INTRODUZIONE. STRATEGIE DI MITIGAZIONE i) Copertura delle vasche di stoccaggio del digestato ii) Valorizzazione del calore

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2 INTRODUZIONE INTRO Nel 2014, circa 1796 impianti di biogas in funzione. EE da biogas fortemente incentivata anche per questo è importante verificare che sia ambientalmente sostenibile. SCOPO i) Valutare l impatto ambientale della produzione di EE in impianti di digestione anaerobica (AD) caratterizzati da diversa taglia e differente alimentazione, ii) identificare gli aspetti chiave (hotspots) del sistema. STRATEGIE DI MITIGAZIONE i) Copertura delle vasche di stoccaggio del digestato ii) Valorizzazione del calore

3 4 IMPIANTI CONSIDERATI 4 impianti di digestione anaerobica (1 Piemonte e3 Lombardia) Potenza elettrica variabile da 220 a 999 kw, Alimentati con insilati di cereali (mais e triticale), reflui zootecnici (liquame bovino e suino). Mesofilia (39-41 C) Stoccaggio del digestato in vasche aperte Dissipazione del surplus termico

4 UNITA FUNZIONALE & CONFINI DEL SISTEMA UNITA FUNZIONALE 1 kwh elettrico (1 kwh) prodotto dal CHP CONFINI DEL SISTEMA GAS ESAUSTI CHP CH 4 CH 4 1 IMPIANTO ALIMENTATO UNICAMENTE A REFLUI Liquame bovino e suino 220 kw ET EE FASE DI CONVERSIONE UTILIZZO BG DIGESTATO DA LIQUAME OLIO, EE, MOTORE CHP NH 3, N 2 O, CH 4 EE-ET, NaOH, DIGESTORI

5 GAS DI SCARICO, COMPOSTI N-P GAS DI SCARICO CONFINI DEL SISTEMA (ii) COLTIVAZIONE E RACCOLTA BIOMASSA INSILAMENTO INSILATO FASE DI CAMPO FASE DI STOCCAGGIO CARBURANTI, OLIO CARBURANTI, OLIO, TRINCEA SEMI, AGROFARMACI FERTILIZZANTI GAS DI SCARICO, CH 4 CH 4 TRATTORI, MACCHINE OPERATRICI 1 IMPIANTO ALIMENTATO COMPLETAMENTE CON INSILATI DI CEREALI ET EE UTILIZZO BG DA Insilato di mais e di triticale 999 kw FASE DI CONVERSIONE DIGESTATO No LUC OLIO, EE, CHP NH 3, N 2 O, CH 4 EE-ET, NaOH, IMPIANTI

6 GAS DI SCARICO, COMPOSTI N-P GAS DI SCARICO CONFINI DEL SISTEMA (iii) COLTIVAZIONE E RACCOLTA BIOMASSA INSILAMENTO INSILATO FASE DI CAMPO FASE DI STOCCAGGIO CARBURANTI CARBURANTI, OLIO, TRINCEA SEMI, AGROFARMACI FERTILIZZANTI GAS DI SCARICO, CH 4 CH 4 TRATTORI, MACCHINE OPERATRICI 2 IMPIANTI CODIGESTIONE INSILATI DI CEREALI E REFLUI 585 e 999 kw No LUC ET EE FASE DI CONVERSIONE UTILIZZO OLIO, EE, CHP BG DIGESTATO NH 3, N 2 O, CH 4 DA EE-ET, NaOH, IMPIANTI LIQUAME

7 ANALISI DI INVENTARIO: Raccolta e stima dei dati (i) RILIEVI DIRETTI (Dati primari) Schede di rilievo compilate dagli agricoltori per quanto riguarda la tecnica colturale, i fattori produttivi consumati nel corso del ciclo produttivo, la meccanizzazione delle operazioni di campo, Rese delle diverse colture, perdite per insilamento 10% Schede di rilievo per distanze di trasporto, Monitoraggio degli impianti: produzione di EE, alimentazione, consumo di NaOH, elettricità, carburanti, olio motore, temperature di processo DATI SECONDARI (ECOINVENT, BIBLIOGRAFIA, MODELLI DI STIMA) Perdite di metano per trafilamenti e durante trattamenti del biogas e come incombusti (2%) Emissioni fumi di scarico del CHP Emissioni da stoccaggio del digestato in vasche aperte Emissioni N e P compounds durante la coltivazione dei cereali (Brentrup et al 2000, Nemecek and Kagi, 2007) Emissioni legate allo stoccaggio tradizionale dei reflui (IPCC) Impatto ambientale dei fattori produttivi a logorio parziale (es. trattori, operatrici, digestore, motore CHP).

8 ANALISI DI INVENTARIO: Raccolta e stima dei dati (ii) Impianto di biogas: digestori e CHP 8 anni 20 anni 20 anni Costruzione, Manutenzione, Smaltimento digestori e CHP = Database Ecoinvent modificando le informazioni presenti con quelle rilevate e/o ricavate dalle relazioni tecniche ed eseguendo un upscaling (fattore di scala di 0.6 ) con la stessa equazione utilizzata per le economie di scala (Whiting and Azapagic, 2014) E 2 = E 1 (C 2 /C 1 ) 0.6 dove: E 1 e E 2 impatto ambientale dell impianto (digestore o CHP) più piccolo e più grande, rispettivamente; C 1 e C 2 dimensione (volume per i digestori e potenza elettrica per il CHP)dell impianto più piccolo più grande, rispettivamente; 0.6 fattore di scala.

9 INVENTARIO (i): le colture Mais (MS) e Triticale (TS) MS TS TRATTORE MACCHINE OPERATRICE Consumo Capacità OPERATION Massa Potenza Massa gasolio di lavoro SC DC - Tipo Size (kg) (kw) (kg) (kg/ha) (ha/h) Fetilizzazione Carro 44 for MS 0,2 for MS m organica 2000 botte 30 for TS 0,3 for TS Aratura Aratro ,5 0,9 Erpicatura Erpice rotativo 4.0 m ,9 0,8 Semina Seminatr. 4 lines for MS 0,2 for MS 30 for TS 0,3 for TS Diserbo Irroratrice 15 m 600 3,5 for MS 0,3 for MS Irrigazione Pompa 950 m 3 /h ,1 for MS 0,8 for MS Sarchiatura Sarchiatrice 2.8 m 550 3,1 for MS 2,5 for MS Fertilizzazione Spandi 2500 concime dm 3 Raccolta FTC 335 kw Trasporto Insilamento Carri agricoli Pale frontali Fattori produttivi impiegati/rese produttive 80 t/ha digestato per MS 50 t/ha digestato per TS 20 kg/ha di seme per MS 170 kg/ha di seme per TS 2 volte (nicosulfuron 0.5 l/ha, fluroxipir 1 l/ha) + deltametrina 1,5 l/ha for MS 5200 m 3 /ha per MS Single Crop; 4400 m 3 /ha per MS Double Crop 500 2,8 for MS 5,5 for MS 60 kg/ha urea per MS 39,0 for MS 29,6 for TS 1,5 for MS 2,0 for TS 30 m ,1 0,5 MS resa: 66; 68 e 49,5 t/ha per impianto 1, 2 e 3; TS resa: 34,5; 36; 34.5 per impianto 1 e 3. 3 rimorchi per MS, 2 rimorchi per TS 2 m ,44 0,5 In trincee Mais con due diversi sistemi colturali: doppia (DC) e singola coltura (SC) Variabilità delle rese tra Mais e Triticale nelle diverse aziende.

10 INVENTARIO (ii): gli impianti Parametro Unità Impianto di biogas Potenza elettrica kw Potenza termica kw Efficienza elettrica % 40,8 40,8 39,5 37,0 Efficienza termica % Funzionamento annuo h/anno Elettricità prodotta MWh/anno Calore prodotto MWh/anno N. di digestori Volume dei digestori m N. post- fermentatori Volume post.ferment. m Volume specifico m 3 /kw 11,5 11,9 17,6 19,1 Autoconsumo elettrico % 8,8 9,0 8,2 9,4 Autoconsumo termico MWh/anno Insilato di mais t/giorno Insilato di triticale t/giorno Liquame suino t/giorno Liquame bovino t/giorno Separato liquido t/giorno Acqua t/giorno Distanza trasp. reflui km na 2.2 6,6 0,9 Olio motore kg/ anno 2158,4 2218,4 1051,6 492,8 NaOH kg/anno 471,6 484,8 229,8 107,7 Perdite di metano kg/ anno

11 METODO DI CARATTERIZZAZIONE ILCD, utilizzato per valutare i seguenti 12 impatti potenziali: climate change (CC), assottigliamento dello strato di ozono (OD), tossicità umana effetti cancerogeni (HTc), tossicità umana effetti non cancerogeni (HTnoc), formazione di polveri sottili (PM); formazione ossidanti fotochimici (POF), acidificazione terreste (TA), eutrofizzazione acque dolci (FE), eutrofizzazione terrestre (TE) eutrofizzazione marina (ME), ecotossicità delle acque dolci (FEx), consumo di risorse minerali, fossili e rinnovabili (MFRD). VALUTAZIONE DEGLI IMPATTI

12 RISULTATI: (i) confronto tra i diversi impianti Biomassa Unità Impianto di biogas Insilato di mais t/giorno Insilato di triticale t/giorno Liquame suino t/giorno Liquame bovino t/giorno Impatto Unità CC kg CO 2 eq OD mg CFC-11 eq HTc CTUh x HTnoc CTUh x PM g PM2.5 eq POF g NMVOC eq TA molc H+ eq x TE molc N eq x FE g P eq ME g N eq FEx CTUe MFRD mg Sb eq

13 RISULTATI: (ii) analisi dei contributi

14 708% 668% 714% 632% RISULTATI (iii): confronto con il mix elettrico nazionale 585% 495% 419% 4451% 2650% 3413% 2005% 1934% 1264% Mix ITA 8/12 6/12 7/12 1/12

15 CC (kg CO 2 eq/kwh) POSSIBILI MITIGAZIONI (i): copertura stoccaggio digestato COMPORTA Riduzione emissioni da stoccaggio del digestato - 80% delle emissioni di CH 4, NH 3, N 2 O Anaerobic digestion plant, agriculture/ch da Anaerobic digestion plant, agriculture covered/ch Categoria di impatto CC -47,8% -127,4% -72,6% -18,2% OD -17,4% -19,8% -18,6% -24,2% HTc -1,0% -1,1% +4,5% +10,1% HTnoc -0,1% -0,1% +0,3% +0,8% PM -10,1% -11,9% -12,1% -33,0% POF -15,9% -23,1% -40,4% -26,8% TA -9,9% -11,7% -13,5% -56,8% TE -8,9% -10,6% -12,4% -63,2% FE 0,0% 0,1% 0,2% 13,1% ME -4,3% -9,6% -4,6% -25,7% FEx -0,1% -0,1% +0,1% +4,4% MFRD +11,2% +13,2% +24,1% +69,7% NON c è sempre una riduzione Maggiori benefici per le categorie di impatto più colpite dalle emissioni di metano: CC e POF Aumento dell impatto (legato a un maggior consumo di risorse per costruzione e manutenzione degli impianti) per MFRD (per tutti gli impianti) e HTc/HTnoc (solo per gli impianti medio piccoli).

16 POSSIBILI MITIGAZIONI (ii): valorizzazione del calore in eccesso CC kg CO 2 eq/kwh 0% 25% 50% 100% 0% 25% 50% 100% COMPORTA Sostituzione di calore prodotto in caldaie alimentate con gas naturale Valorizzazione del 25% del surplus termico disponibile su base annua Categoria di impatto CC -12,0% -29,0% -16,4% -2,7% OD -85,1% -88,0% -87,6% -80,3% HTc -23,6% -24,4% -26,0% -28,8% HTnoc -2,1% -2,1% -2,4% -2,5% PM -2,4% -2,6% -3,1% -7,7% POF -9,0% -11,9% -22,2% -10,9% TA -1,2% -1,3% -1,6% -5,1% TE -0,6% -0,7% -0,8% -2,9% FE -0,4% -0,6% -0,6% -23,4% ME -2,0% -4,2% -2,2% -9,3% FEx -0,5% -0,5% -1,0% -16,3% MFRD -8,0% -8,8% -9,3% -15,4% % 50% 25% 0% 100% 50% 25% 0% Riduzione dell impatto per tutte le cdi valutate, riduzione generalmente superiore per gli impianti di grossa taglia alimentati a insilati in cui gli autoconsumi termici sono inferiori ed è quindi maggiore la quota di calore valorizzata.

17 CONCLUSIONI Elettricità da DA di biomasse agricole sostenibilità rispetto al mix elettrico nazionale garantita SOLO per impianti alimentati unicamente con reflui Per impianti alimentati con biomasse da energy crops Possibili strategie di riduzione dell impatto: Utilizzo di sottoprodotti (soprattutto per gli impianti da realizzare); Valorizzazione del surplus termico (serre, essiccatoi, riscaldamento domestico, ORC, gruppi ad assorbimento, ecc.) benefici superiori per gli impianti grandi; Copertura delle vasche di stoccaggio del digestato. ASPETTI CRITICI molti dati di inventario con una forte influenza sull impatto ambientale sono: dati secondari derivanti da modelli di stima (es. riduzione delle emissioni con copertura del digestato, emissioni di N-P nel ciclo colturali) Fortemente sito specifici

18 GRAZIE PER L ATTENZIONE CONTACTS Jacopo Bacenetti jacopo.bacenetti@unimi.it Alessandra Fusi alessandra.fusi@manchester.ac.uk Marco Fiala marco.fiala@unimi.it