Capitolo 9 Analisi su base GIS dell impatto ambientale e dei costi di approvvigionamento della biomassa Algoritmo su base GIS

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1 Capitolo 9 Analisi su base GIS dell impatto ambientale e dei costi di approvvigionamento della biomassa Algoritmo su base GIS A valle della stima delle disponibilità di biomassa, dei relativi costi di produzione e di raccolta/esbosco, si è proceduto quindi ad una analisi di dettaglio su alcune aree selezionate appartenenti al territorio toscano. A tale scopo è stato appositamente sviluppato un algoritmo di calcolo su base geografica il quale, implementato nella forma di un eseguibile utilizzabile al di fuori di una qualsiasi specifica applicazione GIS, lavora come una scatola nera (Figura 1) su di un set di file, mappe e parametri di input preparati in precedenza, producendo, quale conseguenza della elaborazione, un insieme di file e mappe di output rappresentanti il risultato del calcolo. I dati GIS, sia in ingresso che in uscita dal programma, sono trattati attraverso l uso di formati liberi standard, così da rendere possibile l'utilizzo del programma in combinazione con un qualsiasi ambiente software GIS. Il codice di calcolo è stato implementato tramite l uso del linguaggio di programmazione FORTRAN90. Le ragioni che hanno condotto a questa scelta (piuttosto che all utilizzo di altri linguaggi di programmazione quali il C++ oppure Java) vanno ricercate nel fatto che FORTRAN90, oltre ad essere il linguaggio in uso nei più importanti ed impegnativi progetti scientifici, è anche quello che riesce a produrre eseguibili con prestazioni di calcolo di gran lunga superiori. Escludendo Java a priori, essendo questo in genere in grado di garantire prestazioni assai deludenti in termini di velocità di calcolo, anche nel confronto con C o C++, suoi diretti antagonisti per quanto riguarda le performance di calcolo, FORTRAN90 produce codici con velocità di calcolo doppie o addirittura di un ordine di grandezza superiori. Questo accade in virtù del fatto che tale linguaggio, ossia i compilatori da esso utilizzati, è stato progettato con lo specifico intento di ottenere codici con un elevato grado di ottimizzazione delle risorse hardware e quindi in grado di consentire prestazioni eccellenti. Inoltre, dal momento che il calcolo numerico si va attualmente sempre più spostando verso sistemi di calcolo basati su di architetture parallele, cui competono costi di esercizio sempre minori, una futura implementazione dell algoritmo in questa direzione potrebbe facilmente sfruttare le caratteristiche parallele intrinseche già presenti in FORTRAN90, consentendo quindi una migrazione quasi immediata del codice dall attuale piattaforma scalare ad una futura piattaforma parallela. Una volta che il codice di calcolo è stato implementato e testato, si è proceduto alla sua applicazione su di aree selezionate appartenenti al territorio regionale toscano. La scelta di tali aree, ossia di quelle da sottoporre ad analisi approfondita, è stata compiuta in base ai risultati del precedente lavoro che ha condotto alla definizione dei bacini di raccolta (vedi Capitolo 8), considerando la maggiore o minore vocazione di ciascuno di questi alla installazione di una filiera biomassa-energia. Il software prodotto è stato sviluppato in maniera assolutamente indipendente dalla natura geografica del territorio in esame, rendendolo quindi in futuro utile a conseguire

2 un analisi di dettaglio su di aree generiche preventivamente selezionate nelle quali sia presente sia una risorsa di biomassa che delle localizzazioni potenziali per l installazione di un impianto di conversione. INPUT Formati Open Prodotto di Software GIS generico FORTRAN90 OUTPUT Formati Open Analizzabili tramite Software GIS generico Figura 1 - Modalità di funzionamento dell algoritmo ambiente GIS Descrizione Descriviamo per sommi capi il funzionamento del programma tramite il quale l algoritmo è stato implementato. Una volta individuato un insieme di localizzazioni geografiche potenzialmente interessanti per l installazione di un impianto di conversione energetica ed un set di taglie di impianto da considerare, il software calcola il costo della biomassa disponibile sul territorio in esame una volta che questa viene conferita all impianto, calcolando e localizzando le emissioni associate al trasporto di questa. Il calcolo viene effettuato per ciascuna taglia di impianto presa in considerazione e per ciascuna localizzazione potenziale per l installazione dell impianto di conversione energetica. I risultati riferiti alle emissioni di inquinanti dovute al trasporto sono disponibili in termini di qualità (ossia la tipologia di inquinante), quantità e di localizzazione geografica delle stesse, in quanto, all interno del vasto set di output prodotti, il programma elabora un set di vettori rappresentanti i percorsi interessati dal trasporto e le relative emissioni per unità di percorso. Lo scopo dell algoritmo, il cui diagramma a blocchi è presentato in Figura 2, è quindi quello di eseguire un analisi in grado di: - calcolare il costo marginale della biomassa conferita all impianto; - calcolare il costo di trasporto dovuto al trasporto della biomassa dalla zona di produzione all impianto; 264

3 - individuare le strade interessate dal traffico di mezzi pesanti impegnati nel trasporto della biomassa; - quantificare e localizzare le emissioni relative al trasporto della biomassa. La procedura di analisi attraverso il programma può essere divisa in tre fasi principali e, prendendo a riferimento la Figura 1, la si può così riassumere: 1. preparazione dei file di input e scelta dei parametri di calcolo; 2. elaborazione e calcolo, ossia lancio del programma utilizzando come input i file elaborati al passo precedente; il codice produce una serie di file di output al termine del calcolo; 3. analisi dei risultati, attraverso l elaborazione dei file di output tramite fogli di calcolo e software GIS. LOOP PRIMARIO LOOP SECONDARIO Next False next Costo di produzione (Costo/Area) Energia (Energia/Area) Costo di trasporto Mappa Localizzazioni Potenziali pixel (i,j) Per ciascun pixel (i,j) True Mappa Produttività pixel (h,k) Per ciascun pixel (h,k) = 0 > 0 Calcolo del Minimo percorso dalla localizzazione potenziale all area di produzione (Dijkstra s Shortest Path Algorithm) Parametri per emissioni dovute al trasporto Calcolo costo energia Calcolo emissioni dovute al trasporto Fabbisogno energetico Riferito alla taglia d impianto in esame Immagazzino dati in un Array: Pixel Energia Costo Emissioni Informazioni sul Costo Marginale Informazioni sulle emissioni Output del Programma True False Energia accumulata sufficiente? Incremento energia accumulata col valore del pixel col minimo costo tra quelli non ancora utilizzati Ordinamento dati in Array da minimo (Costo/Unità di Energia) a massimo (Costo/Unità di Energia) Salvataggio informazioni temporanee circa costi ed emissioni Figura 2 - Algoritmo: diagramma a blocchi I dati da fornire come input al programma e quelli da questo elaborati in output, sono forniti attraverso formati standard e liberi (Raster come matrici semplici binarie, vettori in formato ESRI Shapefile e parametri in formato BorlandDBaseIII e testo) e possono quindi essere prodotti ed elaborati attraverso l uso di un qualsiasi software GIS disponibile sul mercato o open source. 265

4 Preparazione file di input e scelta dei parametri di calcolo Il primo passo della procedura consiste nella preparazione dei file di input e nella scelta dei parametri di calcolo. I dati di tipo geografico possono essere elaborati tramite un qualsiasi software GIS (o una combinazione di più software GIS) che sia in grado di esportare i risultati di tale elaborazione in un formato raster compatibile con quello scelto. Si deve innanzitutto individuare l area da sottoporre ad esame. Questa (Figura 3-a) verrà selezionata sulla base di un analisi GIS e la sua estensione rappresenterà il limite geografico del problema cui si farà riferimento durante tutta la seguente trattazione; a titolo esemplificativo, l area potrebbe essere rappresentata da uno dei bacini di raccolta individuati attraverso i criteri esposti al Capitolo 8. Una volta definiti i limiti geografici del problema, si provvede alla preparazione dei file di input veri e propri. Le mappe da fornire in ingresso al programma sono le seguenti: mappa delle localizzazioni potenziali, indicante le aree dove è possibile installare un impianto di conversione energetica; mappa della rete stradale; mappa della produttività da biomassa, in cui ogni pixel rappresenta la produttività della biomassa associata all'area della cella; mappa della produzione in termini energetici, con la corrispondente produttività in termini energetici associati all'area della cella; mappa dei costi di produzione della biomassa, che rappresenta il costo di produzione da associare alla produttività della cella. Le ultime due mappe (produzione energetica e costi) sono strettamente correlate alla mappa delle produttività (stesse dimensioni e collocazione geografica) tanto che in realtà le tre mappe (produzione, energia e costi) devono essere considerate tutte assieme come un unico raster contenente tre diversi livelli informativi. A fianco delle mappe, sulla cui base verrà effettuata l analisi, devono essere forniti al programma un set di parametri di tipo numerico in ingresso, così riassumibili: - database delle caratteristiche principali degli impianti di conversione energetica scelti (ore di esercizio, consumo); - database dove si specificano le emissioni dovute al trasporto associate a ciascun mezzo di trasporto (trattore, camion, autoarticolato) considerato; - parametri per il calcolo del costo di trasporto della biomassa. In genere questo viene calcolato considerando un costo fisso ed uno variabile in base alla distanza percorsa (in sintonia con quanto esposto al Capitolo 5.7), ma è possibile apportare modifiche al codice in modo da considerare espressioni diverse da questa. Analizziamo adesso in dettaglio il significato di ciascuna mappa in ingresso e la procedura di calcolo cui queste sono sottoposte. La mappa delle localizzazioni potenziali (Figura 3 -b) evidenzia quelle aree dove si potrebbe installare un impianto di conversione energetica alimentato a biomassa. I criteri utilizzati per la scelta di queste aree variano a seconda del problema specifico che si sta esaminando. A titolo di esempio, per un impianto di produzione di elettricità si potrebbero tenere in considerazione le zone industriali non in prossimità dei centri urbani. 266

5 (a) Area in esame (b) Localizzazioni Potenziali Produttività Costo di produzione Contenuto energetico (c) Produttività da biomassa (d) Rete di trasporto Figure 3 - Dati di Input per l algoritmo Per ottenere il set di mappe riferite alla produttività, al contenuto energetico ed al costo di produzione della biomassa, si devono in primo luogo quantificare e localizzare le zone in grado di fornire biomassa e quantificarne la produttività; la quantità totale di biomassa disponibile, riferita all area sotto esame, deve essere sufficiente ad alimentare l impianto di conversione della taglia considerata per l installazione. Si producono quindi in seguito le ulteriori informazioni riguardanti il contenuto energetico della biomassa disponibile ed i costi associati alla sua produzione (Figura 3 -c). Tali costi di produzione tengono di conto di tutte le spese (coltivazione, raccolta etc.) sostenute prima che la biomassa sia caricata sul vettore di trasporto all impianto. La produttività ed i costi sono stimati, a seconda della tipologia di biomassa presa in considerazione, sulla base di quanto esposto nei precedenti Capitoli 5 e 6 per i residui agricoli e forestali rispettivamente. Per quanto riguarda il contenuto energetico della biomassa si è fatto riferimento a quanto esposto al Capitolo 2. Come ultimo passo si elabora la mappa della rete dei trasporti (Figura 3 - d); questo raster rappresenterà le strade utilizzabili dal tipo di mezzi scelti per il trasporto della biomassa. 267

6 (a) Localizzazione potenziale in esame (b) Aree produttive Figure 4 - Accesso alla rete dei trasporti Elaborazione e calcolo La procedura tramite la quale il software esegue l analisi viene qui di seguito descritta ed approfondita. Una volta prodotti i file di input ed i parametri di calcolo, questi vengono passati al programma assieme ad un file contenente le istruzioni per l esecuzione del calcolo. L algoritmo esegue quindi un ciclo di calcolo per ciascuna localizzazione potenziale (vedi diagramma a blocchi in Figura 2) presente nella mappa delle localizzazioni potenziali. Il primo passo consiste nell individuazione del punto di accesso alla rete di trasporto per la localizzazione potenziale in esame (Figura 4-a); analogamente si individua il punto di ingresso alla rete di trasporto per ciascuna delle aree di produzione di biomassa estrapolate dalla mappa delle produttività (Figura 4-b). Si ottiene quindi un set di informazioni riguardanti l accesso alla rete di trasporto della localizzazione potenziale e di tutte le aree produttive in termini di biomassa. Viene quindi calcolato, per ciascuna area di produzione, il minimo percorso (in termini di tragitto) utile a raggiungere la localizzazione potenziale (due esempi in Figura 5); il calcolo del tragitto viene eseguito utilizzando l algoritmo di minimo percorso di Dijkstra (per maggiori dettagli sul Dijkstra shortest path algorithm vedi bibliografia). A questo punto è quindi possibile calcolare, per ciascun percorso, il numero di viaggi necessari al trasporto della biomassa associata a ciascuna area di produzione sulla base della capacità di carico dei mezzi e del materiale da trasportare, i costi di trasporto e le relative emissioni (Figura 6-a). Combinando questi risultati con le informazioni contenute nella mappa dei costi di produzione, si ottiene quindi il costo totale (produzione e trasporto) relativo a ciascuna parcella di biomassa (o del corrispondente contenuto energetico) dovuto per il suo conferimento dalla zona di produzione all impianto di conversione (Figura 6 - b). Il costo totale della singola parcella prodotta di biomassa sarà infatti dato dalla somma della quota relativa al lato produzione e di quella relativa al lato trasporto, la prima essendo il prodotto dell analisi preliminare che ha dato come risultato le mappe di input relative ai costi, la seconda essendo il risultato del calcolo dell algoritmo. 268

7 (a) (b) Figure 5 - Minimi percorsi Queste informazioni, ciascuna per ogni area di produzione, sono raccolte ed immagazzinate all interno di un vettore che viene in seguito ordinato sulla base del costo totale per unità di energia. Utilizzando questo vettore si simula quindi la raccolta di energia all impianto partendo dal considerare le parcelle di biomassa più economiche e proseguendo fin tanto che non si raggiunge la quantità di biomassa (ossia di energia) sufficiente a coprire il fabbisogno annuo dell impianto in termini di biocombustibile. Particolare attenzione viene riservata alle informazioni relative all ultima parcella di biomassa conferito all impianto; il costo totale di approvvigionamento relativo a questa parcella di biocombustibile (espresso in termini di valuta per unità di massa) lo si assume come Costo Marginale della biomassa in riferimento alla localizzazione potenziale in analisi. Costi di trasporto Numero viaggi Emissioni CO 2 Emissioni NO X. Costo di produzione Costo di trasporto Emissioni Costo totale biomassa (energia) Emissioni dovute al trasporto (a) Calcolo costi di trasporto ed emissioni relativa ad un singolo percorso (b) Costo totale ed emissioni relativi ad una singola area di produzione Figure 6 - Calcolo delle emissioni e dei costi Al termine dell analisi eseguita dal codice di calcolo, alcune aree di produzione, meno convenienti economicamente, risulteranno escluse dall approvvigionamento dell impianto. Difatti alcune di queste aree, anche se non eccessivamente distanti dalla localizzazione potenziale (Figura 7 -a), potrebbero essere escluse a causa di costi di produzione troppo 269

8 elevati. Altre aree invece, localizzate ad esempio in località troppo distanti dall impianto, potrebbero essere escluse a causa dei conseguenti costi di trasporto troppo alti (Figure 7-b). (a) (b) Figure 7 - Aree di produttività della biomassa escluse dall approvvigionamento all impianto Analisi dei risultati I risultati del processo di elaborazione sono disponibili al termine del calcolo sotto forma di file vettoriali, file raster (entrambi analizzabili tramite Software GIS generico) e tabelle già pronte per essere analizzate attraverso un generico foglio di calcolo. Come primo risultato del processo di accumulazione sono poste in evidenza le aree di produzione incluse e quelle escluse dall approvvigionamento della biomassa all impianto di conversione (Figura 8-a). Per ciascuna zona di produzione scelta per l approvvigionamento dell impianto sono inoltre disponibili un insieme di informazioni dettagliate sulle emissioni relative al trasporto della biomassa (Figura 8-b). I risultati relativi alle emissioni dovute al trasporto, oltre che alla localizzazione geografica di tali emissioni, sono disponibili attraverso un file vettoriale che rappresenta le strade interessate dal traffico veicolare dei mezzi di trasporto; un database allegato a tale file e ad esso collegato consente di associare a ciascun tratto di strada le emissioni ad essa competenti, in termini di massa di inquinanti per unità di percorso, durante il periodo interessato dal trasporto. Si possono quindi ottenere delle mappe come quella presentata in Figura 13 oppure in Figura 19. Per maggiori dettagli circa l interpretazione di queste mappe, si rimanda alla loro analisi nei capitoli seguenti. 270

9 Tipo CO 2 CO NO X HC t/anno/km a b c d.. Numero viaggi (a) Aree escluse ed incluse (b) Risultati riferiti alle emissioni Figure 8 - Risultati del calcolo Tra i risultati si trovano anche ampi dettagli circa il costo della biomassa conferita all impianto; in particolare l analisi del processo di accumulazione, disponibile sotto forma tabulare, consente la visualizzazione dell andamento del costo della biomassa durante il processo di accumulazione di energia; un esempio relativo a questo tipo di informazione è presentato in Figura 9 per un impianto da circa 1MW elettrico. Come si evince dal grafico in figura, è possibile visualizzare il costo dell ultima parcella di biomassa (ossia di energia) consegnata all impianto (in figura questa risulta pari a 26,1Euro, relativi a circa 110TJ accumulati); questo prezzo è quello che andiamo a considerare come costo marginale della biomassa riferito alla localizzazione potenziale ed alla taglia d impianto in esame. Esempi di applicazione dell algoritmo A titolo di esempio dell applicazione della procedura di calcolo completa ad aree di territorio della regione Toscana, si considera adesso la simulazione di due diversi scenari relativi a due possibili filiere di utilizzazione di biomassa per scopi energetici. Entrambi gli scenari sono riferiti ad impianti di produzione combinata di energia elettrica e calore di media taglia, pari a circa 5MWelettrici, uno alimentato tramite potature di alberi da frutto e l altro alimentato attraverso l uso integrato di paglia residuo da cereale e di produzione dovuta a coltivazioni energetiche. 271

10 Figura 9 - Andamento del costo della biomassa durante il processo di accumulazione di energia Impianto alimentato da potature di piante da frutto Nel primo scenario in esame si considera la simulazione dell installazione di un impianto elettrico di media taglia alimentato a biomassa nel territorio indicato in Figura 10. L area da sottoporre ad esame è costituita dall unione dei tre bacini di raccolta contigui di Strada in Chianti, Poggibonsi e Pontedera (per maggiori dettagli sulla definizione dei bacini si rimanda al Capitolo 8). La scelta è caduta su questi tre bacini poiché, oltre ad essere contigui, un analisi relativa al potenziale energetico di ogni singolo bacino tra quelli evidenziati nel Capitolo 8.4, eseguita in termini di produttività da biomassa calcolata su base geografica, mette in evidenza come questi tre bacini presentino alcune tra le più alte concentrazioni di biomassa per unità di superficie. Questo fatto rende plausibile l utilizzo di questi tre bacini per l alimentazione di una filiera biomassa-energia. 272

11 Figura 10 - Area esaminata Per quanto riguarda la scelta delle localizzazioni potenziali si può in primo luogo osservare come la produzione di energia elettrica, a differenza della produzione di calore (combinata o no all elettricità) per processi industriali o teleriscaldamento, può essere considerata indipendente dalla localizzazione geografica della domanda energetica, dal momento che, una volta prodotta, essa può essere immessa con relativa facilità nella rete di distribuzione elettrica e di conseguenza andare a soddisfare un utenza anche lontana dal luogo di produzione. Risulta allora più importante considerare l installazione dell impianto, se possibile, all interno dell area interessata dalla produzione stessa, così da diminuire l impatto del trasporto della biomassa sia sull ambiente (in termini di emissioni correlate) che sul costo finale del combustibile (minor incidenza dei costi di trasporto). Come criterio di scelta delle localizzazioni potenziali per l installazione dell impianto si sono quindi andate a considerare tutte quelle aree a vocazione industriale presenti all interno del territorio in esame. Applicando questi vincoli alle informazioni contenute nel layer CORINE (vedi Capitolo 4) si è giunti alla selezione delle localizzazioni indicate e numerate in Figura 10, corrispondenti ai baricentri geografici delle zone industriali. L impianto L impianto di conversione preso in considerazione per la simulazione è costituito da una turbina a vapore capace di generare 5,250MW elettrici, alimentato da una caldaia BFB 273

12 (bubbling fluidised bed) in grado di bruciare biomassa di origine legnosa quali appunto le potature di alberi da frutto e vigneti. Per garantire il funzionamento dell impianto per circa ore questo necessita di tonnellate di biomassa secca, fabbisogno reperibile all interno del territorio in esame (vedi trattazione seguente). Maggiori dettagli tecnici sull impianto si possono trovare al Capitolo 3.2 della presente pubblicazione. Figura 11 - Distribuzione territoriale della Biomassa Costi di produzione e produttività della biomassa I criteri qui utilizzati per determinare i costi di produzione e la produttività della biomassa proveniente dai residui delle potature sono stati presentati e discussi nel Capitolo 5. L applicazione di tali criteri al layer informativo dell Inventario Forestale della Toscana (IFT, per maggiori dettagli vedi Capitolo 4.3.3) relativo al territorio in esame produce i risultati presentati in Tabella 1 dove, accanto alla produttività totale, si evidenziano anche alcuni dati statistici riguardanti i singoli pixel dell Inventario. Come evidenziato da questi dati, la produttività totale, a fronte di una domanda dell impianto pari a circa tonnellate annue di biomassa secca, è in grado di assicurare con ampio margine l approvvigionamento di combustibile. La distribuzione sul territorio di tale risorsa di biocombustibile è presentata nella mappa di Figura 11. La dimensione del singolo pixel produttivo di figura è quella del pixel IFT, pari quindi a 16ha di territorio (pixel 400m*400m). 274

13 Produzione Totale (t/anno) min MAX Medio t/ha/anno Costi ( /t) min MAX Medio 9,23 33,66 19,36 Tabella 1 - Residui ligneo-cellulosici derivanti da colture arboree agrarie Risultati dell analisi: costi Nella mappa di Figura 12 sono selezionate e presentate le cinque migliori localizzazioni per l installazione dell impianto in esame; queste risultano tutte appartenenti al bacino di approvvigionamento di Strada in Chianti. Nella stessa mappa si sono anche evidenziati i risultati numerici riferiti al costo totale della biomassa conferita all impianto in termini di Euro per tonnellata di sostanza secca; il dettaglio numerico dei risultati disponibili per le cinque migliori localizzazioni, assieme a quelli relativi alle emissioni, sono presentati in Tabella 2, ordinata in base al risultato di costo marginale. I costi così determinati sono stati ottenuti dalla procedura di calcolo dell algoritmo considerando i costi di produzione, raccolta e trasporto all impianto come evidenziato nei paragrafi precedenti. Per quanto riguarda il costo di trasporto, si sono considerati i risultati dell analisi esposta al Capitolo 5.7, mentre per le emissioni si sono utilizzati i valori del Capitolo 10. Dai risultati presentati in Tabella 2, risulta che la migliore localizzazione dal punto di vista economico è la località contrassegnata dal numero 60, corrispondente alla zona industriale locata nei pressi della località il Ferrone, a cavallo dei comuni dell Impruneta, Greve in Chianti e San Casciano in Val di Pesa. Il costo marginale in questo caso è pari a circa 32,84 per tonnellata. La curva di accumulazione relativa a questa localizzazione ed alla taglia d impianto considerata, tramite la quale si pone in evidenza la variazione del costo della biomassa all aumentare della richiesta di biocombustibile, è presentata in Figura

14 Figura 12 - Cinque migliori localizzazioni per l installazione dell impianto N. Loc. MC NO X COVNM CO PM CO 2 /t kg/anno kg/anno kg/anno kg/anno t/anno 60 32,84 208,43 37,51 65,22 8,34 36, ,01 221,83 39,92 69,41 8,88 39, ,15 250,09 45,01 78,25 10,01 44, ,31 199,76 35,95 62,51 7,99 35, ,36 195,22 35,13 61,08 7,81 34,54 Tabella 2 - Costi ed emissioni relativi alle cinque migliori localizzazioni potenziali (MC: marginal cost) 276

15 Figura 13 - Curva di accumulazione per l impianto in esame Risultati dell analisi: impatto ambientale I risultati dell analisi circa le emissioni dovute al trasporto della biomassa per le cinque migliori localizzazioni potenziali sono presentati in termini quantitativi e qualitativi in Tabella 2. I principali inquinanti considerati sono gli NO X, gli idrocarburi incombusti (COVNM), la CO, il particolato (PM) e l anidride carbonica (CO 2 ). I valori indicati sono riferiti alle emissioni totali correlate al trasporto del totale della biomassa conferita all impianto da ciascuna area di produzione. Questi sono stati calcolati, attraverso le informazioni relative alle emissioni medie per km dei mezzi utilizzati per il trasporto (vedi nel seguito, Capitolo 10.6), considerando il tragitto (andata e ritorno) che collega l impianto con ciascuna zona di produzione ed il numero dei singoli viaggi effettuati, dato questo dalla capacità di carico del mezzo, che per i veicoli qui considerati è pari a 7,5 tonnellate. I valori relativi alle emissioni sono espressi in termine di chilogrammi per anno per NO X, COVNM, CO e PM, mentre per la CO 2 si sono espressi in tonnellate annue, a causa del diverso ordine di grandezza dei risultati. 277

16 Figura 14 - Localizzazione delle emissioni dovute al trasporto La mappa presentata in Figura 14 mette in evidenza le strade interessate dal trasporto della biomassa conferita all impianto simulato nel caso questo sia posto in attività nella localizzazione migliore dal punto di vista del risultato economico, ossia la località contrassegnata dal numero 60, corrispondente alla zona industriale locata nei pressi della località il Ferrone, a cavallo dei comuni dell Impruneta, Greve in Chianti e San Casciano in Val di Pesa. Tramite una diversa colorazione, esplicata in termini quantitativi in legenda, si sono anche evidenziate le emissioni di CO 2 (espresse quali tonnellate per chilometro di rete stradale) dovute al traffico dei mezzi pesanti coinvolti nel trasporto della biomassa. In verde sono invece evidenziate le aree di produzione che andranno ad approvvigionare l impianto in esame. Confronto con impianto EnergiAgri Come ulteriore esempio applicativo, si presenta qui una simulazione eseguita considerando quale Input dell algoritmo i risultati dello studio preliminare riferito alla 278

17 realizzazione di un impianto della società EnergiAgri, per la produzione di energia elettrica mediante l uso di biomassa agricola erbacea. Figura 15 - Localizzazione dell impianto EnergiAgri L impianto L impianto considerato è a cogenerazione, basato su di una turbina a vapore della taglia di 5,0MW elettrici; se ne prevede un attività annua pari a circa ore, cui corrisponde un consumo di circa tonnellate annue di biomassa Oven Dry (massimo 15% di umidità), dato il fabbisogno orario pari a 6 tonnellate di biocombustibile. L impianto sarà localizzato nella zona industriale di Lavoria, all interno del Comune di Crespina, in provincia di Pisa. La localizzazione dell impianto è presentata nella mappa di Figura

18 La Biomassa La progettazione dei distretti energetici per la produzione di elettricità Lo studio preliminare (Cupelli e Nieddu, 1999) considera tre principali tipologie di biomassa per l approvvigionamento dell impianto: residui di paglia da cereale, mais da insilato e sorgo a fibra. Mentre la prima tipologia è un residuo vero e proprio, le altre due devono essere in questo caso considerate quali coltivazioni ad uso energetico, dato la loro natura ed il fatto che tutta la produttività a loro associata verrà utilizzata dall impianto. Per ciascuna tipologia di biomassa lo studio identifica un bacino di approvvigionamento ed una quantità disponibile; questi dati sono sintetizzati nella Tabella 3. Biomassa Zona Produttività per zona (t/anno) Superficie delle sotto aree (m 2 ) Produttività per sotto area (t/anno) Paglia A 2.084, , ,834 B 5.212, , ,156 C 3.127, , , ,085 Mais A , , ,574 B 8.041, ,640 Sorgo A 8.660, , ,849 B , ,599 Tabella 3 - Produttività di biomassa per tipologia ed area Le zone di approvvigionamento della biomassa sono presentate, per quanto riguarda la paglia da cereale, in Figura 16; analogamente è per il mais da insilato (Figura 17) e per il sorgo (Figura 18). Alcune di queste zone sono suddivise in due (ad esempio la zona A del mais) o in tre (quale paglia zona C) sotto aree. I baricentri geografici relativi a ciascuna sotto area sono evidenziati tramite un cerchio rosso. Non essendo presenti nello studio preliminare informazioni di maggior dettaglio per quanto concerne la localizzazione geografica delle risorse, si è assunta l ipotesi semplificativa di una distribuzione omogenea della biomassa su ciascuna sotto area, così da localizzare la produttività della biomassa come se questa fosse correlata al relativo baricentro geografico. Inoltre, come evidenziato in Tabella 3, la produttività di biomassa da assegnare a tale baricentro si è scelta quindi proporzionale all estensione della relativa sotto area. Per quanto riguarda i costi di produzione e raccolta, lo studio ha elaborato un costo della biomassa conferita all impianto pari a circa 31,00 per tonnellata di materiale Oven Dry conferito all impianto. Dal momento che nello studio preliminare (Cupelli e Nieddu, 1999) è stato considerato un costo di trasporto (indipendente dalla distanza) pari a 5,16 per tonnellata, si è considerato per la biomassa un costo di produzione e raccolta (farmgate price) di 25,82 per tonnellata quale input del calcolo. 280

19 Figura 16 - Zone di approvvigionamento: paglia da cereale Trasporto Per quanto riguarda il costo di trasporto, si sono considerati i risultati dell analisi esposta al Capitolo 5, e quindi, a differenza dell ipotesi di costo forfetario presente nello studio, stavolta questo varierà al variare della distanza da percorrere. Si è rispettata la capacità di carico ipotizzata nello studio, ossia 18 tonnellate per camion per il residuo di paglia e 30 tonnellate per camion nel caso del mais e del sorgo; la variabilità del carico è dovuta al differente peso specifico delle biomasse, una volta fissata la capacità di carico volumetrica. Variando il vettore di trasporto, che nella prima simulazione aveva una capacità di carico di 7,5 tonnellate, si devono considerare valori diversi per le emissioni durante la marcia del veicolo; questi sono riassunti in Tabella 4 in grammi per chilometro percorso nel caso delle due capacità di carico (in massa) considerate. 281

20 Figura 17 - Zone di approvvigionamento: mais da insilato Risultati dell analisi I risultati per quanto riguarda i costi e le distanze di trasporto sono presentati in Tabella 5. Dall analisi della curva di accumulazione in Figura 19 risulta che un primo incremento del costo della biomassa si verifica quando si superano le tonnellate, dove si passa, a causa dell aumento della distanza di approvvigionamento, da 42 a 46 Euro a tonnellata nell incremento di circa tonnellate di biomassa. Il secondo incremento vistoso è conseguente all accumulo delle ultime tonnellate di biomassa, che porta il suo costo da circa 49 Euro a tonnellata fino al valore del costo marginale (54,57 Euro/t). 282

21 Figura 18 - Zone di approvvigionamento: sorgo Carico (t) NO X PM HC CO CO 2 18,000 5,940 0,108 0,360 0, ,000 30,000 6,000 0,150 0,600 0, ,000 Tabella 4 - Emissioni per il trasporto in g/km I risultati dell impatto ambientale dovuti al trasporto sono esposti in Tabella 6; i principali inquinanti considerati sono gli NO X, gli idrocarburi incombusti (COVNM), la CO, il particolato (PM) e l anidride carbonica (CO 2 ). I valori indicati sono riferiti alle emissioni totali correlate al trasporto del totale della biomassa conferita all impianto dai baricentri di ciascuna sotto area. 283

22 Costo Marginale 54,57 Eu/ton Costo totale minimo 38,03 Eu/ton Costo totale medio 45,83 Eu/ton Costo di trasporto minimo 12,21 Eu/ton Costo di trasporto massimo 28,75 Eu/ton Costo di trasporto medio 20,01 Eu/ton Distanza di trasporto minima 21,107 km Distanza di trasporto massima 101,813 km Distanza di trasporto media 43,492 km Distanza di trasporto totale percorsa ,271 km Tabella 5- Risultati riferiti a costi e distanze percorse NO X COVNM CO PM CO 2 kg/year kg/year kg/year kg/year t/year 417,158 41,716 58,401 10,429 62,574 Tabella 6 - Emissioni dovute al trasporto della biomassa I valori relativi alle emissioni sono espressi in termine di chilogrammi per anno per NO X, COVNM, CO e PM, mentre per la CO 2 si sono espressi in tonnellate annue, a causa del diverso ordine di grandezza dei risultati. La mappa di Figura 19 mette in evidenza le strade interessate dal trasporto della biomassa conferita all impianto EnergiAgri. Tramite una diversa colorazione, cui fan riferimento i valori in legenda, si sono localizzate e quantificate le emissioni di CO 2 (in tonnellate per chilometro di rete stradale) dovute al traffico dei mezzi pesanti coinvolti nel trasporto della biomassa. Dalla Tabella 5 si può notare come la distanza tra l impianto e la sorgente di biomassa più lontana sia di poco superiore ai 50km (la distanza di trasporto massima ivi indicata si riferisce ad un viaggio di andata e ritorno); dal momento che nella presente analisi si sono considerati i baricentri geografici delle sotto aree, risulta allora probabile che la distanza massima reale da percorrere per approvvigionare l impianto con le ultime parcelle di biomassa sia ben maggiore di 50 km, con ripercussioni negative quindi per quanto riguarda l impatto del trasporto sia per le emissioni che sul costo totale. 284

23 Figura 18 - Curva di accumulazione per l impianto in esame 285

24 Figura 19 - Localizzazione delle emissioni dovute al trasporto della biomassa BIBLIOGRAFIA CUPELLI A., NIEDDU A., Progetto per un impianto di Cogenerazione alimentato a Biomassa, EnergiAgri 1999 VV.AA. SCANIA on emissions in SCANIA ON ENVIRONMENT, SCANIA 2000 available on the web at DIJKSTRA, E.W., A Note on Two Problems in Connexion with Graphs. Numerische Mathematik, 1: , 1959 AGRAWAL, A., HANG, D., SHMOYS, D., The shortest path problem, Class Handouts, Fall 1998, URL: MYERS, E., Fortran Programming for Physics and Astronomy - A reading course to learn computer programming for scientific coursework and research, web page: PRENTICE, J.K., FORTRAN 90 vs C++ - an educational perspective, web page: 286