Ottimizzazione delle filiere bioenergetiche per una sostenibilità economica e ambientale
       
24-11-2017 00:45:28

Descrizione del Progetto

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SINTESI DEL PROGETTO

Obiettivo generale del progetto è l’ottimizzazione di filiere bioenergetiche esistenti mediante individuazione e risoluzione, almeno parziale, dei principali punti critici (§ 11.4, Fig. 5), sia operando nei settori tradizionali dell’agronomia e della genetica, sia avvalendosi di strumenti avanzati di analisi economica, ambientale (LCA) e di studio/programmazione territoriale (GIS). Entro il prossimo decennio l’utilizzo delle biomasse a fini energetici è previsto triplicare (EEA, 2007) grazie soprattutto alla diffusione delle colture dedicate che dovrebbero passare dall’attuale 2.8% al 50% delle biomasse totali entro il 2030 (Biomass Action Plan, 2005). Un vantaggio considerevole del settore agro-energetico è la possibilità di orientarsi verso diversi tipi di mercato energetico (elettricità, biocarburanti, ecc.) semplicemente variando il tipo di coltura, o indirizzando una stessa coltura a percorsi alternativi in funzione delle situazioni contingenti e richieste di mercato (Fig. 1). A fronte di un settore di produzione primaria comune, gli aspetti organizzativi e le criticità proprie di ciascuna filiera sono di fatto molto differenti e pertanto richiedono approcci multidisciplinari diversificati. In tal senso, il progetto è stato articolato in tre macro-filiere bioenergetiche: bio-termoelettrica, biodiesel e bioetanolo, a loro volta suddivise in sotto-tematiche (WP1-4) riguardanti aspetti di tecnica colturale (WP1), miglioramento genetico (WP2), qualità tecnologica (WP3) e problematiche più trasversali (WP4), quali analisi economica, ambientale, territoriale, logistica e meccanizzazione (Fig. 2). Delle tre filiere, quella bio-termoelettrica è di gran lunga la più complessa e la meno avanzata, giustificando il maggior impegno economico e scientifico nell’ambito del progetto. Le filiere biodiesel e bioetanolo, infatti, talora già operative su larga scala (es. USA e Brasile nella produzione di bioetanolo; Germania per biodiesel), si basano su colture note (es. colza o mais) e su processi più collaudati (es. transesterificazione e fermentazione), che richiedono ricerche più circostanziate. Un sostanziale balzo in avanti per le filiere bioetanolo e biodiesel riguarda soprattutto la produzione di biocarburanti di seconda generazione (nella prima) ed il recupero dei sottoprodotti (nella seconda), argomenti che vengono direttamente affrontati in altre tematiche di ricerca contestuali alla presente (2 e 3). Allo stesso modo, la filiera biogas, essendo oggetto di una specifica tematica (4) del bando ministeriale, non è stata inclusa nel presente Progetto. Nondimeno, la cospicua presenza di colture e argomenti comuni fra le quattro tematiche rende di fatto possibile, nonché utile, il trasferimento di conoscenze con spirito di sinergia all’interno del settore bioenergetico. Figura1

Figura 1. Possibili destinazioni energetiche di colture dedicate da amido, da olio o ligno-cellulosiche. BTL = Biomass-To-Liquid è un processo di gassificazione e successiva trasformazione in diesel (Fischer Trops). Transesterificazione è riferita all’olio di semi. Il green diesel deriva dal processo di idrogenizzazione diretta seguita da isomerizzazione.

Il progetto si avvale di Istituti di ricerca pubblici con lunga e documentata esperienza nel settore delle bioenergie (vedi § 11.5.3 Tabella 2). Sono coinvolte competenze diversificate e bilanciate in maniera tale da soddisfare tutti gli aspetti di filiera, partendo dalla produzione primaria, che ricopre la parte preponderante della ricerca, alle interrelazioni fra caratteristiche delle materie prime e modalità di trasformazione esistenti. Sostenibilità economico-ambientale, vocazionalità del territorio e bacino degli approvvigionamenti, meccanizzazione della raccolta e logistica in postraccolta sono ugualmente aspetti determinanti per il successo della filiera e verranno pertanto affrontati (WP4) anche avvalendosi di passate esperienze delle singole U.O. In linea generale l’attività del WP1 prevede la valutazione delle potenzialità produttive di arboree a ciclo breve (pioppo, salice ed eucalipto), erbacee annuali (sorgo da fibra e da zucchero, colza, girasole e carinata), erbacee poliennali (arundo, anche a confronto con altre poliennali valutate nell’ambito della tematica 2) e nuove specie di potenziale interesse sottoposte ad agrotecniche in grado di mitigare le criticità individuate per le diverse colture nell’ambito delle filiere esistenti (vedi § 11.4, Fig. 5). Campioni di prodotto verranno quindi inviati alle U.O. operanti nel WP3 per la valutazione della qualità tecnologica e delle modalità d’uso relativamente agli impianti esistenti. Programmi di miglioramento genetico verranno svolti nell’ambito del WP2 su sorgo da biomassa, pioppo, salice ed eucalipto, parallelamente a un’attività di esplorazione della variabilità genetica in arundo, preliminare a programmi di breeding. I più interessanti materiali costituiti nell’ambito del WP2 verranno quindi trasferiti alle U.O. del WP1 per le opportune valutazioni bio-agronomiche e produttive. I dati provenienti dai diversi WP costituiranno la base per le analisi economiche, ambientali e territoriali a carico del WP4. Il WP4 prevede anche lo sviluppo di tecniche innovative di raccolta e logistica, in particolare su sorgo zuccherino, in stretta collaborazione con le attività del WP1. Una sintesi delle interconnessioni fra i vari WP è rappresentata in Figura 6 (§ 11.5.4). figura2

Figura 2. Organizzazione generale del Progetto. WP1-3, nell’ordine agrotecnica, miglioramento genetico e qualità tecnologica, rappresentano ambiti di ricerca più specifici all’interno di tre principali filiere (Bio-termoelettrica, Bioetanolo, Biodiesel); WP4 (bilancio economico ambientale e logistica) comprende attività più generali a carico di una o poche U.O.

Il miglioramento dell’efficienza d’uso dei fattori agronomici, la disponibilità di nuovi cloni o genotipi a più elevata resa in sostanza secca, il miglioramento della qualità tecnologica dei materiali e delle tecniche di raccolta potranno consentire un innalzamento significativo del livello di competitività delle filiere agroenergetiche. L’analisi di aspetti fino ad ora poco indagati, quali l’accumulo di carbonio nella rizosfera, la valutazione di impatto ambientale (LCA) e di vocazionalità dei territori, unita a valutazioni di tipo economico, fornirà più elementi di giudizio oggettivi per una stima quantitativa delle esternalità, positive o negative, derivanti dallo sviluppo delle filiere bioenergetiche sul territorio nazionale, eventualmente traducibili anche in termini economici. Lo studio dettagliato dei singoli processi e della filiera nel suo complesso consentirà un giudizio più fondato sull’adeguatezza delle colture nei diversi areali e per le diverse destinazioni energetiche, al fine di una più congrua pianificazione territoriale, economico-ambientale, delle filiere bioenergetiche da parte del potere pubblico. Non ultimo, proposte innovative e migliorative dei processi esistenti potranno emergere da una più dettagliata conoscenza delle problematiche e degli aspetti organizzativi delle diverse filiere.
figura 3

Figura 3. Suddivisione delle U.O. nelle tre filiere e nei diversi ambiti di ricerca (WP1 = agrotecnica; WP2 = Miglioramento genetico; WP3 = Qualità tecnologica; WP4 = Bilancio economico-ambientale e logistica).

INQUADRAMENTO DEL PROGETTO NEGLI OBIETTIVI DELLA PROGRAMMAZIONE DEL SETTORE

L’utilizzo di bioenergie inizia con l’uomo primitivo ed è crescente nei millenni parallelamente alla storia dell’umanità fintanto che la disponibilità di fonti fossili a buon mercato (carbone nel XIX secolo, poi gas e petrolio) fa prendere il sopravvento a queste ultime. Già nel 1930 il petrolio diviene dominante nel settore dei trasporti. Negli ultimi anni si sommano alcuni fattori: la forte instabilità del settore petrolifero (es. crisi degli anni ’70), il timore dell’esaurimento del petrolio, l’incremento del suo prezzo e soprattutto l’emergente consapevolezza dell’impatto ambientale delle fonti di energia fossile. Che il picco produttivo del petrolio possa essere raggiunto nei prossimi 5-10 anni (Campbell, ASPO, 2007) e l’esaurimento entro 40 anni (BP Report, 2006) è dubbio; tale previsione era già stata avanzata attorno agli anni ‘80 e smentita dai fatti. Certamente però dovranno essere sfruttate fonti più difficilmente estraibili e soprattutto più “sporche” quali ad esempio sabbie e scisti bituminosi, con aggravio dei costi economici ed ambientali. Il conseguente aumento dei prezzi sarà aggravato dal fortissimo incremento della domanda mondiale, soprattutto di Cina ed India, e dal fatto che la maggior parte delle riserve a basso costo di estrazione sono concentrate nelle regioni meno stabili del Pianeta (Golfo Persico) ed il mercato è solo apparentemente libero (Al Gore, 2007). Situazione analoga si riscontra per il gas, fornito all’Europa per circa l’80% da soli tre Paesi (Russia, Algeria e Norvegia). Il principale effetto negativo, però, non ancora pienamente percepito nella sua gravità né dall’opinione pubblica né dai mass media (Conferenza di Bali, 2007), è sul clima, causato dall’emissione di CO2 e di gas climalteranti. Il settore dei trasporti, quasi totalmente dipendente dal petrolio (oltre il 95%), nel periodo 2005-2020 causerà più del 60% delle emissioni dei gas ad effetto serra (EU, 2007). La concentrazione di CO2 nell’atmosfera è passata dalle 280 ppm precedenti la rivoluzione industriale alle 380 ppm attuali, con un perdurante incremento annuale di circa 2 ppm (Mc Kibben, 2007). Questo trend avrà una drammatica incidenza sul clima, con un aumento della vulnerabilità del sistema ecologico, dello sviluppo socio-economico e della salute umana (IPCC 1997; 2007). E’ indispensabile ed urgente che il mondo corra ai ripari. Molte sono le possibili soluzioni, nessuna veramente risolutiva, ciascuna preferibile in specifiche situazioni, tutte, più o meno valide e utili per formare un “portafoglio variegato” di opzioni (Lovelock, 2006). Fra i 15 cunei di stabilizzazione proposti da Pacala e Skolow (2004) per risolvere il problema nei prossimi 50 anni, uno è la sostituzione delle fonti fossili con bioenergie. Infatti combustibili e carburanti sono considerati amici dell’ambiente, perché l’emissione di CO2 derivante dal loro processo di combustione è bilanciato dalla CO2 assorbita dalle piante durante il ciclo di vita. Ad esempio, l’uso di etanolo fornirebbe una riduzione del 56% dei gas con effetto serra rispetto alla benzina (Bourne, 2007). Una vasta letteratura dimostra bilanci energetici positivi o largamente positivi per molte colture da energia, sia pure con poche, ma autorevoli, opinioni contrastanti (Patzek, 2004; Pimentel e Patzek, 2005). Contro le bioenergie negli ultimi anni si sono levate voci robuste (FAO, alcune relazioni in convegni OCSE, il Nobel per la chimica Crutzen, lobby degli alimentaristi, ecc.) che hanno evidenziato possibili competizioni con colture alimentari, aspetto intollerabile in un mondo in cui milioni di persone muoiono di fame. In realtà si deve tener conto di almeno tre aspetti: i) le bioenergie derivanti da colture dedicate sono e saranno (nel mondo, nell’UE, in Italia) alternative solo ad una piccola percentuale di fonti fossili. Ad es. in Europa il terreno disponibile difficilmente consentirà di raggiungere la percentuale di bioenergie prevista per il 2020 e in Italia, per quella data, è già da ora programmato di destinare a colture da energia solo 600.000 ettari (4% del seminativo). Quindi, relativamente al terreno, poca competizione con l’alimentare; ii) in qualsiasi situazione di coltura la produzione agricola verrà sempre remunerata maggiormente da una destinazione alimentare in confronto ad una energetica; iii) è indispensabile non generalizzare. La sostenibilità della filiera dipende dalla combinazione di più fattori. La specie coltivata e nell’ambito di questa il genotipo, la fitotecnica adottata, il luogo di produzione condizionano fortemente il risultato. Ad esempio, la produzione di bioetanolo in Brasile (canna da zucchero) ha positivi bilanci energetici, ambientali ed economici, mentre in USA (mais) gli effetti sono meno positivi e in qualche caso negativi. Il settore bioenergetico, per le molteplici sfaccettature che lo caratterizzano, appare globalmente molto complesso e potrà svilupparsi solo se raggiungerà una sostenibilità sia economica che ambientale per rispondere ad importanti obiettivi nazionali ed europei. Il Documento Programmatico Italiano “Energia: una Sfida per l’Europa e per l’Italia”, inviato all’UE (2007), individua il ricorso a fonti rinnovabili per raggiungere tre principali obiettivi: i) mitigazione dei cambiamenti climatici; ii) sicurezza degli approvvigionamenti; iii) maggior competitività europea in un modello di sviluppo integrato. L’UE calcola che le bioenergie fornite dall’agricoltura in modo sostenibile dovrebbero raggiungere 47 Mtoe nel 2010 e 142 Mtoe nel 2030; circa l’85% del potenziale deriverebbe da soli 7 Stati membri fra cui l’Italia. Già dalle poche considerazioni sopra sintetizzate risulta evidente la necessità di approfondire le conoscenze per risolvere i tanti piccoli colli di bottiglia e, in attesa del progresso delle bioenergie di seconda generazione, ottimizzare le filiere esistenti. La loro sostenibilità economica, ambientale ed energetica dipende infatti da scelte tecniche mirate alle specifiche situazioni di coltivazione. Tali scelte potranno derivare dai risultati di ricerche che riescano ad integrare competenze di genetica, fisiologia, agronomia, chimica del suolo, aspetti ambientali ed economici. In sintesi, quindi, da un Progetto integrato al fine di ottimizzare le filiere ed incrementarne la sostenibilità. Istruzioni -Allegato 1 DM n. 353 del 17/07/2003

STATO DELL'ARTE GENERALE SULL’ARGOMENTO DEL PROGETTO

La politica di sviluppo energetico, sia in ambito europeo che nazionale (EREC, 2007), ha come scopi principali il risparmio energetico, la riduzione della dipendenza energetica da fonti fossili e soprattutto la riduzione del negativo impatto ambientale causato da queste ultime. In particolare, fra gli obiettivi dell’UE (CE, 2007) che impegnano anche l’Italia a medio-termine (2020 su base 1990) vanno ricordati:
  • riduzione del 20% di emissioni di CO2 da fonti primarie;
  • aumento del 20% del risparmio energetico;
  • aumento del 20% di energia da fonti rinnovabili; i biocarburanti dovranno costituire il 10% dei carburanti totali;
  • aumento dell’utilizzo di carbone pulito e del nucleare di quarta generazione;
  • sviluppo di piani di collaborazione e trasferimento di tecnologie per la produzione di “energia pulita” in PVS.
Le direttive del Piano Europeo di Sviluppo Energetico sono state recepite dall’Italia in un documento del Consiglio dei Ministri in data 10 Settembre 2007 (www.governo.it/backoffice/allegati/36271-4111.pdf), che prevede per il periodo 2005-2020 i seguenti aumenti:
  • produzione di energia elettrica da biomasse da 6.16 a 14.5 TWh;
  • produzione di calore/raffreddamento dalla stessa fonte da 1.88 a 9.32 Mtoe;
  • consumo di biocarburanti da 0.30 a 0.61 Mtoe, pari al 20% dell’obiettivo fissato dalla direttiva Europea sui biocarburanti (EU Strategy for Biofuels – COM (2006) 34, 8.2.2006), il che presuppone l’importazione del residuo 80%.
Fra le fonti rinnovabili, le biomasse sono previste avere ampie prospettive di espansione nel medio-breve periodo (CE, 2006). Le biomasse comprendono in generale tutte le sostanze a matrice organica, fra cui specie appositamente coltivate per destinazione energetica, meglio note come “colture dedicate” (D. Lgs 22/97, Decreto Ronchi; D. Lgs 383/03). Ad oggi, contribuiscono per circa il 4% del fabbisogno energetico dell’UE25 (EEA, 2007), valore che tuttavia, secondo la fonte citata, è destinato a triplicare nei prossimi 10 anni senza riflessi significativi sulla produzione interna di prodotti alimentari. Significativo, a tal proposito, è il “Biomass Action Plan” pubblicato dalla Commissione Europea (2005) in cui viene più volte citato un duplice obiettivo: raddoppiare l’uso energetico delle biomasse entro il 2010 e quadruplicarlo entro il 2030. Tale incremento consentirebbe, fra l’altro, di ridurre le emissioni annue di CO2 dell’UE del 6.7% (209 Mt), valore di poco inferiore all’obiettivo fissato nel Protocollo di Kyoto (8%). E’ da sottolineare inoltre che, a fronte dell’attuale 2.8%, le colture dedicate dovrebbero costituire, entro il 2030, il 50% circa delle biomasse utilizzate a scopo energetico. L’interesse verso colture dedicate presuppone che queste rispondano a specifici requisiti di idoneità che, allo stato attuale, sembrano ancora in larga parte non soddisfacenti. In termini generali, una coltura dedicata dovrebbe rispondere alle seguenti caratteristiche:
  • adattabilità all’ambiente di coltivazione e facilità di inserimento nei sistemi colturali;
  • elevata potenzialità e stabilità produttiva in termini di sostanza secca o di prodotto utile;
  • soddisfacente risposta produttiva a tecniche agronomiche a basso input;
  • bilanci energetici, ambientali ed economici favorevoli;
  • elevata rusticità (resistenza a patogeni e stress abiotici);
  • adattabilità a macchine e attrezzi già presenti in azienda o di uso comune;
  • adeguato contenuto di umidità e rapporto C/N in funzione del tipo di conversione;
  • adattabilità agli impianti di trasformazione (forma e dimensione regolari, basso contenuto in ceneri, ecc.);
  • scarsa tendenza alla colonizzazione e facile eradicamento;
  • consenso sociale, in particolare del mondo agricolo e rurale; Con particolare riferimento all’impatto ambientale, la Commissione Europea ha sottolineato l’importanza dei seguenti requisiti (http://europe.theoildrum.com/node/2521):
  • bilancio favorevole di emissioni di gas serra dell’intera filiera;
  • preservazione delle riserve del carbonio nel suolo;
  • scarsa o nulla incidenza su disponibilità di cibo e prodotti no-food ad uso locale (bioedilizia, medicinali ecc.);
  • effetti positivi o poco negativi sulla biodiversità;
  • mantenimento della fertilità dei suoli;
  • Istruzioni -Allegato 1 DM n. 353 del 17/07/2003 9
  • risparmio delle risorse idriche e mantenimento della loro qualità;
  • mantenimento o miglioramento della qualità dell’aria;
  • miglioramento delle condizioni socio-economiche locali;
Com’è noto, nell’ambito delle bioenergie possono essere distinte 4 filiere principali: biogas, biodiesel e bioetanolo, filiere tecnologicamente quasi mature, e bio-termoelettrica, vale a dire per produzione diretta di elettricità, calore e raffreddamento, che invece è molto meno efficiente, sia riguardo alle tecnologie tradizionali, sia a quelle più innovative quali gassificazione e pirolisi. Minimo comune denominatore delle quattro filiere resta, ad oggi, la scarsa competitività nei confronti, da un lato dei combustibili tradizionali, e dall’altro, di destinazioni tradizionali delle materie prime. In particolare la fase agricola della filiera presenta molteplici colli di bottiglia, spesso legati a specifiche situazioni di coltivazione, che ne rendono difficile lo sviluppo. E’ perciò indispensabile, in tempi relativamente brevi, ottimizzare tutti gli anelli della catena, a partire da tecniche agronomiche e miglioramento genetico in grado di contemperare ridotti costi con elevate produzioni unitarie. Nel perseguire tali obiettivi, non si può prescindere da priorità più generali quali armonico sviluppo economico-sociale dell’ecosistema, adeguata meccanizzazione e sostenibilità ambientale. La valenza delle colture dedicate risulta infatti maggiormente associata a benefici ambientali che non al soddisfacimento del fabbisogno energetico. Nell’ipotesi di raggiungere in Italia un milione di ettari a colture dedicate con una produzione media di biomassa secca pari a 10 t ha-1, si otterrebbe un contributo al consumo energetico nazionale pari al 2.1%, mentre la riduzione delle emissioni di CO2 risulterebbero 14.2 Mt, pari a circa il 15% degli obiettivi sottoscritti dall’Italia nel Protocollo di Kyoto. E’ stato infatti dimostrato che una coltura poliennale è capace di fissare carbonio nel terreno fino a 5 volte rispetto al mais e ridurre fino al 90% i processi di erosione rispetto a terreno nudo (Hohenstein and Wright, 1994). Ancora, in termini di emissioni, l’anidride carbonica liberata dalla combustione è parzialmente compensata da quella fissata dalle piante tramite la fotosintesi. Infine, il contenuto di alcali ed elementi inquinanti (SOx, NOx ecc.) è generalmente inferiore a quello dei combustibili tradizionali (McKendry, 2002). In base alle conoscenze attuali, le specie più adatte per le diverse filiere comprendono colture arboree a ciclo breve (pioppo, salice, eucalipto ecc.), erbacee poliennali (panico, arundo, miscanto, cardo ecc.) e annuali (mais, sorgo da fibra, zuccherino e da granella, colza, girasole, soia, cereali ecc.). Tali specie sono state oggetto di un’estesa ricerca nell’ambito di progetti nazionali ed europei che hanno contribuito ad una conoscenza di massima delle problematiche agricole, industriali e territoriali legate alle filiere bioenergetiche. Vi è tuttavia la necessità di ulteriori approfondimenti su una serie di aspetti che incidono fortemente sui risultati economici e sull’impatto ambientale dell’intera filiera. Tra essi si annoverano la conoscenza sugli effetti dei fattori agronomici e stress biotici e abiotici sull’accrescimento delle colture, la meccanizzazione delle fasi di impianto e raccolta, la logistica, la capacità di accumulo del carbonio nella rizosfera, la qualità tecnologica dei biocombustibili in funzione dei processi di trasformazione e dei possibili pretrattamenti, la vocazionalità delle diverse aree geografiche e l’impatto ambientale derivante dalla diffusione delle filiere bioenergetiche. Indispensabile è pure lo sviluppo di efficaci piani di miglioramento genetico, soprattutto in specie finora poco esplorate quali arundo o sorgo zuccherino e da fibra, o selezionate per ambienti nord europei, quali pioppo e salice. In riferimento a specie arboree a rapido accrescimento (SRF), sono in corso sperimentazioni presso l’Unità di Ricerca per le Produzioni Legnose Fuori Foresta (CRA-PLF) che hanno portato al brevetto di due nuovi ibridi di pioppo particolarmente adatti all’ambiente nord italiano. Ulteriori ricerche sono necessarie per la costituzione di cloni di SRF più plastici e adatti all’ambiente centro-sud italiano per una ottimale diversificazione genetica nello spazio (piantagioni a mosaico) e nel tempo (alternanza di cloni ad ogni ciclo produttivo), o per la costituzione di cloni di specie intrinsecamente più adatte all’ambiente (es. eucalipto per il sud). Il miglioramento genetico in specie erbacee è non meno determinante ai fini del successo della filiere. Per quanto riguarda le specie considerate in questo Progetto, risultati interessanti sono stati di recente conseguiti dall’Università Cattolica di Piacenza su sorgo da biomassa con la costituzione di genotipi ad elevata produttività, che tuttavia manifestano scarsa resistenza al freddo e alla siccità nelle fasi iniziali di crescita. La formulazione di nuove combinazioni ibride con maggiore tolleranza a condizioni più estreme sarà quindi determinante al fine di aumentare l’economicità della coltura. A tale fine, notevole importanza riveste l’individuazione delle interazioni tra fitotecniche e situazioni ambientali e gestionali. In sintesi, per superare i colli di bottiglia delle diverse filiere sono necessarie nuove conoscenze e la risoluzione di una miriade di piccoli problemi, ciascuno di per sé non rilevante, ma in grado di condizionare lo sviluppo del settore. Altrettanto importanti per ottimizzare la sostenibilità economica ed ambientale della filiere è un approccio integrato che consideri le interazioni fra genotipi e fitotecniche in relazione alle situazioni pedo-climatiche. Non dovranno quindi essere studiati solo aspetti agronomici (come richiesto da associazioni di produttori e da qualche Regione), ma anche gli effetti esercitati o subiti in funzione dell’ambiente di coltivazione.