Dipartimento di Ingegneria Agraria. CONVEGNO Gestione delle biomasse e dei processi per la produzione di energia

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Cosima Stefani
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6, Balconata, Sala KAPPA Valutazione energetico-ambientale di filiere

1 CONVEGNO Gestione delle biomasse e dei processi per la produzione di energia Fieramilano - Rho 17 Novembre 2010, Pad. 6, Balconata, Sala KAPPA Valutazione energetico-ambientale di filiere agro-energetiche Prof Marco Fiala (marco.fiala@unimi.it), Dr Jacopo Bacenetti (jacopo.bacenetti@unimi.it)

2 CONVERSIONE CAMPO FASI Produzione Stoccaggio Recupero ET Trasformazione energetica Condizionamento EE TRASPORTO

3 SOSTENIBILITÀ COMPLESSIVA Aspetti Economici Aspetti Energetici J Aspetti Ambientali CO 2 eq SOSTENIBILITÀ COMPLESSIVA SC ATTENZIONE CALCOLARE Input Output L analisi economica è la più agevole. Metodologie definita e accettate da tempo ESEGUIRE BILANCIO O/I

ATTENZIONE CALCOLARE Input Output L analisi economica è la più

ANALISI ENERGETICA E AMBIENTALE Variabilità dei risultati anche per la medesima filiera Uso di metodologie diverse Voci Input (input indiretti, manodopera) Voci Output (sottoprodottii, effluenti)

4 ANALISI ENERGETICA E AMBIENTALE Variabilità dei risultati anche per la medesima filiera Uso di metodologie diverse Voci Input (input indiretti, manodopera) Voci Output (sottoprodottii, effluenti) Allocazione dei costi specifici Utilizzo di parametri diversi Equivalenti Energetici, Fattori Emissivi Parametri Tecnici (rese, rendimenti, quantità,...) NECESSITA di PREDISPORRE SW, user-friendly, per la valutazione della Sostenibilità Complessiva delle filiere più diffuse. Strumento analitico di supporto a tecnici/progettisti/imprenditori agricoli nella scelta/confronto oggettivo tra differenti filiere/opzioni realizzate in differenti scenari operativi (sito-specificità).

quantità,...) NECESSITA di PREDISPORRE SW, user-friendly, per la valutazione della Sostenibilità Complessiva delle filiere più diffuse.

5 ANALISI DI UNA FILIERA AGRO-ENERGETICA: STEP SCOPO DEFINIRE IL COSTO DI PRODUZIONE DELL ENERGIA IN TERMINI ECONOMICI, ENERGETICI E AMBIENTALI /kwh MJ/kWh kg CO 2 eq /kwh STEP LOGICI Individuazione dei confini dell analisi (dove comincia e dove finisce) Definizione della sequenza di operazioni nelle tre diverse fasi della filiera Quantificazione flussi di massa e di energia (definizione e quantificazione dei fattori produttivi diretti/indiretti) in ingresso e in uscita per tutte le operazioni di filiera Conversione dei flussi in valore (monetario, energia, emissioni di GHG) Nel caso di cogenerazione e/o in presenza di sottoprodotti: criterio allocazione Calcolo dei Costi EEA (C, C MJ, C GHG ) Calcolo dei Ricavi EE (R, R MJ ) e del Saldo A (S GHG ) Calcolo della Sostenibilità Complessiva

quantificazione dei fattori produttivi diretti/indiretti) in ingresso e in uscita per tutte le operazioni di filiera Conversione dei flussi in valore (monetario, energia, emissioni di GHG) Nel caso

6 SOFTWARE d ANALISI SEEA: Software analisi Economica, Energetica, Ambientale C FUEL? C FOOD? C FUEL!! CARATTERISTICHE Scala aziendale per la fase di campo Conversione progressiva a CROP FUEL della SAU AZ Meccanizzazione: parco macchine aziendale o ricorso a contoterzismo Se MO impiegata su tutta la superficie aziendale Ripartizione Costi Fissi EEA tra SAU FUEL /SAU FOOD Per tutte le FASI/Operazioni della filiere calcola O/I economici, energetici, emissioni di GHG C /R C MJ /R MJ C GHG /S GHG Indice di Sostenibilità Complessiva (TSI)

! CARATTERISTICHE Scala aziendale per la fase di campo Conversione progressiva a CROP FUEL della SAU AZ Meccanizzazione: parco

7 ANALISI e BILANCIO ECONOMICO COSTI ECONOMICI C RICAVI ECONOMICI R VALUTAZIONE COSTI (Fissi e Variabili) RICAVI O/I = R = Rapp Benefit/Cost C Mat. Impianto EE C = Q FP P FP Q = Quantità FP [kg; m 3 ] P = Prezzo unitario [ /kg] R = ET P ET + EE P EE + IN E = Energia [MWh] P E = Prezzo unitario E [ /MWh].

Mat. Impianto EE C = Q FP P FP Q = Quantità FP [kg; m 3 ] P = Prezzo

8 ANALISI e BILANCIO ENERGETICO COSTI ENERGETICI EN Input RICAVI ENERGETICI EN Output VALUTAZIONE Gross Energy Requirement Mat. Impianto EE O/I = EN Output EN Input = EROEI EN Input = Q FP EQ EN Q = Quantità FP [kg; m 3 ] EQ EN = Eq. Energetico [MJ/kg] EN Output = (PCN η EE ) + (PCN η ET ) PCN.. = Potere Calorifico Netto [MJ/kg tq ] η EE, ET = Rendimento

Impianto EE O/I = EN Output EN Input = EROEI EN Input = Q FP EQ EN Q = Quantità FP [kg;

9 ANALISI e BILANCIO AMBIENTALE COSTI AMBIENTALI EM GHG SALDO AMBIENTALE EV GHG VALUTAZIONE GHG (GreenHouseGases) Mat. Impianto EMISSIONI EVITATE EM GHG = Q FP F EM O/I = EV GHG Q = Quantità FP[kg; m 3 ] F EM = Fattore Emissivo FP [kg CO 2 eq/kg] EM GHG.

Impianto EMISSIONI EVITATE EM GHG = Q FP F EM O/I = EV GHG Q =

10 ANALISI e BILANCIO AMBIENTALE: SALDO La CO 2 fissato dalla pianta è ri-emessa in atmosfera quando la biomassa è utilizzata Le emissioni specifiche (kgco 2 eq/kwh) della filiera agro-energetica vengono confrontate con quelle di un altra filiera (es. basate su combustibili fossili), la differenza tra le due costituisce il SALDO AMBIENTALE. SALDO = GHG TRAD - GHG AG-EN 750 kg CO2 /GWh e = 850 kg CO2 /GWh kg CO2 /GWh In pratica, si valuta quanta CO 2 non viene emessa con l adozione della filiera biomassa considerandola come alternativa a una filiera fossile

basate su combustibili fossili), la differenza tra le due costituisce il SALDO AMBIENTALE.

11 FP DIRETTI (FPD) e INDIRETTI (FPI) DIRETTI Consumati completamente nel corso del ciclo produttivo Costo Energetico FPD EN FPD = Q FPD EQ FPD Costo Ambientale FPD GHG FPD = Q FPD F EM_FPD INDIRETTI Non consumati completamente nell processo produttivo ma, comunque, necessari per attuarlo (TR e MO impiegate, impianti di conversione). Costo Energetico FPI EN FPI = Q FPI EQ FPI Costo Ambientale FPI GHG FPI = Q FPI F EM_FPI Frazionamento in funzione ore impiego durata economica. ATTENZIONE: incidenza dei FPI sul costo energetico e ambientale di filiera non sempre marginale 5-15%

attuarlo (TR e MO impiegate, impianti di conversione).

ESEMPIO DI FPD E FPI - OPERAZIONE CONCIMAZIONE Indiretti Valore a nuovo Energia Embedded: Immagazzinata nei materiali, usata per la fabbricazione, la manutenzione e la consegna GHG Embedded: Emessi

12 ESEMPIO DI FPD E FPI - OPERAZIONE CONCIMAZIONE Indiretti Valore a nuovo Energia Embedded: Immagazzinata nei materiali, usata per la fabbricazione, la manutenzione e la consegna GHG Embedded: Emessi per l estrazione dei materiali, la fabbricazione, la manutenzione e la consegna RIPARTIZIONE Quanti Anni di Vita Utile? Dove, quando, quanto viene impiegato? Quante Ore di Impiego? MO TR Gasolio Lubrificanti Fertilizzante Manodopera Diretti

dei materiali, la fabbricazione, la manutenzione e la consegna RIPARTIZIONE Quanti Anni di Vita Utile?

ESEMPIO: FILIERA LEGNO-ENERGIA Filiera termochimica per produrre EE: Fase di campo: Pioppo SRF a turno biennale Fase di trasporto: Autotreno Fase di conversione:

13 ESEMPIO: FILIERA LEGNO-ENERGIA Filiera termochimica per produrre EE: Fase di campo: Pioppo SRF a turno biennale Fase di trasporto: Autotreno Fase di conversione: CHP (caldaia + ORC) FASE DI CAMPO SAU TOT = 80 ha 40 ha = Pioppo SAU FOOD = mais Ciclo Colturale: 15 anni Tecnica colturale Resa= 30t tq /ha aa U = 55% PCI =18,5GJ/t ss

conversione: CHP (caldaia + ORC) FASE DI CAMPO SAU TOT = 80 ha 40 ha = Pioppo SAU

14 ESEMPIO: FILIERA LEGNO-ENERGIA Volume: 96 m 3 Tariffa: 2 /km FASE DI TRASPORTO Distanza 50 km EQ EN = 92 MJ/kg Ritorno pieno Vita utile = 10 aa

15 CHP (ORC) FASE DI CONVERSIONE Allocazione basata sui prezzo 0,28 /kwh e 0,05 /kwh th Rif: EE da coal 1 kg CO 2 /kwh e R/C D = 50 km η= 18 % ENERGIA ELETTRICA 0 BIOMASSA CALDAIA A BIOMASSA η=83% Olio diatermico ORC Acqua fredda EV/EM Indice di Sostenibilità = 4,8 O/I Costi specifici EEA C = 91 /GWh e EN INPUT = 140 MJ/GWh e EM GHG = 62 kg CO 2 /GWh e Perdite termiche 3% Acqua calda η = 79 % BILANCI EEA UTENTE TERMICO R/C = 1,60 EROEI = 2,1 EV GHG /EM GHG = 15 R/C EV/EM D = 250 km Indice di Sostenibilità = 1,4 O/I

4,8 O/I Costi specifici EEA C = 91 /GWh e EN INPUT = 140 MJ/GWh e EM GHG = 62 kg CO 2 /GWh e Perdite termiche 3% Acqua calda η = 79 %

16 SEEA: STATO DELL ARTE e PROSPETTIVE FILIERA BIOMASSA CASO STUDIO Termochimica Ligno-cellulosica SRC (pioppo SRF, MRF; salice) Ligno-cellulosica Erbacee poliennali da biomassa Ligno-cellulosica Residui forestali FASI FA FT FC Pioppo SRF biennale in Italia, ciclo colturale di 10 anni X X (X) Salice SRF triennale in Svezia, ciclo colturale di 20 anni X X (X) Pioppo MRF quinquennale in Italia, ciclo colturale di 10 anni X X (X) Canna comune (Arundo donax) in Italia; ciclo colturale di 10 anni X X (X) Miscanto (Miscanthus x Giganteus) in Italia; ciclo colturale di 12 anni X X (X) Produzione di cippato a scopo energetico da residui forestali in Svezia a seguito del taglio finale in fustaie di conifere X X (X) Olio grezzobiodiesel Biochimica Ligno-cellulosica Residui agricoli Oleaginosa Fermentescibile Paglia di cereali (frumento, riso, orzo, ecc) in Italia settentronale X X (X) Residui di potatura della vite X X (X) Colza in Italia Settentrionale; X X Girasole in Italia Centrale; X X Codigestione colture dedicate (mais ceroso) e liquami Digestione mais ceroso in Italia Settentrionale X X ATTIVAZIONE PROGETTI DI RICERCA Accordi Istituzionali (Regione Lombardia UniMI - Associazioni Agricoltori) Ricerca in Agricoltura (Regione Lombardia, DIA, CNR, Soggetti filera)? PRIN2009 (UniMI, UniBA, UniUD, UniVT)?

ciclo colturale di 10 anni X X (X) Canna comune (Arundo donax) in Italia; ciclo colturale di 10 anni X X (X) Miscanto (Miscanthus x Giganteus) in Italia; ciclo colturale di 12 anni X X (X) Produzione

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