Le colture utilizzabili per alimentazione degli impianti di produzione di biometano, Marcello Donatelli, Centro ricerca Agricoltura e Ambiente

Centro di Ricerca Agricoltura e Ambiente
Le colture utilizzabili per alimentazione
degli impianti di produzione di biometano
Marcello Donatelli
Direttore del CREA - Centro Ricerca Agricoltura e Ambiente
Workshop:
Nuovo Decreto Biometano:
Governance del settore e
prospettive
Giovedì 10 Maggio 2018
Roma - Auditorium GSE

Schema della presentazione
 Introduzione
 Il D.M. “Biometano”
 Le colture dedicate
 Progetto AGROENER
Roma, 10 maggio 2018 2

Evoluzione e situazione attuale della
produzione di biogas agricolo
Incremento esponenziale del
numero di impianti per anno di
costruzione dall’inizio del 2000
in poi, per arrivare al 2017 ad un
totale di 1300-1400 impianti per
la produzione anaerobica di
biogas e una capacità
complessiva pari a 2,0 miliardi di
metri cubi di metano all’anno,
con previsione (probabilmente
ottimistica) al 2030 di 8.5
miliardi di metri cubi di metano
all’anno
* Da Carrosio 2012, studi organizzativi n. 2, 29-26
** Comunicazione Consorzio Italiano Biogas da web
Roma, 10 maggio 2018
2008 Approvazione nuovi
tariffe incentivi per gli
impianti < 1000
chilowattora elettrici
(kWhe)
3

Le motivazioni dell’incremento del numero di
impianti per la produzione di biogas agricolo
 Drivers della evoluzione:
 La Direttiva Nitrati (91/676/CEE) promuove la razionalizzazione dell'uso in
agricoltura degli effluenti degli allevamenti zootecnici. Quindi la necessità di ridurre
il carico inquinante di azoto dei reflui zootecnici.
 Le incentivazioni economiche nazionali per la produzione di energia rinnovabile, a
partire in particolare dalla quella del 2008 che prevede 28 centesimi per kWh
(elettrico) per impianti con capacità inferiore a 1000 kWhe.
 La direttiva UE sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili del 2009
(European Renewable Energy Directive 2009/28/EC) la quale stabilisce che entro il
2020 il consumo di energia nella UE dovrà essere soddisfatto per almeno il 20% da
energia prodotta da fonte rinnovabile.
 Generale aumento della attenzione del opinione pubblica verso green energies.

Strategia UE per il raggiungimento degli obiettivi 2020
 Le strategie UE per il raggiungimento degli obiettivi 2020 (20% da energia prodotta da
fonte rinnovabile in base alla Direttiva europea 2009/28/CE) prevedono un incremento
significativo dell’offerta di biomassa da fonte agricola, che dovrebbe passare da circa 30
milioni di tonnellate di petrolio equivalente del 2015 a circa 40 milioni nel 2020*.
Incremento della
offerta di
biomasse da fonte
agricola
per uso energetico in
Europa
Milioniditonnellatedipetrolioequivalente
Da Molinari & Donati , Agriregionieuropa anno 11 n°41, Giu 2015
5

Centro di Ricerca Agricoltura e Ambiente Roma, 10 maggio 2018
Evoluzione della azienda da zootecnica a zootecnica/
produttrice di energia (1)
Da azienda zootecnica
Utilizzo del mais prodotto in
azienda per alimentazione del
bestiame.
6
ad azienda zootecnica con reddito
prevalente da produzione di energia
Nuova destinazione del mais
prodotto in azienda al digestore e
mais per feed acquistato da mercato
internazionale.

Stato degli impianti per la produzione di biogas agricolo
 Le colture da energia e i sottoprodotti agroindustriali sono la fonte di carbonio che
necessariamente integrano i reflui zootecnici per la ottimizzazione dei processi di
fermentazione anaerobica dei digestori.
 Approssimativamente il 75% del biogas prodotto in Italia è da prodotti e sottoprodotti
di origine agricola, il restante 25% da residui urbani.
 Circa l’80% degli impianti agro-zootecnici per produzione di biogas con digestione
anaerobica utilizza reflui zootecnici e colture da energia o sottoprodotti dei processi
agroindustriali. Solo il 20% degli impianti Italiani utilizza prevalentemente reflui bovini
o suini.* (70% reflui + 30% colture dedicate).
* Da Sergio Piccinini, 2013 CRPA spa, Reggio
Emilia
7

 Introduzione

Novità introdotte dal nuovo Decreto Biometano
 Con l’entrata in vigore del D.M. del 2 Marzo 2018, l’Italia recepisce una direttiva comunitaria
per incentivare l’immissione in consumo di biocarburanti avanzati nei trasporti.
 L’utilizzo di biogas da digestione anaerobica per autotrazione costituisce un miglioramento
dal punto di vista ambientale ed energetico: prima, con gli incentivi del 2008, si premiava la
sola produzione di elettricità (approx 20% dell’energia totale impiegata), mentre il calore
cogenerativo (approx 80%) non ha una valorizzazione economica se non nell’autoconsumo.
 la volontà del Legislatore è quella di incentivare la produzione di biogas utilizzando un
elenco molto ampio di sottoprodotti e scarti di origine vegetale e animale, non derivanti da
colture dedicate.
 Nel caso della digestione anaerobica, non si può però prescindere, nella norma, dall’uso di
biomasse di elevata qualità, come i cereali. La digestione anaerobica necessita infatti di
matrici di ben precisa composizione per ottimizzare la cinetica del processo, fattore di
notevole criticità nel funzionamento dell’impianto; il rapporto tra carbonio e azoto può
variare entro margini ristretti per mantenere l’efficienza del processo di digestione.

I biocarburanti “double counting” per CIC
I biocarburanti
«double counting»
sono quelli ottenuti da rifiuti, residui, materie
cellulosiche di origine non alimentare e materie ligno-
cellulosiche il cui contributo al conseguimento
dell’obbligo di immissione in commercio considerato
equivalente al doppio del loro contenuto energetico e
conteggiato come tale.
I carburanti
«avanzati»
prodotti esclusivamente a partire dalle materie prime
elencate nell'allegato 3 parte A ad esclusione delle
materie prime elencate nell'allegato 3 parte B.
Il «double counting» viene riconosciuto al biometano
prodotto da materie di cui alle parti A e B dell’Allegato 3
di seguito riportato.

PARTE A: materie prima che danno orgini a
biocarburanti contabilizzabili come avanzati

Novità introdotte dal nuovo Decreto Biometano-2
 Il decreto introduce la definizione di colture energetiche erbacee di
copertura (valide per il «double counting). Tali colture devono essere
inserite nelle rotazioni come intercalari (in coltura singola o miscugli) ed
quindi devono essere coltivate prima o dopo la coltura principale della
rotazione.
 Erba medica è un refuso, come poliennale non può avere un impiego come
intercalare.
Favino (Vicia faba minor)
Erba medica (Medicago sativa L.)
Facelia (Phacelia spp.)
Loiessa (Lolium spp.)
Rapa invernale (Brassica rapa L.)
Senape abissina (Brassica carinata L.)
Sorgo (Sorghum spp.)
Tabacco (Nicotiana tabacum L.)
Trifoglio (Trifolium spp)
Triticale (Triticum secalotriticum)
Sulla (Hedysarum coronarium L.)
Veccia (Vicia sativa L.).

 Vantaggi delle colture intercalari:
 Focalizzando su colture da energia in intercalare, recupero di aree per colture
food (coltura principale) anche in prossimità degli impianti.
 Maggiore efficienza dell’uso della risorsa suolo.
 Potenziale riduzione dell’erosione.
 Potenziale contenimento della lisciviazione di nitrati.
 Incremento della biodiversità all’interno dei sistemi colturali con migliore
resilienza rispetto ad eventi meteorici sfavorevoli.
 Incremento della fertilità biologica attraverso aumento della biodiversità
indotta nel suolo, con impatto positivo sulla soil suppressiveness.
 La possibilità di utilizzare colture intercalari sarà un potenziale vantaggio per i
paesi del sud Europa, negli ambienti in cui potranno essere messe in atto nei
casi in cui i cambiamenti climatici porteranno ad una differente distribuzione di
piogge nella stagione, rendendo meno critico il fabbisogno irriguo.

 Osservazioni:
 Oltre alla qualità di sottoprodotto/quanto ottenibile dalla coltura
intercalare, anche in rapporto ai costi le possibilità offerte dal decreto
dovranno essere valutate caso per caso dagli imprenditori.
 Intercalari: maggiore consumo idrico e conseguente competizione con le
colture food per l’uso dell’acqua.
 Intercalari: potenziale maggior uso di fertilizzanti (che penalizza i paesi
mediterranei sul calcolo della sostenibilità dati i livelli produttivi inferiori).
 Pur con un recupero di superfici per colture food, se agli impianti di
digestione saranno destinate colture intercalari, aumenteranno volte le
superfici totali per mantenere gli stessi livelli produttivi (di biometano).
 Si nota l’assenza di mais, che come intercalare a maturazione cerosa ha
ottimo potenziale in molti ambienti del centro-nord.
 Deve comunque essere chiaro che i secondi raccolti, anche, ma non solo,
grazie all’apporto di sostanza organica dai digestori, non avranno
necessariamente un impatto ambientale negativo.

 Introduzione

Il mais come riferimento
 Non è incluso tra colture d’origine che portano a «double counting»
 Elevata resa in biogas dovuta ad alto contenuto in carboidrati
fermentescibili, a seconda di classe e ibrido;
 Assenza di inibitori della digestione anaerobica;
 Agrotecnica ben conosciuta dagli agricoltori.
Potenzialità produttiva in metano del mais.
(Negri et al., 2014. Biomass & Bioenergy)
Classe FAO di precocità del mais

Punti critici del mais
 Richiede elevati volumi irrigui ed irrigazioni tempestive;
 Richiede elevati input di azoto per fornire produzioni ottimali come
quantità e qualità (elevata resa in biogas)

Azoto ed emissioni di gas serra
 Per la produzione ed il trasporto dei
fertilizzanti azotati industriali vengono
emessi 2,79 kg CO2 /kg N*;
 Inoltre, il 2-5% dell’N applicato alle
colture torna prima o poi in atmosfera
sotto forma di protossido di azoto (N2O)
un potente gas serra
*Fonte: S. Jayasundara et al., Can. J. Anim. Sci. (2016)

Il ruolo controverso dell’azoto
 Da un lato è fonte diretta ed
indiretta di gas serra e di
inquinamento da nitrati, sia
pure in modo molto variabile a
seconda dell’agrotecnica usata;
 Dall’altro aumenta la
produttività dei terreni agricoli
e, quindi, a parità di obiettivo
produttivo, permette di tutelare
le superfici adibite a foreste ed
altri usi naturalistici.

Produzioni potenziali di metano da diverse
colture e intensficazioni con 2° raccolto
20
(rielaborato da Schievano et al., 2012. L'Informatore Agrario)
0
2000
4000
6000
8000
10000
12000
14000
Mais1°raccolto
Mais2°raccolto
Mais3°raccolto
Segale
Miscuglioerba-silo
Triticale
Sorgo
Segale+mais3°…
Erba-silo+mais2°…
Triticale+sorgo
Triticale+mais3°…
A.donax(min)
A.donax(max)
Metano (m3 ha-1 anno-1)
Epoche semina:
da ottimale a
ritardata

Costi colturali delle diverse colture da energia
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
4000
Mais1°raccolto
Mais2°raccolto
Mais3°raccolto
Segale
Miscuglioerba-silo
Triticale
Sorgo
Segale+mais3°
raccolto
Erba-silo+mais2°
raccolto
Triticale+sorgo
Triticale+mais3°
raccolto
A.donax(min)
A.donax(max)
Costo colturale (€ ha-1 anno-1 )
Epoche semina:
da ottimale a
ritardata
(Rielaborato da Schievano et al., 2012. L'Informatore Agrario)

Colture energetiche alternative al mais
 Sotto il profilo economico ed ambientale è comunque conveniente almeno
una parziale sostituzione (50%) del mais con colture dotate di:
 limitate esigenze idriche;
 limitate esigenze di azoto;
 elevata produttività per unità di superficie;
 le colture di maggior interesse sono il sorgo da biomassa e la canna comune
(Arundo donax).

Sorgo di biomassa, punti di forza:
 Resistenza agli stress idrici (il sorgo di primo raccolto si coltiva senza
irrigazione nel nord Italia e con minor apporto in secondo raccolto);
 limitate esigenze di azoto; valorizza l’azoto residuo del precedente colturale;
 in quanto specie annuale può essere inserito negli avvicendamenti colturali;
 elevata produttività, anche superiore al mais

Sorgo vs Mais come per la produzione di biometano
 Produzioni sorgo da biomassa: 27-30 Mg/ha s.s. per 5000-8500 m3 metano/ha
 Mais precocità 600-700 in media circa 7000 m3 metano/ha
Roma, 10 Maggio 2018

Sorgo da biomassa: punti deboli
 Qualità dell’insilato comunque inferiore al mais;
 Seme piccolo con conseguente difficoltà di emergenza;
 Richiede un accurato diserbo nelle prime fasi;
 E’ suscettibile all’allettamento.

Canna comune, punti di forza (non è annuale!)
 Elevata produttività;
 Può essere coltivata senza irrigazione;
 Valorizza limitati apporti di azoto;
 Asporta efficacemente i nitrati dal suolo;
 Non richiede diserbo;
 Lunga durata dell’impianto;
 Bassi costi di gestione.

Canna comune, punti deboli
 Qualità dell’insilato comunque inferiore al mais;
 Elevati costi di impianto;
 Richiede irrigazione per favorire l’attecchimento;
 Difficoltà di estirpazione a fine impianto.
Roma, 10 Maggio 2018
Metodo di propagazione messo a punto
da CREA-AA

Progetto MiPAAF AGROENER

Il progetto si articola all’interno del comparto delle agro-bio-energie sviluppando
tematiche riguardanti:
 l’efficienza energetica di macchine ed impianti;
 l’utilizzo delle biomasse solide (sottoprodotti agroforestali);
 il recupero dei sottoprodotti agroindustriali per la filiera del biogas;
 l’utilizzo di colture dedicate come matrice per l’estrazione di biocombustibili
e/o biolubrificanti nei cicli produttivi delle bioraffinerie integrate;
 azioni di dimostrazione e trasferimento delle conoscenze in merito allo
sviluppo di impianti di microgenerazione con analisi della sostenibilità e delle
principali criticità.
Centro di ricerca Ingegneria e Trasformazioni agroalimentari
AGROENER - Energia dall’agricoltura: innovazioni
sostenibili per la bioeconomia
Decreto Dirigenziale n. 26329 del 1 Aprile 2016

Ricerca: Ottimizzazione dell’uso dei digestati anaerobici da
produzione di biogas e loro valorizzazione per l’uso agricolo.
Ipotesi: L’apporto ai suoli di digestati finali da produzione di biogas può
migliorare la fertilità biologica e la sanità dei suoli, con impatto su livelli
produttivi.

Incremento della fertilità dei suoli agrari ammendati
con biodigestati
Campionamento di suolo ammendato con digestato (T) e non (NT) presso
impianti di produzione di biogas in 3 siti rappresentativi in Pianura padana.
Cremona - SOM %
NT T
1,26 1,31
Modena – SOM %
NT T
1,13 1,35
Cesena – SOM %
NT T
0.98 1,52
Coltura target per il test di acresimento in vaso: Mais
31

Fertilità biologica dei suoli in base test sui suoli
ammendati e non, con digestati da digestione anaerobica
 Risposta produttiva mais
 risposta di crescita (sostanza secca)
più alta (P<0.01) nel suolo ammendato
con digestati rispetto agli
appezzamenti non trattati
 Colonizzazione radicale- sanità
Infezione dei funghi patogeni delle
radici delle radici più bassa (P<0.01) nei
suoli ammendati rispetto ai non
ammendati (NT)
0
1
2
3
4
5
6
7
CR MO FL
Pesoseccomedio(g)
NT
T
0
10
20
30
40
50
60
70
80
90
100
CR MN FL
%infezioneradicale
% infezione fungina delle radici
NT
T
L’apporto di digestati ha incrementato la sanità dei suoli, anche
senza un incremento significativo di SOM

Controllo adiacente
non ammendato
Maggior biomassa prodotta nei suoli ammendati con digestati porta ad
un maggiore sviluppo radicale dovuto a riduzione dei patogeni radicali
Suolo
ammendato
con biodigestati

Conclusioni – prospettiva sistemi agricoli
 L’introduzione della possibilità di utilizzare colture intercalari è di interesse
per i paesi del sud Europa e nel quadro di sistemi per la produzione di
biometano non ha necessariamente implicazioni ambientali negative;
 La realizzabilità delle intercalari deve però essere verificata in rapporto
all’uso dell’acqua;
 Le molte matrici vegetali previste appaiono in buona misura di uso teorico
rispetto all’efficienza della digestione anaerobica;
 Le colture intercalari vedono però escluso il mais, in molti ambienti una
scelta tecnicamente molto valida.

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