Progetto: 2A&T Bari 5 Giugno 2012

Facoltà di Agraria Dip. DISAAT

DIPARTIMENTO DI SCIENZE AGRO-AMBIENTALI E TERRITORIALI DEPARTMENT OF AGRO-ENVIRONMENTAL AND TERRITORIAL SCIENCES

Ing. Giovanni Russo giovanni.russo@agr.uniba.it

Le energie rinnovabili e l’autosufficienza energetica in agricoltura

Arature profonde Uso fertilizzanti Uso energia Uso materiali plastici

Combustibili fossili

ALMERIA - SPAGNA

EFFETTO SERRA

La concentrazione atmosferica di CO2, costante per millenni, è aumentata dall’epoca della

rivoluzione industriale (1769) ad oggi del 35% passando da circa 280 ppm a circa 390 ppm

Previsione: 700 ppm di concentrazione di CO2 nel 2100

Produzione mondiale annua di CO2 : 22 miliardi di tonnellate (Gt)

Produzione italiana di CO2: 459 milioni di tonnellate (Mt)

GLI IMPEGNI INTERNAZIONALI PER UNO SVILUPPO SOSTENIBILE

1979 Ginevra convenzione sull’inquinamento atmosferico regionale o transfrontaliero

1987 Montreal protocollo per l’eliminazione delle sostanze che riducono lo strato di ozono stratosferico

1992 Rio de Janeiro “Vertice della Terra” Conferenza mondiale in cui è stata approvata la Dichiarazione di Rio sull’ambiente e lo sviluppo, l’Agenda 21, le Convenzioni sui cambiamenti climatici, sulla biodiversità, contro la desertificazione

2002 Johannesburg Summit Internazionale per incrementare e promuovere le fonti energetiche rinnovabili

2004 Aalborg (Danimarca) Conferenza “Aaborg +10” conferma la visione comune di un futuro sostenibile per l’intera nostra comunità

1997 Kyoto Conferenza mondiale in cui è stato definito il protocollo per la riduzione delle emissioni di gas serra entro il 2012

11 dicembre 1997 alla terza conferenza della Convenzione quadro sul clima (Unfccc), a Kyoto.

ENTRATA IN VIGORE: 16 febbraio 2005. PERIODO D’AZIONE: 1 Gennaio 2008 - 31 Dicembre 2012.

PAESI: ratificato da 193 Paesi, di cui 38 con target vincolanti, quelli industrializzati, tranne gli Usa.

GAS SERRA CONSIDERATI: anidride carbonica (Co2); metano (CH4); protossido di azoto (N2O); idrofluorocarburi (HFC); perfluorocarburi (PFC) e esafluoruro di zolfo (SF6).

OBIETTIVI: per i Paesi industrializzati taglio del 5,2% delle emissioni di gas serra a livello globale rispetto ai livelli del 1990.

Per l’Europa il taglio e’ dell’8% per l’Italia il 6,5%, sempre rispetto ai livelli del ’90. – POST-KYOTO

POST-KYOTO: Il nuovo accordo dopo il 2012 e’ stato annunciato all’ultima conferenza Onu di Durban. Avra’ una durata fra i 5 e gli 8 anni e i target sono ancora tutti da definire. L’Unione europea ha indicato una forchetta di riduzione fra il 20% e il 30% rispetto al 1990.

Fonti rinnovabili di energia Con tale termine la Legge 10/91 indica “il sole, il vento, l'energia idraulica, le risorse geotermiche, le maree, il moto ondoso e la trasformazione dei rifiuti organici ed inorganici o di prodotti vegetali”, i biocombustibili ed anche la cogenerazione (es. riscaldamento auto)

Energia solare

L'energia irraggiata dal Sole è trasmessa alla terra con un'intensità di circa 1.000 W/m2 sotto forma di radiazione elettromagnetica

L’energia media giornaliera prodotta dalla radiazione solare varia dai 3.6 kWh/m2/giorno della pianura padana ai 4.7 kWh/m2/giorno del centro Sud e ai 5.4 kWh/m2/giorno della Sicilia meridionale

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Energia solare disponibile giornalmente per m2 su superficie a Sud inclinata di 40° - impianto sperimentale di Valenzano - 2001

Energia solare: fotovoltaico

I pannelli fotovoltaici (FV) consentono di trasformare direttamente l’energia associata alla radiazione solare in energia elettrica sfruttando l’effetto di alcuni materiali semiconduttori in grado di generare elettricità se colpiti dalla radiazione solare

Solo una parte della radiazione solare viene convertita in energia elettrica (10 - 14%) in funzione dell'efficienza di conversione dei pannelli

Tecnologie fotovoltaiche a film sottili semi-trasparenti

Celle organiche fotovoltaiche

Coperture in plastica rigida a concentrazione solare

Rendimenti attuali 5-10 % < 15% del silicio

Il fotovoltaico del futuro

Energia solare: fotovoltaico

Un metro quadrato di pannelli fotovoltaici produce alle nostre latitudini una energia media giornaliera tra 0.4 e 0.6 kWh ed eroga una potenza di circa 100 W di picco

Fonte: GSE Aprile 2009

Energia solare: fotovoltaico I vantaggi della produzione energetica mediante pannelli fotovoltaici sono:

• Assenza di emissioni in atmosfera e sonore

• Manutenzione trascurabile dei pannelli

• Integrabilità dei pannelli negli edifici

Energia solare termica

Gli impianti solari termici captano l’energia solare per produrre acqua calda per riscaldare gli edifici o per i servizi igienico – sanitari.

Solo una parte dell’energia solare che investe un pannello solare sotto forma di radiazione luminosa e termica viene convertita in energia termica (80%)

Con una inclinazione di 90° del pannello esposto a Sud si ottiene, nel periodo invernale, una energia di 11 MJ/m2/giorno

Energia rinnovabile del Solare termico

Energia eolica

La captazione dell'energia del vento si attua mediante le pale eoliche in cui delle superfici mobili vengono azionate dal vento e poste in movimento, in genere, rotatorio. Questo movimento si trasferisce ad un asse (orizzontale o verticale) ed infine questa energia meccanica si trasforma in energia elettrica.

Energia eolica L'energia del vento è legata al movimento di masse d'aria che si spostano al suolo da aree ad alta pressione atmosferica verso aree adiacenti di bassa pressione, con velocità proporzionale al gradiente di pressione.

E’ importante conoscere la variazione della velocità del vento con l’altezza e la velocità massima del vento e l’ubicazione sul territorio in zone vocate

Energia rinnovabile Eolica

Costi di istallazione: potenza nom. > 600kW varia tra gli 850 e i 1300€/kW (variazioni secondo complessità orografia terreno) Es.: centrale di 10 MW allacciata alla rete costa tra gli 8-13 milioni di €

piccoli impianti casalinghi 1000-1500 €/kW

Eolico in agricoltura

• rotore a 3 pale • diametro rotore D= 8.70 m • minima velocità di attivazione va= 3.6 m/s • rendimento ottimale a 11.3 m/s • potenza nominale 20 kW • elemento di supporto h = 15 m • costo 900 €/kW

impianti di piccola taglia aventi una potenza di circa 20kW (mini eolico) e con rotore a tre pale, con palo di supporto di circa m15 di altezza, sono ben integrabili nel paesaggio agroforestale e comportano un basso impatto ambientale anche in un ambito rurale.

Energia idroelettrica

Le centrali idroelettriche trasformano l'energia potenziale di una massa di acqua in quiete (impianti a deflusso regolato) o l'energia cinetica di una corrente di acqua (impianti ad acqua fluente) in energia meccanica e successivamente trasformano questa energia meccanica in energia elettrica

Nuove prospettive per il mini-idroelettrico

IMPIANTI mini -idroelettrico

È possibile ipotizzare in Italia la presenza di 15000-20000 salti idrici, con portata < 20 l/s, sfruttabili per la generazione di energia elettrica con impianti idroelettrici minori.

• pico-impianti, potenza inferiore a 5 kW; • micro-impianti, potenza compresa tra 5 e 100 kW; • mini-impianti, potenza compresa tra 100 kW e 1 MW; • piccoli- impianti, potenza compresa tra 1 MW e 10 MW.

Micro-impianto

Energia geotermica

Per energia geotermica si intende quella contenuta, sotto forma di "calore", all'interno della terra

L'origine del calore è in relazione con la natura interna del nostro pianeta (acqua calda e/o vapore)

L’energia geotermica può essere utilizzata, in funzione della temperatura (entalpia), per produrre energia elettrica o calore per il riscaldamento di singoli edifici o quartieri

Energia geotermoelettrica ad alta entalpia

Il rendimento globale delle centrali geotermoelettriche è intorno al 10-17%, circa a causa della bassa temperatura del vapore geotermico (in genere inferiore a 250°C)

Le centrali geotermiche consumano da 6 a 15 kg di vapore per kWh e sono convenienti dal punto di vista ambientale ed economico

Calore geotermico a bassa entalpia

Le risorse geotermiche a bassa temperatura sono diffuse su tutto il territorio nazionale e possono essere estratte ed utilizzate per il riscaldamento.

Geotermia a bassa entalpia

C.o.p. 3

Si può anche raffrescare

Le possibilità di sfruttare la bassa entalpia del sottosuolo offre promettenti possibilità per il futuro ma attualmente i costi sono elevati:

Perforazioni;

Pompe di calore;

Pannelli solari

Energia ondosa

L’energia delle onde è una risorsa rinnovabile e pulita ed i mari italiani hanno un notevole potenziale energetico

La potenza ondosa del mare Adriatico è di 2 kW/m

L’energia delle onde con altezza compresa tra 1,5 e 4 m può essere sfruttata tramite convertitori con asse verticale al fronte d’onda. Nel basso Adriatico la frequenza di accadimento delle onde con altezza compresa tra 1,5 e 4 m è del 10 – 15%

Energia da biomasse Con il termine biomasse si intende ogni tipo di materiale di origine organica (scarti dell’attività agricola ed agro-industriale, rifiuti solidi urbani, colture energetiche)

Associati al termine biomassa, sono ormai di utilizzo comune, nel settore delle energie rinnovabili, il termine biocombustibile, con il quale s’intende generalmente “ogni sostanza organica diversa dal petrolio, dal gas naturale, dal carbone o dai loro derivati, utilizzabile come combustibile”, e il termine bioenergia, che rappresenta la produzione di energia proveniente dall’uso delle biomasse.

1. combustibili solidi: sottoprodotti agricoli e forestali quali paglia, stocchi, tutoli di mais, residui di potatura, legna, particolarmente da short rotation forestry, scarti di lavorazione quali sanse, vinacce, noccioli, gusci e segatura;

2. combustibili liquidi: etanolo, metanolo e olii vegetali derivati da cereali, barbabietole o specie oleaginose; (colza, girasole)

3. combustibili gassosi: gas biologico, biogas ottenuto per fermentazione anaerobica di reflui zootecnici, civili (RSU) o industriali, e gas povero ricavato per gassificazione da biomasse lignocellulosiche, residui agricoli.

Energia rinnovabile - Biomasse

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Biomasse: combustione diretta Principali vantaggi dell’impiego delle biomasse

abbondanza e facilità di estrazione energetica ed economica,

rinnovabilità: la quantità di CO2 rilasciata è quasi pari a quella assorbita dalla biomassa durante la crescita.

contributo allo sviluppo sostenibile con l’ incremento dell’uso del legno e derivati “sequestratori” di CO2 e con la salvaguardia e miglioramento del sistema forestale.

valorizzazione dell’attività agricola e forestale (colture energetiche)

contributo alla riduzione delle emissioni responsabili dell’effetto serra, basso tenore di zolfo e quindi ridotto contributo alla produzione di piogge acide,

elevata potenzialità d’impiego in agricoltura

dal punto di vista ambientale l'unico fattore inquinante che l'uso delle biomasse non può ridurre ma neppure aggravare rispetto alle fonti tradizionali è l'emissione di ossidi di azoto (NOx). Per il resto, con le nuove caldaie ad alta efficienza energetica le altre emissioni inquinanti (zolfo, polveri, furani, diossine) sono irrilevanti

Biomasse: biocombustibili

colza

Olio di colza

Motori a olio di colza Elettricità e acqua calda

Biomasse: Reattori a biomasse

Materiali

m3 biogas/t SV

Deiezioni animali (suini, bovini, avi-

cunicoli)

200 - 500

Residui colturali (paglia, colletti

barbabietole..)

350 - 400

Scarti organici agroindustria

(siero, scarti vegetali, lieviti, fanghi e

reflui di distillerie, birrerie e cantine..)

400 - 800

Scarti organici macellazione

(grassi, contenuto stomacale ed

intestinale, sangue, fanghi di

flottazione…)

550 - 1000

Fanghi di depurazione

250 - 350

Frazione organica rifiuti urbani

FORSU

400 - 600

Colture energetiche (mais, sorgo

zuccherino…)

550 - 750

Biomasse e scarti organici avviabili a DA e loro resa in Biogas (m3 per ton di solidi volatili)

Sviluppo degli impianti di biogas in Germania:

Numero e Potenza elettrica installata

La situazione in Italia

BIOMASSE INTERESSATE:

• Deiezioni animali : 187.000.000 t/a.

• Scarti agro- industriali: 12.000.000 t/a.

• Scarti di macellazione: 2.000.000 t/a.

• Fanghi di depurazione: 2-3.000.000 t/a.

• Fraz.org. dei R.U.: 9.000.000 t/a.

• Residui colturali: 10.000.000 t SS/a

• Colture energetiche: 230.000 ha set aside

Pompa diricircolo

Vasca diarrivo e ripresa

Collettore diraccolta

Collettoreripartitore

Valvola diapertura

Condotta diricircolo

Controlloautomatico

La produzione di metano ottenibile è di circa 15 m3/anno

per 100 kg di peso vivo suino (circa 25 m3/anno di biogas)

lagone o vasca di accumulo

frazione solida

sistema galleggiante di

raccolta gas

biogas agli utilizzi

serbatoio di stoccaggio

vasca di raccolta

e sollevamento

rotovaglio

La produzione di metano ottenibile è di circa 21 m3/anno

per 100 kg di peso vivo suino (circa 35 m3/anno di biogas)

frazione solida

vasca di raccolta

e sollevamento

rotovaglio

sistema di copertura e

raccolta biogas a singola

o a doppia membrana

biogas agli utilizzi

sistema di riscaldamento

energia

elettrica

biogas

cogeneratore

acqua calda

Bilancio Economico

EE netta prodotta = 1.504.000 kWh/anno

Ricavi:

Valore EE autocons (365.000 kWh a 0,107 €/kWh) = 39.055 €/anno

Valore EE ceduta (0,085 €/kWh) = 96.815 €/anno

Valore CV (0,109 €/kWh) = 191.840 €/anno

Totale ricavi = 327.710 €/anno

Costi esercizio:

Service cogeneratore (0,02 €/kWh) = 35.200 €/anno

Esercizio impianto = 48.000 €/anno

Produzione mais al netto premi PAC (11,24 €/t) = 10.670 €/anno

Totale esercizio = 93.870 €/anno

Costo investimento circa 950.000 €

PBT=4,1 anni (2,8 anni con un contributo del 30%)

NB: + 12 ha per uso agronomico liquame per presenza insilato di mais

La discontinuità delle fonti rinnovabili:

L’Idrogeno come vettore energetico

Elettrolisi: produzione di metano e acqua

CO2 dall’aria o dalla combustione

Produzione metano sintetico: e-metano

La cella a combustibile è un generatore elettrochimico che viene alimentato

da un combustibile (tipicamente idrogeno, alcool o metano) e un ossidante

(ossigeno o aria) e da cui si ricavano corrente elettrica continua, acqua e

calore. Come tutti gli elementi voltaici, essa è composta essenzialmente da

due elettrodi, catodo e anodo, e da un elettrolito che permette la migrazione

degli ioni.

Uso dell’Idrogeno: La cella a combustibile

Uso dell’Idrogeno e dell’e-metano: trattori