: maggiore Costo di impianto: maggiore Meccanizzazione: (?) Insediamento: facile Talea di culmo Difficoltà di approvvigionamento: minore Costo di impianto: minore Meccanizzazione: si (prototipo) Insediamento: più difficile

49 Prototipo di trapiantatrice della canna comune

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51 Miscanto - Propagazione agamica dell ibrido Miscanthus x giganteus I ANNO Trattamenti Cespi vitali (n m -2 ) Culmi (n cespo -1 ) Culmi (n m -2 ) Altezza culmi (cm) Biomassa aerea ( g m -2 ss) Biomassa rizoma (g m -2 ss) R3 1,0a 11,7a 11,7a 87,0a 50,9a 253,0a R1 0,8b 9,4b 7,5b 53,0b 19,0b 181,6b T10 0,6c 7,0c 4,2c 60,3b 11,8c 161,1b T5 0,3d 13,0a 3,9c 38,7c 4,1d 40,2c Media 0,7 10,3 6,8 59,8 21,5 159,0 II ANNO Trattamenti Cespi vitali (n m -2 ) Culmi (n cespo -1 ) Culmi (n m -2 ) Altezza culmi (cm) Biomassa aerea ( g m -2 ss) Biomassa rizoma (g m -2 ss) R3 0,8a 33,6a 26,9a 132,4a 389,5a n.r. R1 0,5b 20,8b 10,4b 123,9b 162,9b n.r. T10 0,4b 22,3b 8,9c 89,3c 136,4b n.r. T5 0,3b 27,0b 8,1c 86,2c 147,1b n.r. Media 0,5 25,9 13,6 107,9 209,0 n.r.

52 Enna, Transplanting date Enna, Produzione di biomassa (I anno) in relazione alla data di trapianto 5 Organo di propagazione 4 a 6 Transplanting date Resa s.s. (t/ha) b 5 a a 0 rizomi culmi Biomass Yield (t ha-1) d b cd bc Resa s.s. (t/ha) Irrigazione a a 0 I1 I0

53 Canna comune - soglia termica per la germogliazione del rizoma 17 C 7,5 C

54 Canna comune - Trapianto autunnale o primaverile? TRAPIANTO I anno II anno NOVEMBRE Biomassa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma Biomassa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma MARZO Biomasa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma Biomassa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma APRILE Biomassa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma Biomassa (t ha-1 s.s.) Asciutto Irrigato Culmo Rizoma

55 Canna comune Tecniche di impianto Radicazione delle talee di culmo Incremento del tasso di radicazione di talee di culmo in relazione a fattori diversi: Età della talea (epoca di prelievo) Diametro della talea (piccola, grande) Zona di provenienza (basale, mediana, apicale) Regolatori di crescita (durata del trattamento, tipo di ormone, concentrazione)

56 Radicazione in vaso Tasso di radicazione dei nodi in relazione al momento del prelievo e al tipo di ormone (%) Temperature ( C) T max T min 5 0 J F M A M J J A S O 25/02/ /07/2013 Rooted nodes (%) Large stem Small stemm Rooted nodes (%) Large stem Small stemm 40 Control dry control water NAA IBA IAA

57 Data di raccolta delle canne 02/07/2013 Testimone NAA 100 mg l- 1 IBA 100 mg l- 1 IAA 350 mg l-1

58 Temi Risultati sperimentali Produzione di specie e genotipi Propagazione Risposta alla disponibilità idrica Biocarburanti di seconda generazione Aspetti energetici e ambientali

59 Canna comune : produzione di biomassa secca in rapporto al consumo idrico Produzione di biomassa secca epigea (t ha -1 ) Nessuna irrigazione Consumo idrico (mm)

60 Miscanto: MISCANTHUS produzione di biomassa secca in rapporto al consumo idrico 34 Fig. 8 -Variation of yield in relation to water used by the crop Biomassa secca Yield epigea (t ha -1 (t ) ha-1 s.s.) Yield = e-3 x e-7 x 2 16 R 2 = Water used (m 3 ha -1 ) Consumo idrico (mm)

61 Saccharum: produzione di biomassa secca in rapporto al consumo idrico Biomassa Dry biomass secca epigea yield (t (t ha ha-1 ) s.s.) y= x x R 2 = 0.96 Rainfed Irrigated Consumo Water used idrico (mm) (mm)

62 Canna comune - Progetto Europeo: Giant reed network Biomassa prodotta in relazione all irrigazione e concimazione azotata Above ground biomass (t ha -1 )DM N0 N1 N2-33% 1998/ / /01 Interaction "water x nitrogen" Interaction "water x nitrogen" P = 0,05 P = 0,01 P = 0,05 P = 0,01 21,5 16,4-38% 18,6 0 I0 I1 I2 I0 I1 I2 I0 I1 I2

63 Produzione e Consumo idrico Dry biomass (t (t ha -1 ha ) -1 ) Giant reed Miscanthus Cardoon Canna comune III - IV year III - IV year II year II year II year III year I year IV year I year Water balance (mm) Water Use WUE Efficiency (g l -1 ) (g l -1 ) Arundo Miscanthus Cardo I year I I II year I I III year I I IV year

64 Temi Risultati sperimentali Produzione di specie e genotipi Propagazione Risposta alla disponibilità idrica Stress salino Biocarburanti di seconda generazione Aspetti energetici e ambientali

65 Canna comune stress salino (2012 e 2013) 15/07/13 40 genotipi NaCl (da 0,4 a 8 ds/m)

66 Canna comune - Irrigazione con acque saline e produzione Livello di salinità: 0 (S0) ms/cm 4 (S1) ms/cm 8 (S2) ms/cm CV (%) Biomassa prodotta (g s.s.) Aboveground biomass yield (g DM)

67 Temi Risultati sperimentali Produzione di specie e genotipi Propagazione Risposta alla disponibilità idrica Investimento unitario

68 Cardo produttività in relazione all investimento unitario Variabile Biomassa lignocellulo sica (t ha -1 ) Acheni (t ha -1 ) Biomassa totale (t ha -1 ) Resa energetica (GJ ha -1 ) Investimento unitario (piante m -2 ) c 0.75 c 18.0 c 300 c b 0.98 ab 22.7 b 380 b b 0.89 b 24.7 b 414 b a 1.18 a 32.8 a 548 a Anno b 1.16 a 23.7 a 398 a a 0.75 b 25.4 a 424 a Media 23,6 1,0 24,6 411

69 Specie erbacee da biomassa per energia di possibile coltivazione in Sicilia Grazie per l attenzione Caltanissetta, 29 novembre 2013