Agrobioenergie: la filiera bioetanolo

Transcript

1 Agrobioenergie: la filiera bioetanolo Salvatore L. Cosentino, Danilo Scordia, Giorgio Testa, Vera Copani Accademia Nazionale di Agricoltura, 20 febbraio 2015, Bologna

2 Bioetanolo Il bioetanolo o alcool etilico è un carburante di origine vegetale, Il bioetanolo può essere utilizzato nei motori a combustione interna: Anidro per essere miscelato con benzina dal 5% all 85% in volume. Miscele con concentrazione di etanolo fino al 7% in volume possono essere utilizzate senza apportare modifiche al motore. Idrato (95% in vol.), utilizzato come sostituto integrale della benzina in autoveicoli con motore opportunamente adattato Sotto forma di etere (ETBE) da miscelare alla benzina In emulsione o in soluzione stabile con gasolio a concentrazioni intorno al 15 in vol.

3 Esempi di materiale vegetale da cui si ricava bio etanolo I biocarburanti di I generazione, in genere, derivano dal food. I biocarburanti di II generazione, derivanoun prodotto non food: rifiuti, sottoprodotti o colture non alimentari.

4 Direttive 2009/28/CE & 2009/30/CE, obiettivi al 2020 Ridurre le emissioni di gas ad effetto serra (GHG) del 20%; Incrementare la quota di energia rinnovabile, in tutte le forme del 20%; Incrementare la quota di biocarburanti nel settore dei trasporti del 10%. Tuttavia Rispettare criteri di sostenibilità (assicurare una riduzione di GHG > 35% con progressivo aumento al 60% entro il 2018); Non favorire la competizione del food vs fuel; Tenere in considerazione il cambiamento d uso del suolo, diretto ed indiretto (dluc and iluc)

5 DECRETO MISE 10 ottobre 2014 Aggiornamento delle condizioni, dei criteri e delle modalità di attuazione dell obbligo di immissione in consumo di biocarburanti compresi quelli avanzati. Percentuale di Bioetanolo d obbligo espressa in energia (PCI Bioetanolo 27 MJ/kg, Benzina 44 MJ/kg) 2015 = 5,0 % 2016 = 5,5 % 2017 = 6,5 % 2018 = 7,5 % di cui almeno 1,2 % avanzati (II generazione) 2019 = 9,0 % di cui almeno 1,2 % avanzati (II generazione) 2020 = 10,0 % di cui almeno 1,6 % avanzati (II generazione) 2021 = 10,0 % di cui almeno 1,6 % avanzati (II generazione) 2022 = 10,0 % di cui almeno 2,0 % avanzati (II generazione)

6 Double counting L articolo 33, comma 5 del D. Lgs. n. 28/2011 riconosce una premialità, ai fini dell attribuzione del numero dei certificati di immissione di biocarburanti, 2. Ai fini della dimostrazione del rispetto degli obblighi nazionali in materia di energie rinnovabili imposti agli operatori e dell'obiettivo di impiegare energia da fonti rinnovabili per tutte le forme di trasporto, il contributo dei biocarburanti prodotti a partire da rifiuti, residui, materie cellulosiche di origine non alimentare e materie lignocellulosiche è considerato equivalente al doppio di quello di altri biocarburanti.

7 DECRETO MISE 10 ottobre 2014 Parte A. Materie prime e carburanti che danno origine a biocarburanti contabilizzabili come avanzati a) Alghe se coltivate su terra in stagni o fotobioreattori. b) Frazione di biomassa corrispondente ai rifi uti urbani non differenziati, ma non ai rifi uti domestici non separati soggetti agli obiettivi di riciclaggio di cui all art.11, paragrafo 2, lettera a) della direttiva 2008/98/CE. c) Rifiuto organico come definito all art. 3, paragrafo 4 della direttiva 2008/98/CE, proveniente dalla raccolta domestica e soggetto alla raccolta differenziata di cui all art. 3, paragrafo 11 di detta direttiva, ovvero rifiuti biodegradabili di giardini e parchi, rifi uti alimentari e di cucina prodotti da nuclei domestici, ristoranti, servizi di ristorazione e punti vendita al dettaglio e rifiuti simili prodotti dagli impianti dell industria alimentare. d) Frazione della biomassa corrispondente ai rifiuti industriali non idonei all uso nella catena alimentare umana o animale, incluso materiale proveniente dal commercio al dettaglio e all ingrosso e dall industria agroalimentare, della pesca e dell acquacoltura, ed escluse le materie prime elencate nella parte B del presente allegato. e) Paglia. f) Concime animale e fanghi di depurazione. g) Pece di tallolio. h) Glicerina grezza. i) Bagasse.

8 j) Vinacce e fecce di vino. k) Gusci. l) Pule. m) Tutoli ripuliti dei grani di mais. n) Frazione della biomassa corrispondente ai rifi uti e ai residui dell attività e dell industria forestale quali corteccia, rami, prodotti di diradamenti precommerciali, foglie, aghi, chiome, segatura, schegge, liscivio nero, liquame marrone, fanghi di fi bre, lignina e tallolio. o) Altre materie cellulosiche di origine non alimentare materiali che includono residui delle colture alimentari e della mangimistica (quali ad esempio paglia, bucce, gusci, foglie, steli, stocchi e tutoli di mais), colture dedicate a basso contenuto di amido (quali ad esempio Panicum Virgatum, Miscanthus Giganteus, Arundo Donax), residui di lavorazione industriale (quali ad esempio i residui di colture alimentari o della mangimistica, ottenuti a seguito di estrazione di oli vegetali, zuccheri, amidi e proteine) e materiali da rifiuti organici. Questi materiali sono composti principalmente da cellulosa ed emicellulosa. p) Altre materie ligno-cellulosiche materiali composti da lignina, cellulosa ed emicellulosa quali biomasse legnose forestali residuali (quali ad esempio quelle ottenute da pulizie dei boschi e manutenzioni forestali), colture dedicate legnose, residui e scarti dell industria collegata alla silvicoltura, eccetto tronchi per sega e per impiallacciatura. q) Combustibili rinnovabili liquidi e gassosi di origine non biologica.

9 Cambio d uso del suolo (Land Use Change - LUC) Diretto (dluc): introduzione di un nuovo sistema colturale in un luogo dove non era mai stato intrapreso Indiretto (iluc): uso di terreno agricolo alimentare con colture non food e conseguente causa di messa in coltura di nuove terre altrove per la produzione alimentare Vincoli Agronomici Terreni marginali Altri vincoli Vincoli Economici Vincoli Sociali Vincoli Politici

10 What is marginal Land? A review of definition and concepts with regard to the cultivation of energy crops in Europe. Soldatos P., Cosentino S.L., Scordia D., Osborne B. (submitted to Global Change Biology Bioenergy) Modified from Rabbinge (1993)

11 Produzione mondiale di bioetanolo

12 Fonti di bioetanolo a livello mondiale nel 2013 e previsione al 2023

13 Produzione biocarburanti in EU (Eurobserver, 2013) Bioetanolo Biodiesel Biometano

14 Quantità di bioetanolo prodotto in Europa e materiale vegetale utilizzato per la sua produzione di bioetanolo (2013, milioni di litri)

15 Alcuni risultati dell attività di ricerca svolta nel progetto Biosea in Sicilia Colture annuali: sorgo zuccherino e da fibra Colture poliennali: Arundo donax Colture poliennali spontanee

16 Effetti della riduzione degli input agronomici Cv Keller Biomassa (t ha-1) % Restituzione Etc 50% Concimazione azotata (Kg ha-1)

17 Contenuto di nitrati nell acqua di percolazione in rapporto ai diversi fattori studiati a differenti profondità

18 Biomassa (t ha-1) Compost (t ha-1) Biomassa (t ha-1) 0 33 Compost ( t ha-1) Sucro Concime minerale (kg ha-1) 0 33 Utilizzo di Compost e Concime minerale in due genotipi di sorgo zuccherino Surgargraze Concime minerale (kg ha-1)

19 Resa in biomassa ed in zuccheri in genotipi di sorgo Sorgozuccherini e da fibra (t ha -1 ) Genotipi zuccherini e da fibra coltivati in Sicilia nel 2013 Ibridi della CERES, Ca, USA in confronto con varietà commerciali Biomassa epigea (t ha -1 ) BRS30 Sucro 506 Sugargraze Zuccheri (t ha -1 ) BRS30 Sucro 506 Sugargraze Ciclo colturale (gg)

20 Bioetanolo di 1G, 2G e totale da genotipi di sorgo Sorgo zuccherini e da fibra (L ha -1 ) Etanolo 1G (L ha -1 ) BRS30 Sucro 506 Sugargraze Etanolo 2G (L ha -1 ) BRS30 Sucro 506 Sugargraze Etanolo 1G+2G (L ha -1 ) Sucro 506 BRS30 Sugargraze Ciclo colturale (gg)

21 Perché le erbacee lignocellulosiche poliennali? Punti di forza elevata produttività annuale longevità: anni facile adattabilità elevato contenuto in cellulosa, emicellulosa e lignina ridotto impatto ambientale minore impiego di fitofarmaci (erbicidi) ridotto impiego di fertilizzanti ridotte lavorazioni del terreno contenimento dei fenomeni erosivi creazione di habitat Punti di debolezza reperimento materiale di propagazione (miscanto, arundo, saccharum) basse produzioni nell anno d impianto riconversione parco macchine immobilizzo suolo (nessuna rotazione) elevato contenuto di ceneri (combustione)

22 Arundo donax L. Spontaneous C3 species in Mediterranean regions; Rhizome or stem cuttings propagation; Temperature requirements: C and low water demand; Growing season Spring-Summer. Miscanthus x giganteus Greef et Deuter High yielding C4 species in temperate regions; Hybrid from Miscanthus sinensis x Miscanthus sacchariflorus; Temperature requirements: C and high water demand; Growing season Spring-Summer. Panicum virgatum L. C4 grass with a wide range of climatic adaptability; Propagation by seeds; High tolerance to severe water stress conditions; More drought tolerant than Miscanthus. Cynara cardunculus L. var. altilis C3 species native of Mediterranean; Growing season: autumn-spring; Temperature requirements: 5-40 C.

23 Colture native o endemiche del sud del mediterraneo Saccharum spontaneum L. ssp. aegyptiacum (Willd.) Hackel Cymbopogon hirtus (L.) Janchen Sorghum halepense (L.) Pers. Phalaris arundinacea L. ssp. arundinacea Dactylis glomerata L. Ampelodesmos mauritanicus (Poir.) Dur & Schinz Oryzopsis miliacea (L.) Asch. et Schweinf. Festuca arundinacea Schreb. Pennisetum purpureum (hybrid form China)

24 Consortium: 21 Partner from 12 countries (IT, GR, ES, PT, NL, BE, DE, HU, IR, Argentina, India, China); 6 SME

25 Relazione tra resa in biomassa aerea (t ha -1 ) e Consumo idrico della coltura (mm) in tre stagioni colturali a differenti dosi di concimazione azotata in Arundo donax L.

26 Relazione tra il Consumo idrico della coltura (Crop Water Use CWU, mm) e la biomassa aerea prodotta (Mg ha -1 ) insaccharum spontaneum L. spp. aegyptiacum (Willd.) Hack

27 Diagramma di flusso del processo di etanolo di II generazione Lignocellulosic biomass Size reduction Size reduction Filtration substrate Disk refiner, washing substrate SSF/SSCF Enzymes Saccharification Liquor C5-C6 sugars Fermentation Distillation Steam, Chemicals Pretreatment Unit Yeasts Thermochemical process Liquor detoxification Ethanol Lignin residue Inhibitor compounds, Chemicals

28 Piano sperimentale Log (R 0 ) = Log [t exp (T - T ref )/14.75] Experiment Codes Factors Severity Factor Run X 1 X 2 X 3 Temperature ( C) OA (% w/w) Time (min) Log (R 0 ) Scordia D, Cosentino SL, Jeffires TW, Second generation bioethanol production from Saccharum spontaneum L. ssp. aegyptiacum (Willd.) Hack.. Bioresour. Technol.

29 Preparazione dell idrolizzato (HF) Condizioni di pretrattamento scelte: Arundo: 150 C, 25 min (2.87 SF), 5% (w/w) [OA] Miscanthus: 158 C, 16 min (2.93 SF), 3.21% (w/w) [OA] Saccharum: 158 C, 16 min (2.93 SF), 3.21% (w/w) [OA] Condizioni di ph: incrementato a 5.0 con Ca(OH) 2 aggiustato a 5.5, 6.0 and 6.5 con NaOH Test di fermentazione: 45 ml HF filtro-sterilizzati in 125 ml Erlenmeyer flask 3 ml di nutrienti (5 g/l urea, 0.5 g/l MgSO 4 7H 2 0 and 1 g/l KH 2 PO 4 ) 2 DCW/l di P. stipitis CBS C, 150 rpm per 96 ore

30 Microrganismi e condizioni di crescita Pichia stipitis CBS 6054 e Saccaromyces cerevisiae FPL 450 mantenuti in YPD a 4 C Coltura di crescita: Erlenmeyer da 1000 ml contenenti 400 ml di YPD (10 g/l yeast extract, 10 g/l peptone, 20 g/l glucosio) Incubati a 30 C, 200 rpm per 24 ore Cellule in pellets centrifugate (6708 g, 10 min, 4 C) e lavate con DI H 2 0 aggiustati ad una concentrazione di 30 g/l (ss) via curva standard relativa a 600 nm assorbanza (Agilent 8453, UV- Visible Spectroscopy system) Photo by Thomas Kuster, USDA, FPL.

31 Materiale tal quale (% s.s.) Composition Arundo (%) b Miscanthus (%) Saccharum (%) a Glucan 34.60± ± ±0.13 Xylan 20.41± ± ±0.04 Galactan 0.66± ± ±0.01 Arabinan 1.81± ± ±0.01 Mannan 0.12± ± ±0.04 Rhamnan 0.06± ± ±0.01 K. Lignin 20.44± ± ±0.12 AL Ash 1.67± ± ±0.09 Mean velue and standard deviation of two determinations a Scordia, D., et al. Second generation bioethanol production from Saccharum spontaneum L. ssp. aegyptiacum (Willd.) Hack.. Bioresource Technology, b Scordia, D., et al. Bioconversion of giant reed (Arundo donax L.) hemicellulose hydrolysate to ethanol by Scheffersomyces stipitis CBS6054. Biomass and Bioenergy, 2012.

32 Bioetanolo - SSF a) Arundo, b) Miscanthus, c) Saccharum a b Log R 0 =t exp(t p -T ref )/14,75 [OA]=concentrazione di acido ossalico c

33 Produzione teorica e reale bioetanolo: poliennali vs annuali e legnose Resa in EtOH reale Scordia D, Testa G, Cosentino SL, Perennial grasses as lignocellulosic feedstock for second-generation bioethanol production in Mediterranean environment. Italian Journal of Agronomy 9(581), 84-92

34 Prospettive future di ricerca Trovare le colture più adatte ad un determinato ambiente che riescano a valorizzare efficientemente le risorse; Programmi di miglioramento genetico al fine di aumentare le rese, migliorare la resistenza agli stress e la composizione della biomassa per specifici usi finali; Ottimizzare le pratiche agronomiche, dalla propagazione alla raccolta (soprattutto per terreni marginali) Sviluppo di nuove machine operatrici per l impianto da propagazione agamica, raccolta, trasporto e stoccaggio Soluzioni ingegneristiche per migliorare l efficenza di conversione della biomassa lignocellulosica Sviluppo di sistemi di supporto decisionale (modelli agronomici, economici, ambientali) anche in relazione ai cambiamenti climatici Accettazione sociale

35 Agrobioenergie: la filiera bioetanolo Salvatore L. Cosentino, Danilo Scordia, Giorgio Testa, Vera Copani Grazie per l attenzione Accademia Nazionale di Agricoltura, 20 febbraio 2015, Bologna