Bilanci energetici e ambientali della produzione di biodiesel da lino e camelina in Sicilia sud-orientale

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Alina Magni
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1 Convegno Energia da biomasse in agricoltura Dipartimento di Scienze Agrarie Forestali e Alimentari, sede di Cuneo Cuneo, 31 ottobre 2014 Bilanci energetici e ambientali della produzione di biodiesel da lino e camelina in Sicilia sud-orientale Failla Sabina, Restuccia Andrea, Schillaci Giampaolo DiGeSA, Sezione Meccanica e Meccanizzazione, Università degli Studi di Catania sfailla@unict.it

di biodiesel da lino e camelina in Sicilia sud-orientale Failla Sabina, Restuccia Andrea,

2 Perchè Biodiesel! entro il 2020 utilizzo del 10% di biocarburanti nel settore dei trasporti (Direttiva 2009/28/CE conosciuta come RED)! tendenziale aumento della percentuale di miscelazione obbligatoria! alternativa rinnovabile al combustibile diesel di origine fossile! contributo alla riduzione delle emissioni! fonte di reddito per le aziende agricole! opportunità per la ricerca scientifica

conosciuta come RED)! tendenziale aumento della percentuale di miscelazione obbligatoria!

3 Perchè Lino e Camelina Linum usitatissimum L. var. Sideral Camelina sativa L. var. Calena

4 Obiettivi del lavoro! valutare le rese e le caratteristiche qualitative del biodiesel prodotto da olio di Linum usitatissimum e di Camelina sativa al variare della temperatura e delle quantità di metanolo e di potassa attraverso prove di laboratorio! calcolare l indice EROEI (Energy Returned on Energy Invested) inteso come rapporto tra il contenuto energetico del carburante (output) e l'energia assorbita dal processo produttivo (input), dalla fase della coltivazione alla fase della produzione del carburante! stimare la riduzione delle emissioni dei gas serra (GHG) confrontata con quella del combustibile fossile attraverso la metodologia RED (BIOGRACE Project 2012)

quantità di metanolo e di potassa attraverso prove di laboratorio!

5 Il campo sperimentale " Due lotti di circa m 2 ciascuna " Dimensioni: 62 m 80 m " Buffer zones di 10 m " Terreni medio impasto, pianeggianti " Parcelle non irrigue N E

6 Le operazioni colturali Ve Le Ce T unitario (m/s) (m) (ha/h) (h/ha) Trinciatura Erpicatura Zappatura Semina e concimazione (*) L. usitatissimum C. sativa Rullatura Diserbo Raccolta TOTALE L. usitatissimum 7.50 C. sativa 8.29 (*) 39 kg/ha di seme di lino; 4.2 kg/ha di seme di camelina; 320 kg/ha di concime (NP 25-15)

56 1.15 0.65 1.55 Rullatura 2.19 2.20 1.74 0.57 Diserbo 0.95 9.70 3.32 0.30 Raccolta 1.40 5.00 2.52 0.40 TOTALE L.

7 La spremitrice " Il prototipo è stato costruito da una ditta italiana e si trova presso i laboratori della Fondazione Grimaldi nel comune di Modica (RG) " capacità di lavoro nominale di 40 kg/h " singola testata di spremitura " motore elettrico da 3 kw a 230 V " termostato digitale " tramoggia di carico con riempimento manuale e una capacità di circa 5 kg " vasche di decantazione dell olio " tino per lo stoccaggio dell olio pulito

spremitura " motore elettrico da 3 kw a 230 V " termostato digitale " tramoggia di carico con riempimento

8 L estrazione: condizioni di prova " Temperature set point:! 105 C " velocità di rotazione della coclea:! 60 giri/min " diametro della boccola:! 10 mm (lino) e 8 mm (camelina) " capacità della tramoggia:! 4.5 kg " quantità seme spremuto per coltura:! 240 kg

9 L estrazione: risultati Parametro lino camelina Resa al raccolto [t/ha] Peso di mille semi [g] Numero di semi per capsula [n] 9 11 Grado di umidità [%] Purezza [%] Resa in olio [%] Resa in panello di estrazione [%] Oleico [%] (*) Linoleico [%] (*) Linolenico [%] (*) (*) Dati forniti da Agenzia delle Dogane di Catania

3 Purezza [%] 91 92 Resa in olio [%] 27.9 28.4 Resa in panello di estrazione [%] 69.3 66.

10 La transesterificazione: condizioni di prova " Alcol: metanolo (CH 3 OH) " Catalizzatore basico: idrossido di potassio (KOH) " Reattore: beute da 3 litri chiuse con film plastico e poste su piastre magnetiche con piatto riscaldante " Velocità di rotazione: 750 giri/min " Tempo della reazione: 60 min " Olio: 1 kg per prova " Tesi di prova: 18 x 3 ripetizioni = 54 prove per coltura! tre diverse quantità di metanolo (4.5: :1)! tre diverse quantità di idrossido di potassio (0.75% % %)! due diverse temperature (50 C e 60 C)

giri/min " Tempo della reazione: 60 min " Olio: 1 kg per prova " Tesi di prova: 18 x 3 ripetizioni = 54 prove per coltura!

11 La transesterificazione: protocollo delle prove Filtrazione Riscaldamento Preparazione miscela Separazione Lavaggio

12 La transesterificazione: analisi di laboratorio Agenzia delle Dogane di Catania FAME (Fatty Acid Methil Ester) [%] Contenuto di acqua [mg/kg] Contenuto di metanolo [%] Metilestere dell acido linolenico [%] CIRDER di Viterbo Massa volumica [g/cm 3 ] Potere calorifico superiore [MJ/kg]

[mg/kg] Contenuto di metanolo [%] Metilestere dell acido linolenico

13 La transesterificazione: risultati 98,0% 96,0% 94,0% ae ab a Resa Net Yield di biodiesel of Linum da usitatissimum Linum usitatissimum biodiesel dg ae ac h eh ad 96,2% cg ae ae fh bf ae gh cg ad 95,8% 96,0% 92,0% 90,0% Resa Net Yield di biodiesel of Camelina da Camelina sativa biodiesel sativa 98,0% 96,0% 94,0% 92,0% ae ab ac eh bf ab fh eh ae ae ae a ad 94,3% 93,9% 94% cg af h gh dh 90,0%

95,8% 96,0% 92,0% 90,0% Resa Net Yield di biodiesel of Camelina da Camelina sativa biodiesel

14 La transesterificazione: risultati qualitativi (*) Linum usitatissimum Condizioni di prova FAME C18:3 Metanolo Catalizzatore 0.75% 90.8%a 50.6%a 1.5%b Catalizzatore1.00% 91.3%a 50.8%a 1.6%c Catalizzatore1.25% 99.0%b 55.3%b 1.4%a Temperatura 50 C 96.0%ns 53.3%ns 1.5%ns Temperatura 60 C 95.6%ns 53.4%ns 1.5%ns Camelina sativa Condizioni di prova FAME C18:3 Metanolo Catalizzatore 0.75% 88.6%a 31.4%a 1.7%a Catalizzatore1.00% 95.3%b 33.5%b 1.9%b Catalizzatore1.25% 99.2%c 32.9%b 2.0%b Temperatura 50 C 92.6%a 32.4%a 1.7%a Temperatura 60 C 95.0%b 33.8%b 1.9%b (*) Dati forniti da Agenzia delle Dogane di Catania

4%ns 1.5%ns Camelina sativa Condizioni di prova FAME C18:3 Metanolo Catalizzatore 0.75% 88.6%a 31.4%a 1.7%a Catalizzatore1.00% 95.3%b 33.5%b 1.

15 La transesterificazione: risultati qualitativi (*) Massa volumica Potere calorifico superiore g/cm 3 MJ/kg Lino biodiesel ± ±0.06 Camelina biodiesel ± ±0.04 (*) Dati forniti dal CIRDER di Viterbo

biodiesel 0.8943±0.03 38.0808±0.06 Camelina biodiesel 0.

16 Il bilancio energetico EROEI = Output Input " Biodiesel " Panello di estrazione " Macchine impiegate (trattrici e operatrici) " Diesel e Lubrificanti " Seme, fertilizzanti ed erbicidi " Estrazione e Transesterificatione Nota: Gli equivalenti energetici sono essenziali per calcolare l indice EROEI (Baldini et al., 1982; Volpi, 1992; Avella et al., 2009; Unakitan et al., 2010; Fore et al., 2011).

Estrazione e Transesterificatione Nota: Gli equivalenti energetici sono essenziali per calcolare l

17 Il bilancio energetico Coltura Resa Estrazione OLIO Transesterific. BIODIESEL Massa volumica BIODIESEL t/ha % kg/ha % kg/ha g/cm 3 L/ha L. usitatissimum C. sativa ha 425 L 1 ha 346 L

18 Il bilancio energetico Totale Input per la coltivazione e il processo di trasformazione Input Coltivazione MJ/ha Biodiesel L/ha Indice energetico MJ/L Input Processo MJ/ha Totale Input MJ/ha Lino Camelina Biodiesel L/ha Totale Output da Biodiesel e panello di estrazione Indice energetico MJ/L Output MJ/ha Panello kg/ha Indice energetico MJ/kg Output MJ/ha Totale Output MJ/ha Lino Camelina Totale Input MJ/ha Totale Output MJ/ha EROEI Lino Camelina

223 Biodiesel L/ha Totale Output da Biodiesel e panello di estrazione Indice energetico MJ/L Output MJ/ha Panello kg/ha Indice energetico MJ/kg Output

19 Il bilancio ambientale: metodologia RED GHG SAVING = (EF EB)/ EF E = e ec + e l + e p + e td + e u + e sca + e ccs + e ccr + e ee INPUT per la coltivazione di Lino e Camelina Coltura Diesel (MJ ha -1 ) N-concime (kg N ha -1 ) P 2 O 5 - concime (kg N ha -1 ) Diserbante (kg a.i. ha -1 ) Seme (kg ha -1 ) Lino Camelina

Coltura Diesel (MJ ha -1 ) N-concime (kg N ha -1 ) P 2 O 5 - concime (kg N ha -1 )

20 Il bilancio ambientale: metodologia RED Emissioni generate dalla coltivazione di Lino e Camelina (gco 2eq kg seed -1 ) Coltura Diesel N-concime P 2 O 5 - concime Diserbante Seme N 2 O Totale Lino (15%) (29%) (3%) (11%) (2%) (41%) Camelina (18%) (31%) (3%) (6%) 2.79 (0.2%) (42%) Emissioni totali (gco 2eq MJ FAME -1 ) Coltura Coltivazione Processo trasformaz Trasporto Totale Lino Camelina Riduzione Emissioni GHG: 17% (Lino) e 5% (Camelina)

74 Camelina 246.38 (18%) 427.68 (31%) 44.11 (3%) 75.80 (6%) 2.79 (0.2%) 578.55 (42%) 1375.

21 Limiti della sperimentazione " Mancanza di replicazione della coltivazione negli anni " Processi di estrazione e di trans-esterificazione dell olio a scala di laboratorio " Impiego di equivalenti energetici per il calcolo dell EROEI " Stima della riduzione di GHG

22 Coltivazione: Bilanci energetici e ambientali della produzione di biodiesel da lino e camelina in Sicilia sud-orientale Conclusioni una corretta gestione del suolo dovrebbe mirare al controllo delle infestanti al fine di ridurre gli interventi le lavorazioni contemporanee alla semina e la semina diretta potrebbero ridurre l incidenza dei tempi di lavoro e il consumo di diesel e lubrificanti la scelta della seminatrice e dell epoca di semina risultano cruciali per ridurre i tempi di lavoro e incrementare le rese produttive la sperimentazione dimostra l adattabilità delle colture in condizioni di clima semi-arido e in terreni non-irrigui Processi di estrazione e trans-esterificazione: le rese in olio e in biodiesel potrebbero risultare più elevate con impianti a scala industriale la composizione acidica dell olio di camelina e soprattutto dell olio di lino rappresentano un ostacolo alla produzione di biodiesel di elevata qualità la temperatura del processo di transesterificazione non sembra aver influito sulle rese in FAME né sulle rese in biodiesel nel caso del lino; incrementa le rese in FAME nella camelina il contenuto più elevato di potassa consente di ottenere rese in FAME più elevate rispondenti agli standard EN14214 e EN14213

23 Conclusioni Valutazione energetica: i valori di INPUT risultano inferiori a quelli riportati in letteratura da altri autori per altre colture al fine di ridurre gli INPUT si potrebbe valutare la possibilità di contenere la dose ad ettaro di concime che rappresenta più del 50% del totale dell energia richiesta l indice EROEI risulta, per entrambe le colture, maggiore di 2 e ciò significa che la coltivazione, il processo di estrazione e quello di trans-esterificazione si può definire sostenibile in termini di energia generata Valutazione ambientale: le emissioni totali generate dalla coltivazione di Lino e Camelina (gco 2eq kg seed -1) risultano superiori rispetto ad altre colture riportate nel BIOGRACE per rendere sostenibili le produzioni di biodiesel da Lino e Camelina, le rese produttive devono raggiungere valori più elevati rispetto agli input le emissioni dovute alla coltivazione andrebbero ridotte razionalizzando le concimazioni azotate

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