Sostenibilità ambientale delle filiere di produzione energetica da biomassa

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1 Le colture agroenergetiche: un opportunità per l agricoltura? - Uta, 24 Ottobre 2012 Sostenibilità ambientale delle filiere di produzione energetica da biomassa Prof. Daniele Cocco Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali, Università di Cagliari daniele.cocco@unica.it

2 Partiamo dal 22 Agosto Nel 2012, dal 22 Agosto abbiamo iniziato a consumare risorse che la Terra non sarà in grado di rigenerare nel corso dello stesso 2012! Dal 22 Agosto per vivere stiamo intaccando il Capitale Terra e non usando solo gli interessi che può produrre

3 Pare che una Terra sola proprio non ci basti.. Il primo Overshoot Day è stato il 31 Dicembre Nel 1995 Nel 2005 Nel 2009 Nel 2010 Nel 2012 Italia (circa 4) 21 Novembre 2 Ottobre 21 Settembre 21 Agosto 22 Agosto

4 La sostenibilità nella produzione di energia Consumi di combustibili fossili in continua crescita (tasso medio annuo del 4-5%) ma riserve limitate ( anni)

5 Una possibile soluzione: l energia dalle biomasse Specie arboree ed erbacee coltivate ad uso energetico (colza, girasole, pioppo, canna da zucchero, mais, sorgo, triticale, etc.); Residui agricoli e forestali (paglie, potature, ramaglie, cortecce, etc.); Residui agro-industriali (vinacce, sanse, scarti vegetali, etc.); Residui zootecnici (pollina, deiezioni animali, etc.); Frazione organica dei rifiuti solidi urbani (FORSU), il cosiddetto umido. Biomasse Residuali Coltivazioni Energetiche

6 Le Tecnologie di conversione energetica Combustione Biocombustibili Digestione anaerobica Caldaie a pellet e a cippato Etanolo da cereali (USA) e canna da zucchero (Brasile) Olio vegetale da colza, girasole e palma Biogas da FORSU, residui vegetali e coltivazioni erbacee Energia termica e elettrica Combustibili per MCI Energia elettrica da MCI o TG Molte altre filiere e processi (gassificazione, pirolisi, etanolo da legnose, olio vegetale da microalghe, etc.) sono inoltre in una fase di sviluppo più o meno avanzato

7 La produzione di energia da biomassa Energia solare CO 2 Acqua Nutrienti Il bilancio teorico della CO 2 è in pareggio! Fotosintesi Biomassa Ossigeno Conversione Energia CO 2 Ceneri

8 La produzione di energia da biomassa In realtà, occorre inoltre valutare con attenzione il bilancio energetico e ambientale dell intera filiera! Energia solare Combustibili Coltivazione biomassa Residui Fertilizzanti, sementi, ecc. Emissioni Combustibili Trasporto prodotto Emissioni Combustibili, energia el. Conversione industriale Sottoprodotti Materiali, ecc. Emissioni Energia utile Coltivazione, trasporto e conversione industriale consumano risorse ed emettono inquinanti

9 Biomasse: opportunità e criticità Le biomasse sono l unica FER che necessita di un combustibile non disponibile gratuitamente (elevate ricadute economiche e occupazionali sul territorio); La biomassa può essere stoccata (è una fonte programmabile, diversamente da eolico e solare); La filiera di conversione energetica ha un suo bilancio energetico e ambientale (le filiere non sono pertanto tutte equivalenti); Sul medio periodo e su larga scala possono nascere problemi di competizione fra coltivazioni ad uso energetico e coltivazioni alimentari. FILIERA CORTA USO RESIDUI O PIANTA INTERA SOSTITUZIONE COMBUSTIBILI FOSSILI PREMIUM

10 Le domande sulla sostenibilità delle filiere La produzione di energia dalle biomasse è sostenibile dal punto di vista dei bilanci energetici e ambientali? Quale è la migliore filiera di conversione energetica delle biomasse dal punto di vista energetico e ambientale? Quale è la principale forma di impatto ambientale prodotto dalle diverse filiere di produzione energetica da biomassa? Quante emissioni di CO 2 si possono evitare sostituendo la produzione di energia da fonte fossile con quella da biomassa?

11 L Analisi del Ciclo di Vita (Life Cycle Analysis, LCA) La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti sull ambiente, ovvero l uso delle risorse e le conseguenze ambientali delle emissioni, lungo tutta la vita del prodotto (o del servizio), dalla estrazione delle materie prime, alla produzione, uso, trattamento di fine vita, riciclo e smaltimento finale, secondo un approccio denominato dalla culla alla tomba. (UNI EN ISO e 14044, Ottobre 2006).

12 Le fasi di uno studio LCA 1. Definizione degli scopi e degli obiettivi 2. Analisi di inventario 3. Analisi degli impatti 4. Interpretazione e miglioramento LCA

13 LCA della filiera di produzione energetica da colza Colza, girasole, soia, ecc. Solventi Estrazione olio grezzo Energia termica Energia elettrica Panello proteico Olio grezzo Motore Diesel Metanolo Energia elettrica Transesterifica zione Glicerina Energia elettrica Biodiesel Gas di scarico

14 LCA della filiera di produzione energetica da colza La filiera di produzione di energia da colza viene confrontata con l analoga filiera di produzione energetica da combustibili fossili; A partire dal colza sono possibili diverse filiere (biodiesel, energia elettrica da olio vegetale, ma anche energia elettrica usando la pianta intera); Ogni filiera si compone di 3 fasi (coltivazione, trasporto e conversione finale in energia) ciascuna divisa in operazioni unitarie. L unità funzionale è rappresentata dalla coltivazione di 1 ha di terra per un anno in condizioni climatiche tipiche dell Italia meridionale. Tale scelta non è l unica possibile (es. 1 MJ di energia, 1 t di olio), ma è congruente con gli scopi dello studio;

15 I confini del sistema per la filiera del colza

16 Alcune assunzioni di base Semi 2 t/ha PCI 26,8 MJ/kg 42% olio (37 MJ/kg); Paglie 3,5 t/ha PCI 15,07 MJ/kg; Trasporto semi 50 km, trasporto paglie 150 km; Uso Fertilizzanti +100% di N e + 120% di P 2 O 5 nel caso di recupero paglie; Emissioni uso fertilizzanti azotati: 2% emesso come NH 3, 1,25% come N 2 O e 0,6% come NO X ; Efficienza estrazione 98%, resa biodiesel 98%; Consumo metanolo 0,11 kg/kg olio, consumo NaOH 0,06 kg/kg olio, resa glicerina 0,108 kg/kg olio ; Energia elettrica: 32 kwh/t seme per estrazione e 36 kwh t olio per esterificazione (+0,53 GJ termica);

17 Alcune assunzioni di base Field preparation Fertilization Sowing Herbicide and pesticide treatments Cultivator Machinery Tractor: 78 kw, 5670 kg Plough: 600 kg Tractor: 54 kw, 3240 kg Spreader: 300 kg Tractor: 78 kw, 5670 kg Broadcaster: 470 kg Tractor: 54 kw, 3240 kg Sprayer: 250 kg Tractor: 78 kw, 5670 kg Rototiller: 500 kg Operating time (h/ha) Harvesting Harvester: 180 kw, kg 1.30 Baling Tractor: 78 kw, 5670 kg Baling packer: 800 kg 1.50 Fuel and lubr. (kg/ha) Fuel= 30.0 Lubr.= 0.90 Fuel= 7.0 Lubr.= 0.22 Fuel= 6.0 Lubr.= 0.18 Fuel= 6.0 Lubr.= 0.18 Fuel= 8.0 Lubr.= 0.24 Fuel= 15.0 Lubr.= 0.45 Fuel= 12.0 Lubr.= 0.36 Means of production (kg/ha) - N=91.2 kg/ha P 2 O 5 = 92.0 kg/ha K 2 O= 0.0 kg/ha Seeds=5.0 kg/ha Glyphosate=3 kg/ha Carbaryl=2 kg/ha - - -

18 I risultati dell inventario Principali elementi del bilancio energetico: filiera del biodiesel 12,5 Coltivazione Pianta intera 106,3 Seme (2 t) 53,6 0,2 5,9 Trasporto (50 km) 53,6 Conversione Residui 52,7 agricoli 13,6 (3,5 t) Biodiesel (725 kg) 26,8 Panello (1,2 t) + Glicerina (80 kg) (Dati in GJ/ha)

19 I risultati dell inventario 12,5 Coltivazione Pianta intera Principali elementi del bilancio energetico: filiera dell olio vegetale 106,3 52,7 Seme (2 t) Residui agricoli (3,5 t) 0,2 1,8 Trasporto (50 km) 53,6 53,6 Panello (1,2 t) Conversione (η=47%) 8,5 14,5 Energia elettrica (3580 kwh) 12,9 Perdite termiche (Dati in GJ/ha)

20 I risultati dell inventario Energia ed Emissioni degli input al sistema Primary energy Environmental emissions E (MJ/kg) CO 2 (g/kg) CO (g/kg) CH 4 (g/kg) SO 2 (g/kg) NO X (g/kg) Diesel fuel production Diesel fuel use (tractor) Diesel fuel use (vehicle) Lubricant production Fertilizer production (N) Fertilizer production (P 2 O5) Fertilizer production (K 2 O) Herbicide prod. (Simazine) Pesticide prod. (Carbaryl) Methanol production Glycerine production NaOH production Hexane production Tractor production Utensil production Animal feed (barley and oat)

21 I risultati dell inventario Trasporti e generazione elettrica Primary energy Environmental emissions E (MJ/t km) CO 2 (g/t km) CO (g/t km) CH 4 (g/t km) SO 2 (g/t km) NO X (g/t km) Transport (heavy-duty truck) Primary energy Environmental emissions E (MJ/MJ) CO 2 (g/mj) CO (g/mj) CH 4 (g/mj) SO 2 (g/mj) NO X (g/mj) Power generation (Italy)

22 I risultati dell inventario Emissioni della fase di utilizzo dei prodotti Primary energy Environmental emissions E (MJ/kg) CO 2 (g/kg) CO (g/kg) CH 4 (g/kg) SO 2 (g/kg) NO X (g/kg) Biodiesel transport Biodiesel use (vehicle) Rape oil use (Diesel generator) Straw use (steam power plant) Aboveground biomass plant use (steam power plant)

23 I risultati della caratterizzazione per categoria Fase di coltivazione del colza Energy consumption (MJ/ha) Greenhouse impact (kgco 2 /ha) Acidification impact (kgso 2 /ha) Case A Case B Case A Case B Case A Case B Fuel and lubricants Fertilizers Seeds, herbicides and insecticides Machinery production Cultivation phase Energy Output Paglie lasciate sul campo Paglie all impianto di generazione elettrica

24 I risultati della caratterizzazione per categoria Filiera del Biodiesel Primary Energy Cons. (MJ/ha) Greenhouse impact (kgco 2 /ha) Acidification impact (kgso 2 /ha) Case A Case B Case A Case B Case A Case B Cultivation Oilseed transport Straw transport Oil extraction Transesterification Biodiesel transport Biodiesel use (vehicles) Straw use (power prod.) a) Biodiesel Fuel System Diesel fuel production and use Animal feed production Fossil Glycerine production Power generation b) Reference System c) Avoided Impact (a-b) d) Avoided Impact (% of b)

25 I risultati della caratterizzazione per categoria Filiera dell olio Vegetale Primary Energy Cons. (MJ/ha) Greenhouse impact (kgco 2 /ha) Acidification impact (kgso 2 /ha) Case A Case B Case A Case B Case A Case B Cultivation Oilseed transport Straw transport Oil extraction Oil use (power) Straw use (power prod.) a) Diesel Power System Power generation Animal feed production b) Reference System c) Avoided Impact (a-b) d) Avoided Impact (% of b)

26 I risultati della caratterizzazione per categoria Filiera della Pianta Intera Primary Energy Cons. Greenhouse impact Acidification impact (MJ/ha) (kgco 2 /ha) (kgso 2 /ha) Cultivation Transport Use (power production) a) Steam Power System 21519,2 2212,02 26,07 Power generation b) Reference System c) Avoided Impact (a-b) d) Avoided Impact (% of b)

27 Caratterizzazione finale delle filiere Risparmio di Energia Primaria

28 Caratterizzazione finale delle filiere Risparmio sul Potenziale di Riscaldamento Globale

29 Caratterizzazione finale delle filiere Risparmio sul Potenziale di Acidificazione

30 Sostenibilità delle filiere nella attuale normativa Decreto MSE 6 Luglio 2012 Il costo cumulato di tutti gli incentivi, alle FER, escluso il fotovoltaico, non può superare 5,8 M /a; Oltre una prefissata potenza di soglia (5 MW per le biomasse) si accede agli incentivi mediante un meccanismo di aste competitive al ribasso, mentre sotto la soglia mediante l inserimento in posizione utile all interno di appositi registri; I piccoli impianti (sotto 200 kw per le biomasse di origine biologica e sotto 100 kw per il biogas) hanno accesso diretto agli incentivi; Gli impianti con potenza inferiore a 1 MW possono usufruire di una tariffa omnicomprensiva che include incentivo e valorizzazione dell energia. Sono previsti premi sulla tariffa incentivante in relazione al raggiungimento di specifici target di prestazione ambientale (riduzione emissioni o risparmio di energia).

31 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012 Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti soggetti a procedure d asta

32 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012 Contingenti annuali di potenza riservati agli impianti iscritti al Registro del GSE

33 I nuovi incentivi alle FER Decreto MSE 6 Luglio 2012

36 Sostenibilità delle filiere nella attuale normativa Decreto MSE 6 Luglio 2012 Sono previste diverse tipologie di biomasse: a) prodotti di origine biologica b) sottoprodotti di origine biologica c) rifiuti con frazione biodegradabile determinata forfetariamente d) rifiuti non provenienti da raccolta differenziata; Per i bioliquidi, gli incentivi sono subordinati al rispetto dei criteri di sostenibilità della direttiva 2009/30/CE; Sono previsti premi per impianti con: a) potenza fra 1 e 5 MW e ridotte emissioni di gas serra (10 /MWh) e biomasse da filiera (20 /MWh); b) ridotte emissioni inquinanti (30 /MWh); c) operanti in cogenerazione ad alto rendimento (da 10 a 40 /MWh).

37 Criteri sostenibilità bioliquidi Dlgs n. 55 del 31 Marzo 2011

38 Premio per riduzione emissioni di gas serra Fonte: UNI/TS 11435/2012

41 Premio per riduzione emissioni inquinanti Decreto MSE 6 Luglio 2012

42 In sintesi. Le biomasse, rispetto a diverse altre FER, offrono maggiori ricadute economiche e occupazionali sul territorio, dal momento che non sono disponibile gratuitamente, neppure nel caso dei residui; L impiego delle biomasse assume una valenza strategica per il gestore della rete in relazione alla possibilità di accumulo (è pertanto una fonte programmabile, diversamente da eolico e solare); Le filiere di conversione energetica non sono tutte uguali e il bilancio energetico e ambientale è molto favorevole soprattutto nel caso di filiere corte, di uso della pianta intera e di recupero di residui; Il problema della competizione fra coltivazioni ad uso energetico e alimentare deve essere governato, specie su larga scala e sul medio periodo.