Le problematiche della coltivazione delle specie per la produzione di biomasse

Transcript

1 Le problematiche della coltivazione delle specie per la produzione di biomasse Marco Mazzoncini Dipartimento di Agronomia e Gestione dell Agroecosistema Scuola Superiore Sant Anna di Pisa

2 Globalizzazione e cambiamenti della politica agricola comunitaria (riduzione dei prezzi dei prodotti, incremento dei costi dei mezzi zi tecnici, riduzione V.A.,., disaccoppiamento, non-food e set-aside, OCM s; ecc.) Indirizzi della politica ambientale ed energetica dell Unione (sottoscrizione del Protocollo di Kyoto, incentivazioni a livello o europeo e nazionale a favore dell utilizzazione di fonti rinnovabili, anche energetiche

3 Filiere agro-energetiche Fase di agricola Fase di trasformazione Produzione materia prima Industriale Artigianale Fase di commercializzazione Fase di utilizzazione come combustibile (biomasse solide e liquide) come carburante (biomasse solide e liquide)

4 filiera biomasse Erbacee Arboree - annuali (sorgo, canapa) - perenni (miscantus, canna, cardo) - residui coltivazioni tradizionali - SRF (Short Rotation Forestry) da pioppo, acacia, salice, eucalipto - residui coltivazioni tradizionali filiera biocarburanti - dall'olio di specie erbacee oleaginose (colza, girasole, soia e altre brassicaceae, ecc.) - dalla fermentazione alcolica degli zuccheri (sorgo zuccherino, barbabietola, mais, cereali vernini, ecc.) La filiera biomasse implica l utilizzazione diretta sul territorio La filiera biocarburanti implica la trasformazione delle biomasse e si può realizzare anche impiegando prodotti extraterritoriali

5 Cannabis sativa Sorghum bicolor 28 t ha - 1 s.s. media 10 anni

6 Miscanto (Miscanthus sinensis) Produttività media annua: 28,2 t s.s./ha./ha Contenuto in ceneri: 2,8% (56% SiO 2 ) Aratura: (30-40 cm) Densità: piante ha -1 Concimazione: 200 kg ha -1 N; 87 kg ha -1 P 2 O 5 ; 83 kg ha -1 K 2 O t s.s./ ha anno

7 Canna comune (Arundo donax) Produttività media annua: 37,4 t s.s./ha./ha Contenuto in ceneri: 5% 5 (44% SiO 2 ) Aratura (30-40 cm); densità piante ha -1 Concimazione: 200 kgha -1 N, 80 kgha -1 P 2 O 5 ; 200 kgha -1 K 2 O t s.s./ ha anno

8 Cardo (Cynara cardunculus) Produttività media annua: 11.4 t s.s./ha Contenuto in ceneri: 13,9% (di cui 15% SiO 2 ) t s.s./ ha anno

9 (Salix alba) (R. pseudoacacia) (Populus sspp)

10 Pioppo - Short Rotation Forestry Forestry (S.R.F.).) Produttività media annua: t s.s./ha./ha Contenuto in ceneri: 2,6% (1% SiO 2 ) Aratura: (40-50 cm) Densità: piante ha -1 Concimazione: 100 kgha -1 N; 144 kgha -1 P 2 O 5 ; 144 kgha -1 K 2 O 25 Media annua ( ) Resa (t s.s. ha-1 anno-1) annuale biennale triennale

11

12 Problematiche delle filiere agro-energetiche Ambientali bilancio energetico bilancio CO 2 conservazione e fertilità del suolo biodiversità Economiche Sociali bilancio economico indipendenza da fonti non rinnovabili creazione di nuovi mercati valori ricreativi e paesaggistici conservazione delle attività agricole e delle comunità rurali sul territorio Riduzione dei rischi per la salute umana applicabilità nei PVS

13 Problematiche della coltivazione delle specie da biomassa I ordine bilancio energetico bilancio economico bilancio C e altri gas climalteranti creazione di nuovi mercati II ordine biodiversità conservazione della fertilità del suolo Conservazione del paesaggio conservazione delle comunità rurali III ordine Tecniche Tecniche colturali specifiche (impianto ed espianto colture poliennali; miglioramento genetico; itinerari low input ; ecc.

14 . Analisi energetica delle colture Trasporto 2% Industria 34%. Coltura 64%.

15 Resa (in t.ha-¹): 2 TIPOLOGIA INPUT DIRETTI INDIRETTI TOTALI (MJ/ha) (MJ/ha) (MJ/ha) FASE AGRICOLA Meccanizzazione:. Lavorazione terreno Semina Fertilizzazione Diserbo Sarchiatura Raccolta TOTALE Sementi Fertilizzanti: Azoto Fosforo TOTALE Erbicidi TOTALE FASE AGRICOLA Energia Prodotti consumo Impianti Energia di processo immessa nel sistema Alto Input girasole FASE INDUSTRIALE Triturazione Trans-esterificazione Gas Elettricità esano 50 metanolo energia associata TOTALE FASE INDUSTRIALE TRASPORTI tragitto campo-impianto 100 km 400 su strada (2MJ/t/km) Inpianto-deposito 100 km 80 su ferrovia (0.4MJ/t/km) TOTALE TRASPORTI 480 TOTALE : INPUT N fertil. 54% P fertil. altro 7% 0% 2%0% Meccanizzazione 37% OUTPUT: biodiesel Resa in biodiesel Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/INPUT 1.09

16 TRASPORTI tragitto campo-impianto 100 km 400 su strada (2MJ/t/km) Inpianto-deposito 100 km 80 su ferrovia (0.4MJ/t/km) TOTALE TRASPORTI 480 TOTALE : INPUT Resa (in t.ha-¹): 2 TIPOLOGIA INPUT DIRETTI INDIRETTI TOTALI (MJ/ha) (MJ/ha) (MJ/ha) FASE AGRICOLA Meccanizzazione:. Lavorazione terreno Semina Fertilizzazione Sarchiatura Raccolta TOTALE Sementi Fertilizzanti: Azoto Fosforo TOTALE Erbicidi TOTALE FASE AGRICOLA Energia Prodotti consumo Impianti Energia di processo immessa nel sistema Basso Input girasole FASE INDUSTRIALE Triturazione Trans-esterificazione Gas Elettricità esano 50 metanolo energia associata TOTALE FASE INDUSTRIALE Nfertil. 51% Pfertil. altro 7% 1%0% Meccanizzazione 41% OUTPUT: biodiesel Resa in biodiesel Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/INPUT 1.26

17 .. OUTPUT: biodiesel Resa in biodiesel Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/ a. INPUT 1.09 OUTPUT: biodiesel Resa in biodiesel Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/ b. INPUT 1.26 OUTPUT: farine Resa in panello Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/ b. INPUT 2.21 OUTPUT: residui Resa in residui Equivalente energetico (t.ha-¹) (MJ.t-¹) OUTPUT/ b. INPUT 3.89

18 .. Input (Mj/ha/anno) Fase agricola Totale operazioni colturali 615 Fertilizzanti N P2O5 756 K2O Totale fertilizzanti Materiale di propagazione Erbicidi 9 Totale fase agricola Trasporti Tragitto campo-impianto Totale trasporti Output (Mj/ha/anno). Fase industriale I fase essicazione Essicamento II fase conversione elettrica Impianto Totale fase industriale E.elettrica da biomassa Arundo d. Input totali Output totali output/input 1.8

19 BILANCIO DELLA S.O. IN UNA AZIENDA CERELICOLA (ha 60) apporti di humus resa in ha S.S. (%) K1 biomassa(q/ha) (q/ha) humus Apporti di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) A favino da granella B mais granella C frumento duro apporti di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) 645 Perdite di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) densità apparente 1.3 tasso S.O. 1.5% K2 1.8% peso terreno (q/ha) peso S.O. (q/ha) 585 perdita S.O. (q/ha/anno) perdite S.O. nell'azienda (q di humus/anno) 632 DIFFERENZA APPORTI - PERDITE (q di humus/anno) 13 si stima una produzione di biomassa di 50 q/ha di s.s. A si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomassa 50 q/ha = 7.5 si stima una produzione di residui pari al 55% dell'intera biomassa 50 q/ha = si stima una produzione di biomassa di 200 q/ha B si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomassa 200 q/ha = 30.0 si stima una produzione di residui pari al 50% dell'intera biomassa 200 q/ha = si stima una produzione di biomassa di 100 q/ha di s.s. C si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomassa 100 q/ha = 15.0 si stima una produzione di paglie pari al 55% dell'intera biomassa 100 q/ha = 55.0

20 BILANCIO DELLA S.O. IN UNA AZIENDA AGROENERGETICA (ha 60) apporti di ha S.S. (%) K1 biomassa(q/ha) humus (q/ha) resa in humus Apporti di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) A aruno donax B sorgo C girasole apporti di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) 411 Perdite di S.O. nell'azienda (q di humus/anno) densità apparente 1.3 tasso S.O. 1.5% K2 1.7% peso terreno (q/ha) peso S.O. (q/ha) 585 perdita S.O. (q/ha/anno) perdite S.O. nell'azienda (q di humus/anno) 597 DIFFERENZA APPORTI - PERDITE (q di humus/anno) -185 A si stima una produzione di biomassa di 300 q/ha di s.s. si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomassa 300 q/ha = B si stima una produzione di biomassa di 280 q/ha si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomassa 280 q/ha = C si stima una produzione di biomassa di 65 q/ha di s.s. si stima una produzione di radici pari al 15% dell'intera biomas (25+40) 65 q/ha = 9.8 si stima una produzione di residui pari al 62% dell'intera biomassa 65 q/ha = 40.3

21 Problematiche della coltivazione delle specie da biomassa I ordine bilancio energetico bilancio economico bilancio C e altri gas climalteranti creazione di nuovi mercati II ordine biodiversità conservazione delle fertilità del suolo conservazione del paesaggio conservazione delle comunità rurali III ordine Tecniche Tecniche colturali specifiche (impianto ed espianto colture poliennali; miglioramento genetico; itinerari low input ; ecc.

22 - Introduzione ragionata delle nuove colture attraverso analisi agro-ambientali ambientali a livello locale (impatto ambientale, sociale, paesaggistico ed economico delle f (impatto ambientale, sociale, paesaggistico ed economico delle filiere attivabili sul territorio, dimensione della filiera e degli impianti) - Organizzazione finanziaria e logistica della filiera (domanda offerta, trasporti, mercati) - Supporto normativo chiaro e stabile che consenta l avvio l di patti di filiera - Individuazione di appropriati sistemi colturali e tecniche agronomiche per l inserimento l delle specie ad utilizzazione energetica in ambito aziendale (avvicendamento, lavorazioni, concimazioni, ecc.) - Informazione (per gli agricoltori e per i consumatori)

23

24 Costi di produzione orientativi Sorgo (1) Cardo (2) Miscanto (3) Canna (4) S.R.F. Pioppo (5) Resa (t ha -1 anno -1 s.s.) (6) 22,5 9,1 22,6 29,9 17,7 Costo mezzi tecnici ( ha -1 anno -1 ) 14, Costo mezzi meccanici ( ha -1 anno -1 ) Costi totali ( ha -1 anno -1 ) Costo produzione biomassa ( t -1 s.s.) 39,9 53,8 28,8 35,6 48,5 (1) impianto a mezzo semina; raccolta con falciacondizionatrice, ranghinatura e rotoimballatura (2) impianto a mezzo semina; raccolta con falciacondizionatrice e imballatura; ciclo decennale (3) impianto con trapiantatrice da tuberi/rizomi; 2 rizomi m -2 ; raccolta con falcia-trincia-caricatrice (umidità 53%); ciclo decennale (4) impianto con trapiantatrice da tuberi/rizomi; 1,25 rizomi m -2 ; raccolta con falcia-trincia-caricatrice (umidità 52%); ciclo decennale (5) impianto con talee con trapiantatrice forestale; 1 pianta m -2 ; raccolta con macchina portata tipo fellerchunker (umidità 52%) (6) trattasi delle produzioni medie ottenute nelle nostre prove sperimentali prudenzialmente decurtate del 20%.

25 Alcune valutazioni economiche medie pluriennali ( ha -1 anno -1 ) Rese S.R.F. 17,7 Barbabietola da zucchero 66,2 Frumento duro 4,5 Sorgo da granella 7,0 Girasole 4,4 Frumento duro 3,8 S.R.F. Pioppo (da Bonari et al., 2004) Avvic. Erbaceo Costi mezzi tecnici Costi meccanici Costi totali Plv coltura R.L. coltura

26 I vantaggi derivanti dall attivazione attivazione di filiere agro-energetiche Per le Aziende agricole Sviluppo della multifunzionalità,, incremento della biodiversità, conservazione della fertilità,, aumento del V.A.,., stabilità e sicurezza dei conferimenti, maggiore competitività,, riduzione dell abbandono dei terreni Per il Territorio Creazione di nuovi posti di lavoro, conservazione delle comunità rurali, riduzione della quantità di residui agricoli da smaltire, gestione attiva delle foreste Per la Nazione Riduzione delle importazioni di energia, incremento di competitività del sistema, allineamento alle politiche comunitarie Per l Ambientel Riduzione dell effetto effetto serra, sequestro del carbonio, riduzione del consumo di petrolio, riduzione emissione composti tossici

27 Lo scenario di riferimento La produzione di energia dalle biomasse contribuisce per il % al consumo energetico mondiale con 1230 Mtep/anno. Continente Energia da biomasse % sul totale Africa 55 Centro America 14 Sud America 26 Nord America 4 Oceania 35 Europa 3 (Woods e Hall, 1994) U.S.A. 3.2 % pari a 70 Mtep/anno U.E. 3.5 % pari a 40 Mtep/anno 18 % in Finlandia 17 % in Svezia 13 % in Austria 2.5 % in Italia (3.3 ( Mtep/anno)

28 La risorsa biomassa nella UE (Mtep) White Paper goals for Biomassa solida 42,9 48,4 102 Biomassa gassosa 1,2 1,8 15 Biocarburanti liquidi 0,4 0,9 18 Biodiesel 0,28 0,70 - Bioetanolo 0,08 0,20 - Totale 44,5 51,1 135 for 2010 Fonte: Kopetz, 2003 in Renewable Energy in Europe (EREC) Draft copy January 2004

29 L Italia a confronto con il resto della UE (al 2003, Agrisole) Biomasse ligno- cellulosiche (Mtep Mtep) Bio-gas (tep) Francia Biodiesel (.000 t) Bioetanolo (M hl al 2004) Svezia Finlandia Germania Spagna Austria Portogallo 2.41 Italia Danimarca U.K Grecia 0.85 Olanda 0.46 Belgio TOTALE

30 Direttiva europea 2003/30/CE (maggio 2003) sulla promozione dell uso dei biocarburanti o di altri carburanti rinnovabili nei trasporti Obiettivi minimi di biocarburanti e di altri carburanti rinnovabili da immettere sul mercato (*) Entro il 31 dicembre 2005: 2 % Entro il 31 dicembre 2010: Entro il 31 dicembre 2020: 5,75 % 20.0 % +3.9 mil. Ha colt.re dedicate +9.4 mil. Ha colt.re dedicate (*) Calcolato sulla base del tenore energetico di tutta la benzina e del gasolio per trasporti immessi sul mercato (circa t in Italia; 2% = t; 5.75% = t pari a ha destinati a oleaginose per biodiesel; ha di mais da bioetanolo oppure: t di etanolo da ha di bietola t di biodiesel da ha di oleaginose t di etanolo da ha di mais)

31 Obiettivi ed incentivi comunitari Credito carbonio: 45 per ogni ettaro coltivato a fini energetici (fino ad un max. di 1.5 milioni di Ha) Obiettivi ed incentivi nazionali PNERB (1999): portare a Mtep/anno la produzione nazionale di energia dalle biomasse nel (circa metà biocombustibili liquidi e metà solidi) contro gli attuali 3-3,53,5 Mtep/anno Defiscalizzazione di t di biodiesel 73 mil annui (dal 2005 al 2007) per produzione di ETBE da eccedenze vinicole o da coltivazioni dedicate Nuova finanziaria P.S.R.

32 Caratteristiche energetiche di alcune specie da bimassa Potenziale produttivo t ha -1 Arundo donax 36.4 Potere Calorifico MJ kg Cynara cardunculus Miscanthus sinensis Sorghum bicolor S.R.F. di pioppo Potature Siepi e filari 2 3 t/100 ml 18.0 gasolio 42.5

33 Produzioni di bio-etanolo ottenibili dalle diverse colture dedicate: MAIS e cereali in genere: coeff. di trasformaz (~30%) da 1 Ha di mais: 9 t di granella = 2.7 t di bio-etanolo da 1 Ha di grano: 5 t di granella = 1.5 t di bio-etanolo BARBABIETOLA da zucchero BARBABIETOLA da zucchero: coeff. trasform (~8.5%) da 1 Ha di bietola: 50 t di radici = 4.3 t di bio-etanolo

34 Vincoli alla diffusione della produzione di energia dalle biomasse Costi Necessità di disporre di processi di conversione tecnologici efficienti, economici e a limitato impatto ambientale Approvvigionamento costante nel tempo della biomassa Basso contenuto energetico della biomassa, Barriere organizzative derivanti dai molti operatori coinvolti Accettabilità pubblica Aspetti ecologici per l inserimento negli avvicendamenti esistenti Competizione per l uso del suolo.

35 Bilancio energetico colture da biomassa (Gj ha -1 anno) Miscanto Arundo S.R.F. Pioppo Liv.alto Liv.basso Tot.input 18,6 17,9 16,3 11,1 Tot. output Output/input 13,8 34,4 25,5 29,3 Output-Input Prod.tà energia kggj (Da Bonari e Venturi, 2003)

36 Aspetti paesaggistici equilibrio fra seminativi e S.R.F. mescolanza diverse specie epoca e modalità raccolta in aree declivi curve di livello

37 Tabella 6. Caratteristiche delle biomasse al momento della combustione in caldaia e loro equivalenza energetica in metano e petrolio. Equivalenze energetiche Specie Biomasse (t ha - 1 ) Umidità (%) P.c.i. (Mj kg - 1 tq) metano (m 3 ha - 1 ) petrolio (t ha - 1 ) Canapa Sorgo Miscanto Arundo Pioppo Robinia Salice Medie

38 ma rimangono irrisolte alcune problematiche, sia di carattere tecnologico (disponibilità di impianti piccoli, alti costi di allestimento e di gestione, ecc.) che di ordine agronomicoproduttivo (organizzazione aziendale, tecnica colturale, stagionalità, stoccaggio ecc.), sia sotto il profilo economico e sociale (costo finale di produzione dell energia, interventi di sostegno, accettabilità degli impianti a livello locale, ecc.), sia dal punto di vista ecologico e ambientale (logistica dei trasporti, bilanci agro-ambientali delle organizzazioni produttive nei vari territori, modificazioni del paesaggio agrario, ecc.)