di Roberto Bettocchi, Mirko Morini, Michele Pinelli (Dipartimento di Ingegneria - Università degli Studi di Ferrara),
Claudio Caprara, Roberta Martelli, Francesca Minarelli (Dipartimento di Economia e Ingegneria Agrarie - Università degli Studi di Bologna)

Fig. 1 Schema riassuntivo degli elementi che
concorrono a costituire la biomassa agricola vegetale.

In quest’ottica, il concetto di multifunzionalità in agricoltura, che introduce altri ruoli per il settore primario oltre a quelli strettamente connessi alla produzione alimentare, permette all’agricoltore di inserirsi in un nuovo mercato, quello delle agro-energie, attraverso la creazione di filiere finalizzate a soddisfare la domanda energetica.

Come funziona una filiera agroenergetica
Una filiera agroenergetica è quindi una serie di fasi che permettono, a partire dalla materia prima di origine vegetale o animale, cioè la biomassa, di soddisfare il fabbisogno energetico di uno o più utilizzatori. Queste fasi coinvolgono tre passaggi essenziali: il reperimento della biomassa, la sua trasformazione in un vettore energetico (biocombustibile) e il suo utilizzo all’interno di un sistema per la conversione di energia (Fig. 2).

Le biomasse sono il punto di partenza della filiera biomassa-energia e della progettazione di sistemi energetici per la produzione contestuale di energia elettrica e termica (cogenerazione) a fonti rinnovabili. A differenza dei combustibili fossili, la biomassa non è distribuita omogeneamente sul territorio e ha una reperibilità non continua e costante durante l’anno. Un sistema cogenerativo a fonti rinnovabili può nascere quindi solo dalla concomitanza della richiesta termica e della disponibilità di biomassa.

Il processo di trasformazione consiste nella produzione di un biocombustibile (cippato, biogas, syngas, olio vegetale, biodiesel, bioetanolo, ecc.). La scelta del processo di trasformazione, e quindi del sistema energetico a valle del processo, dipende dalle caratteristiche della biomassa (umidità, composizione, pezzatura, ecc.). I processi posso essere di varia natura: biochimici (es. digestione anaerobica), termochimici (es. combustione diretta, gassificazione) e fisico-chimici (es. estrazione meccanica di oli da piante oleaginose).

Infine, come sistemi energetici cogenerativi alimentati a biomassa si usano gli stessi sistemi utilizzati per la cogenerazione a fonte non rinnovabile: motori endotermici alternativi, motori Stirling a combustione esterna, microturbine a gas e cicli a vapore o ORC (Organic Rankine Cycle). Come precedentemente enunciato, la scelta del sistema energetico è vincolata alla biomassa a disposizione e al processo di trasformazione scelto.

Fig. 2 - Filiera biomassa - energia

Tra le varie possibili filiere alcune possono considerarsi consolidate si possono citare e verranno brevemente illustrate nel seguito (i) la combustione diretta di biomasse solide in caldaie alimentanti cicli a vapor d’acqua o a fluido organico, (ii) la digestione anaerobica di reflui zootecnici, residui agroindustriali o colture dedicate con produzione di biogas e combustione in motori endotermici alternativi o microturbine a gas, (iii) la gassificazione di residui colturali o biomasse legnose con produzione di syngas e combustione in motori endotermici alternativi e (iv) l’estrazione di oli vegetali da colture oleaginose dedicate e la combustione dell’olio in motori endotermici alternativi.

Combustione diretta
La combustione diretta di biomasse legnose è la tecnologia più consolidata; sostanzialmente si basa su di una caldaia all’interno della quale la combustione di biomasse legnose libera l’energia necessaria alla produzione del vapore d’acqua o di fluido organico la cui successiva espansione in una turbina consente la generazione elettrica.

La biomassa utilizzabile per questo tipo di generazione deve essere caratterizzata da un’umidità contenuta (minore del 30%) e da un rapporto carbonio/azoto superiore a 30. Generalmente vengono utilizzate essenze dedicate quali per esempio pioppo, salice, eucalipto o miscanthus, residui colturali quali paglia, fieno, stocchi, ecc.  o residui agroindustriali quali sansa di olive, lolla di riso, semi, gusci o noccioli.

In Italia risultano operanti 25 impianti per la generazione elettrica per un ammontare complessivo di circa 300 MW di potenza installata e 128 impianti per la generazione termica e il teleriscaldamento. Nel ferrarese è operante un impianto basato su questa tecnologia a Bando di Argenta. La potenza installata è di circa 20 MW elettrici: il combustibile consiste in circa 220’000 – 280’000 tonnellate annue di pioppella che la società gestrice si è assicurata con un accordo pluriennale con 215 aziende agricole di Emilia Romagna, Veneto e Friuli Venezia Giulia.

La problematica principale di questo tipo di impianti è infatti la garanzia di approvvigionamento di biomassa: essendo impianti di grossa taglia (dell’ordine delle decine di megawatt) necessitano di un elevato quantitativo di combustibile. Questo problema può essere eluso mediante l’utilizzo di piccoli impianti a fluido organico che hanno una taglia minima di 200 kW.

Gli impianti a biomasse basati sulla combustione (sia totale come in questo caso o parziale come nel caso della gassificazione termochimica) hanno come residuo, oltre ovviamente ai fumi, le ceneri (circa un 2% della biomassa entrante). La legislazione italiana classifica le ceneri risultanti dalla combustione di biomasse come “rifiuti speciali non pericolosi”. Come tali vanno smaltite, ma possono accedere alle procedure semplificate (art. 214 del TUA e D.M. 5 febbraio 1998) come la produzione di conglomerati cementizi, l’impiego in cementifici o nell’industria dei laterizi e dell’argilla espansa, l’utilizzo per la formazione di rilevati stradali, il compostaggio o la produzione di fertilizzanti. Benché ci siano state promettenti sperimentazioni (progetto Biocen) e la pratica sia comune in altri paesi, non è ancora permesso l’utilizzo agronomico delle ceneri di combustione delle biomasse.

Digestione anaerobica
La digestione anaerobica è un processo biochimico di trasformazione della biomassa in un biocombustibile, il biogas (una miscela di anidride carbonica e metano), che può essere utilizzato come fonte energetica per i motori endotermici alternativi e le microturbine a gas. Questa trasformazione avviene in un reattore (un semplice silos denominato digestore) ad opera di diverse popolazioni di batteri in simbiosi. Il biogas deve poi essere purificato (principalmente deumidificato e desolforato) per consentirne la combustione in sistemi energetici.

La biomassa adatta a questo tipo di processamento è una biomassa umida (umidità superiore al 30%) e con un rapporto C/N inferiore a 30. Generalmente vengono impiegati reflui zootecnici (liquame suino, letame e liquame bovino), colture dedicate (mais allo stato ceroso, triticale, ecc. ), residui colturali (per esempio, foglie e colletti di barbabietole) e residui agroindustriali (residui della lavorazione del pomodoro, dell’industria conserviera, ma anche della macellazione).

Il CRPA (Centro Ricerche Produzioni Animali) di Modena ha eseguito nel 2008 un censimento degli impianti a digestione anaerobica in Italia: sono risultati 154 gli impianti censiti, e si stima una potenza complessiva installata di circa 50 MW (54 impianti con potenza inferiore a 100 kW). Secondo quel censimento, gli impianti in fase di costruzione o di autorizzazione erano allora 39.

La dimensione di questi impianti li rende integrabili nelle realtà agricole e in special modo (vista la disponibilità di materia prima a costo zero) negli allevamenti. L’utilizzo agronomico del digestato (ove consentito dalle restrizioni dovute alla cosiddetta “direttiva nitrati”) rappresenta inoltre un modo efficiente di chiudere la catena.

A Bondeno (FE) è in fase di progettazione un impianto per la digestione anaerobica dell’insilato di mais e lo sfruttamento del biogas prodotto in motori endotermici alternativi della potenza di un megawatt

Gassificazione termochimica
Gli impianti a gassificazione sono concettualmente simili a quelli illustrati nel paragrafo precedente, con la differenza che la trasformazione non avviene attraverso l’opera di microorganismi ma mediante una combustione parziale e che il gas prodotto, detto syngas, è una miscela composta prevalentemente da monossido di carbonio e idrogeno. Anche in questo tipo di impianti il gas prima di essere immesso nel sistema energetico (generalmente un motore endotermico alternativo) deve essere purificato eliminando le micropolveri (mediante l’utilizzo di cicloni e filtri) e asportando l’acido solfidrico.

La biomassa utilizzabile per questo tipo di impianti è invece la stessa utilizzata per gli impianti a combustione diretta, cioè con umidità minore del 30% e rapporto C/N superiore a 30. A differenza della combustione diretta questi impianti sono caratterizzati da una taglia piccola, inferiore al megawatt e necessitano quindi complessivamente di un minor quantitativo di biomassa.

Questi impianti non sono ancora molto diffusi. In Emilia Romagna esiste un’applicazione sperimentale del laboratorio di rete CISA a Castel d’Aiano in provincia di Bologna. Il syngas prodotto da cippato di legno è utilizzato per produrre energia elettrica mediante un motore Stirling ed energia termica per una rete di teleriscaldamento che rifornisce una palestra e una piscina.

Estrazione e combustione di oli vegetali
È la tecnologia di cogenerazione a combustibile rinnovabile che più si avvicina alla corrispondente tecnologia a combustibile fossile: l’unica differenza sostanziale consiste nell’interposizione tra il serbatoio del combustibile (in questo caso olio vegetale di girasole, colza, soia o palma) e il motore endotermico alternativo di uno scambiatore di calore al fine di riscaldare l’olio riducendone l’elevata viscosità. Attualmente sono presenti circa 700 MW installati in Italia, prevalentemente con motori endotermici alternativi di grande taglia, e a giugno 2008 erano pendenti presso il GSE (Gestore Servizi Elettrici) richieste di certificazioni IAFR (Impianto A Fonti Rinnovabili) per circa 1.700 MW.

Il problema principale di questa tecnologia di generazione a combustibile rinnovabile sembra essere la necessità, dettata da problematiche tecnologiche, di taglie dell'ordine di grandezza del megawatt, che richiedono un’elevata disponibilità di olio e quindi di superficie coltivata (circa 1250 ha per ogni MW installato in caso di girasole o colza o 2000 ha in caso di soia). Generalmente, questo problema di approvvigionamento viene eluso importando olio di palma da Malaysia e Indonesia, ma questa pratica pone dei dubbi sulla sua sostenibilità ambientale e socio-economica.

All'ospedale di Pieve di Coriano (MN) è stata inaugurata lo scorso 6 marzo una centrale trigenerativa alimentata a oli vegetali (colza, soia, girasole e tabacco) in grado di erogare una potenza elettrica di 995 kW, termica di 850 kW e frigorifera di circa 500 kW. Esistono comunque applicazioni con motori endotermici alternativi di piccola taglia, anche se la loro affidabilità e sostenibilità tecnologica è ancora da verificare. Per esempio, l’azienda agricola-agrituristica Ca’ Spinazzino alimenta un cogeneratore della potenza elettrica di 6.5 kW con olio di girasole autoprodotto.

Possibili sviluppi e difficoltà
In Italia, per potenziare le energie rinnovabili, in particolare quelle da biomassa, si erano fissati obiettivi che prevedevano entro il 2010 un aumento dell’energia prodotta da biomassa da 5 a10 Mtep (Italian Biomass Association, 2003).

A livello regionale, ad esempio, secondo il piano energetico della Regione Emilia Romagna, le risorse rinnovabili dovranno soddisfare un 20% del fabbisogno energetico entro il 2020 e il contributo delle biomasse dovrà passare a 200 MW (Regione Emilia Romagna, 2007). Notevoli risorse sono destinate a sostenere colture a destinazione non alimentare ed energetica, come indicato nel Piano di sviluppo rurale 2007-2013. In particolare, il Piano mira a sostenere le colture energetiche, attraverso l'istituzione di una sovvenzione per ettaro il cui importo dipende dal tipo di colture energetiche (annuali o poliennali). Al fine di beneficiare delle sovvenzioni gli agricoltori devono rispettare diverse restrizioni, per quanto riguarda i metodi colturali: la lavorazione conservativa del suolo, il divieto di pesticidi, quattro anni di rotazione delle colture e un uso limitato di fertilizzanti.

Questo scenario, inserito nel contesto attuale di forte difficoltà in cui si trova il comparto agricolo italiano, introduce quindi concrete opportunità per gli operatori del settore.

Per migliorare queste potenzialità bisogna considerare però alcuni aspetti legati alle colture energetiche:
1. La coltivazione di specie da destinare alla produzione di energia deve prevedere l’adozione di pratiche agronomiche in cui i costi colturali siano ridotti, così da poter assicurare una convenienza economica sia nel conferimento del prodotto da parte dell’azienda che nel processo di conversione.
2. L’itinerario di coltivazione adottato deve produrre un bilancio energetico positivo, ovvero gli input energetici coinvolti nella produzione devono essere inferiori rispetto agli output prodotti in termini di biomassa vegetale. Il metodo di coltivazione adottato dovrebbe massimizzare l’energia netta ottenibile e non penalizzare i processi successivi della filiera energetica.

L'individuazione delle aree più congeniali appare un aspetto fondamentale per la realizzazione di un’efficiente filiera energetica, in funzione anche delle seguenti osservazioni:

1. Viene spesso menzionata l’opportunità che le coltivazioni energetiche rappresentano per la rivalutazione di aree marginali.
2. Le aree marginali si collocano spesso in zone disagiate e con caratteristiche pedologiche avverse alla coltivazione e non si prestano all’attuazione di pratiche a ridotto consumo energetico.
3. Nel destinare parte dei terreni a seminativo alla coltivazione di colture energetiche si solleva spesso l’obiezione che parte della superficie viene sottratta alla produzione alimentare inducendo così una forma di competizione.

Alla luce di queste considerazioni appare evidente come gli operatori si orientino preferibilmente verso colture a ciclo annuale, che possono essere inserite all’interno di un ordinamento colturale non vincolante come invece potrebbe essere quello di una coltura poliennale.

Il mercato energetico rappresenta anche un’opportunità per mantenere la destinazione agricola di comparti territoriali che hanno subito un ridimensionamento, come le superfici dedicate alla coltivazione della barbabietola da zucchero, fortemente danneggiate a seguito della chiusura degli stabilimenti di trasformazione (European Council, 2006. Council regulation (EC) No 318/2006).

Secondo il regolamento CE Reg. (CE) 1782/2003 del 29 settembre 2003, il regime di aiuto per le colture energetiche corrisponde a 45 euro per ettaro coltivato.
Per poter beneficiare dell’aiuto, l’agricoltore deve avere essenzialmente due requisiti:
a. l’obbligo di sottoscrivere un contratto con il trasformatore, eccettuato il caso in cui l’agricoltore trasformi i prodotti ottenuti all’interno della propria azienda;
b. le superfici sulle quali sono coltivate le colture energetiche, e per le quali l’agricoltore chiede il relativo premio comunitario, non possono essere abbinate a titoli di riposo.

Quindi l’agricoltore ha alcune opzioni, ognuna con diversi oneri e fattori di rischio:
1. può attenersi al mero conferimento della biomassa vegetale previa stipulazione di un contratto presso gli impianti di conversione;
2. costituire dei consorzi definendo a priori un possibile bacino di approvvigionamento;
3. in ultima ipotesi può essere lo stesso agricoltore che si fa carico degli oneri della realizzazione di un impianto di trasformazione/conversione all’interno della propria azienda.

Poiché le variabili in gioco per la realizzazione di filiere agro-energetiche sono molteplici, si rendono necessarie delle analisi energetiche ed economiche in modo da valutare con attenzione la convenienza dell’investimento e un appropriato dimensionamento dell’impianto in funzione del bacino di approvvigionamento.

Gli autori partecipano alle attività del LISEA (Laboratorio per l'Innovazione Industriale e la Sostenibilità Energetico-Ambientale, www.lisealab.it) con l'obiettivo di elaborare una metodologia in grado di fornire indicazioni per lo sviluppo di una filiera agroenergetica corta per la produzione di energia da biomasse di origine agricola e agroindustriale.

LISEA svolge la sua attività nel settore delle tecnologie e metodologie per lo sviluppo sostenibile, con particolare attenzione alla progettazione energetica (efficienza e uso di fonti rinnovabili), all’analisi e valutazione di sostenibilità ambientale di processi e prodotti e alle tecnologie ICT e all’ innovazione organizzativa, al fine di ridurre l’utilizzo di materiali e energia e di rendere efficienti i processi aziendali.

LISEA patrocinerà inoltre il corso "Co-generazione distribuita da biomasse" che si terrà a Ferrara dal 13 al 15 aprile 2010. Per informazioni o per iscrizioni http://www.unife.it/dipartimento/ingegneria/industriale/macchine-e-sistemi-energetici/corsi-di-alta-formazione/co-generazione-distribuita-da-biomasse/