Agrobioenergie: la sfida di Agroener, Special Issue su “Terra è Vita”

Da 6 anni a questa parte il CREA è protagonista nella ricerca e promozione dell’impiego delle agrobioenergie, fonti rinnovabili importantissime per la sostenibilità ambientale. Lo fa partecipando ad un progetto di ricerca finanziato dal Ministero dell’agricoltura, della sovranità alimentare e delle foreste (Masaf, ex Mipaaf) e coordinato dal CREA – Centro di ricerca Ingegneria e Trasformazioni agroalimentari: il progetto AGROENER “Energia dall’agricoltura: innovazioni sostenibili per la bioeconomia” (D.D. n. 26329/2016).

Il progetto “AGROENER”

Il progetto “AGROENER: Energia dall’agricoltura: innovazioni sostenibili per la bioeconomia” (D.D. n. 26329/2016) è finanziato dal Ministero dell’agricoltura, della sovranità alimentare e delle foreste (Masaf, ex Mipaaf) e coordinato dal CREA – Centro di ricerca Ingegneria e Trasformazioni agroalimentari. Ha durata di 7 anni e mezzo: inizio 09/06/2016 – fine 31/12/2023.

Il Progetto si articola all’interno del comparto delle agrobioenergie, 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.

Tutte le informazioni possono essere trovate al seguente link: https://agroener.crea.gov.it/

Da anni, come riporta nello speciale Attilio Tonolo, referente del Masaf per il progetto, la discussione a livello internazionale sulle misure da adottare per la riduzione dei cambiamenti climatici e delle emissioni di gas a effetto serra ha ispirato i leader dell’Unione Europea a trasformare l’Europa in un’economia con un’efficienza energetica elevata e a basse emissioni di carbonio. I risultati ottenuti e quelli in via di consolidamento potranno offrire nuove opportunità di applicazioni tecniche con ridotti impatti ambientali e risparmi economici.

Per divulgare e trasferire i principali risultati ottenuti da questo importante progetto, Francesca Antonucci, Prima Ricercatrice del CREA Ingegneria e Trasformazioni agroalimentari, ha curato l’edizione di uno Special Issue uscito il 26 Novembre 2022 su “Terra e Vita”, importante testata nazionale di disseminazione scientifica del gruppo Edagricole (Rif.: Speciale AGROENER. A cura di Francesca Antonucci. Terra e Vita, Supplemento al n. 36 – 30 Novembre 2022 – ANNO LXIII. ISSN 2421-356X). Si tratta della raccolta di circa 50 articoli inerenti ai risultati e le innovazioni più interessanti di AGROENER, descritte con cura dai responsabili delle varie linee di azione del progetto. Lo speciale, disponibile a questo link  si articola su cinque tematiche principali:

1. Miglioramento, sviluppo e promozione dell’efficienza energetica delle macchine, delle attrezzature agricole e della meccanizzazione
2. Sviluppo della filiera delle biomasse solide agroforestali
3. Sviluppo della filiera del biogas
4. Bioraffinerie integrate in cicli produttivi agroalimentari
5.  Realizzazione impianti sperimentali, dimostrazioni e divulgazione.

E offre uno spaccato delle nuove frontiere che si stanno aprendo nel settore delle agroenergie, grazie alla ricerca condotta dal CREA in collaborazione con altri importanti enti quali il Consiglio Nazionale delle Ricerche (CNR) ed il Centro Ricerche Produzioni Animali (CRPA S.p.A).

Di seguito sarà riportata una breve descrizione dei principali risultati ottenuti nel corso di questi anni di attività, divisi per tematica.

1. Miglioramento, sviluppo e promozione dell’efficienza energetica delle macchine, delle attrezzature agricole e della meccanizzazione

Negli ultimi mesi si è sentito parlare tantissimo, tra gli agricoltori e i contoterzisti, di consumi energetici, di rese colturali, di ottimizzazione della manodopera, di semplificazione dei cantieri meccanici ecc.: lo speciale prova ad affrontarli dal punto di vista della ricerca.

In: “Strategie per il risparmio di carburante nei cantieri agricoli”, per esempio, lo slittamento ed il rendimento del motore sono i parametri più importanti su cui intervenire per migliorare l’efficienza delle lavorazioni agricole.

 “Potenzialità del biometano in agricoltura”, invece, analizza una possibile alternativa al gasolio, attualmente il carburante più costoso e derivante interamente da fonti fossili non rinnovabili.

Si parla inoltre della “Sensoristica innovativa propedeutica all’automazione dei processi produttivi” (Figura 2) e della “Intelligenza Artificiale per migliorare le principali operazioni in campo”: in questo ultimo caso, è stata sviluppata una piattaforma on line per la stima del consumo di carburante, dei costi e delle emissioni delle principali operazioni agricole e forestali.

Sempre per l’efficientamento energetico si parla anche di “Agricoltura di precisione”, la cui applicazione ha tra i vantaggi più evidenti il minor numero di passaggi, la diminuzione del compattamento del terreno e la riduzione delle manovre di inversione a bordo campo delle trattrici agricole. Per quanto riguarda l’ambiente forestale, viene approfondita la Short Rotation Coppice (SRC) e la irrigazione localizzata per ottenere risparmi sia idrici che energetici. Nel campo dell’agricoltura in serra, scopriremo il “Software di supporto decisionale per gestire la variabilità in questi ambienti” e la tecnologia che sfrutta il “riscaldamento basale di colture tramite l’utilizzo di pompe di calore”.

2. Sviluppo della filiera delle biomasse solide agroforestali

Si tratta di una importante fonte di energia rinnovabile, che può essere ottenuta sia con la combustione, per generare elettricità e calore, sia tramite la digestione anaerobica (processo nel quale, in assenza di ossigeno, la sostanza organica contenuta nelle biomasse viene trasformata in biogas) per ottenere vettori energetici come il biometano e l’idrogeno.

Vedremo cosa sono e come si utilizzano i “Sistemi di compattamento industriali applicati alle biomasse agroforestali”, per i quali sono stati effettuati dei test su paglie e sottoprodotti di colture erbacee e su residui di potature ed espianti di specie legnose per poi passare alla “Strategia di raccolta della canna comune sia per le produzioni di biomassa che di metano”.

In campo forestale, viene illustrato il procedimento per lo sviluppo di un “Prototipo per la raccolta delle piantagioni di pioppo a ciclo medio”, per il quale è stato testato un mezzo alternativo, meno impattante in termini di peso, ingombro e costo di utilizzo, ma in linea con la produttività ed i costi dei sistemi di raccolta di solito utilizzati ed interessante soprattutto nell’ottica della small-scale forestry. Inoltre, viene descritta “L’analisi economica e ambientale del ciclo di vita del pioppo da Short Rotation Forestry (SRF)”. Con “Valorizzazione della biomassa forestale residuale”, vedremo, invece, i benefici economici ed ambientali apportati da alcune piantagioni di origine artificiale (Figura 3).

Ma alberi piantati, sono anche quelli delle città e in “Costi di cantieri per la gestione degli alberi in città”, capiremo, prendendo ad esempio il caso di Roma, le migliori scelte tecniche da effettuare, in un’ottica di sostenibilità economica, ambientale e sociale.

Approfondiremo poi in diversi articoli il tema delle colture energetiche: dall’utilizzo del “Sorgo, come biomassa con limitato sussidio irriguo”, alla “Stima territoriale della produttività di colture energetiche in aree marginali” fino al “Cambiamento dell’efficienza energetica in base al tipo di coltura utilizzata”. In quest’ultimo caso, è stato analizzato il comportamento di due specie (sorgo zuccherino e barbabietola), in funzione di agrotecniche diversificate come concimazione azotata e lavorazione del terreno (Figura 4).

3. Sviluppo della filiera del biogas

Il biogas è una miscela composta da anidride carbonica e metano, prodotta da un processo di digestione anaerobica (degradazione in assenza di ossigeno) di sostanze organiche (di origine sia agricola sia agroindustriale) ad opera di alcuni batteri. Il biogas, attraverso alcuni processi, può essere trasformato in biometano, combustibile già utilizzabile per tutti gli usi industriali. Una risorsa resa strategica dalla guerra in Ucraina che ha restituito ad AGROENER una drammatica e centrale attualità.

In “Produzione di metano da scarti di pomodoro e liquame bufalino” viene spiegato come il processo di digestione anaerobica può permettere di valorizzare sottoprodotti di scarto provenienti dall’allevamento bufalino e dalla coltivazione del pomodoro. La codigestione anaerobica si è anche rivelata utile sia per ridurre gli scarti della filiera bufalina sia per la produzione di idrogeno, come riportato nell’articolo “Produzione di idrogeno da sottoprodotti della filiera bufalina” (Figura 5).

Anche gli scarti della filiera suinicola possono rappresentare dei prodotti di potenziale interesse commerciale: infatti, in “Produzione di inoculi da liquame suinicolo per l’impiego di impianti di biogas” vediamo come i liquami di scarto possano essere utilizzati per arricchire la popolazione microbica dei digestori di un impianto di biogas nella fase di avviamento.

È nei digestori che avvengono tutti questi importantissimi processi. Ed è proprio in “Prototipo di digestore a due stadi per la produzione di idrogeno e metano” che ci viene spiegato come questi, alimentati con effluenti zootecnici e sottoprodotti dell’industria casearia (per esempio), consentano di ricavare output diversi dal solo metano, quali idrogeno ed acidi grassi volatili.

Non bisogna tralasciare “L’impatto dei digestati da produzione di biogas sulla fertilità e sanità dei suoli”, in cui è stato valutato l’incremento dei processi microbici su alcuni terreni agricoli per aumentarne fertilità biologica e sanità.

I digestati , insomma, possono avere un ruolo importante in agricoltura, come ci dimostrano gli ultimi 3 articoli: lo studio inerente alla “Frazione solubile e potenziale di riciclo di residui agro-zootecnici”, “Fertilizzazione con digestati zootecnici: principali risultati su loietto” ed infine in quello intitolato “Digestato anaerobico come fertilizzante per il vivaismo agrumicolo”, in cui l’obiettivo è stato quello di incrementare la fertilità dei suoli, valorizzando il potenziale agronomico del digestato ottenuto, proponendolo quale fertilizzante in vivaio per portinnesti di agrumi.

4. Bioraffinerie integrate in cicli produttivi agroalimentari

Negli ultimi anni, a partire dal 2018, le bioraffinerie integrate nei cicli produttivi agroalimentari hanno contribuito alla riduzione delle emissioni di gas serra di almeno il 35% rispetto ai prodotti di origine fossile di riferimento.

“Produrre lipidi per bio-carburanti e bio-lubrificanti dalla canna comune si può”: in questo articolo si è voluto verificare l’idoneità della canna comune (Arundo donax L.) come substrato di crescita per microrganismi oleaginosi al fine di ottenere lipidi per la produzione di bio-lubrificanti o bio-carburanti di nuova generazione, come il biodiesel da lignocellulosa.

In “Biotecnologie microbiche per produrre biolubrificanti da effluenti di caseificio”, invece, si è puntato ad identificare ceppi di lieviti oleaginosi in grado di crescere su effluenti di caseificio, producendo abbondante biomassa ricca di lipidi (Figura 6).

Per quanto riguarda “Crambe e cartamo, due filiere di chimica verde”, nello speciale viene illustrato come questi consentano l’ottenimento di olio e di un pannello ricco di proteine, utilizzabili nell’agroindustria. Infine, ne “L’utilizzo di oli vegetali come fluidi idraulici”, si sono ottenuti, a partire da colture di crambe (parente della senape) e di cartamo o zafferanone, i relativi oli, rispettivamente ad alto contenuto di acido erucico ed acido oleico, che sono stati poi testati per un possibile impiego come fluidi idraulici.

5. Realizzazione impianti sperimentali, dimostrazioni e divulgazione

La condizione climatica globale ha reso sempre più urgente, negli ultimi anni, intervenire per ridurre le problematiche ambientali e gli impatti derivanti dall’utilizzo eccessivo di fonti non rinnovabili.

Presso la sede di Monterotondo del CREA Ingegneria e Trasformazioni agroalimentari, è stato allestito un centro sperimentale dimostrativo che ha come obiettivo la realizzazione di una microfiliera energetica di autoconsumo, basata su sistemi di conversione delle biomasse agroforestali e scarti di lavorazione, per la produzione di energia termica, biogas, biometano, syngas e biochar. Il centro è dotato di un impianto di cogenerazione e la biomassa necessaria è completamente autoprodotta all’interno, anche utilizzando colture dedicate SRF, con riflessi positivi in termini di sostenibilità economica ed ambientale.

In “Impronta di carbonio nella produzione di energia termica da pioppo SRC”, viene mostrato come la produzione e l’utilizzo della biomassa per generare energia termica possano ridurre il Global Warming Potential (GWP) di oltre il 70% rispetto all’utilizzo di combustibili fossili.

 “Un modello di microfiliera energetica in regime di autoconsumo” invece, spiega come le filiere energetiche che utilizzano centrali termiche di piccole dimensioni siano oggi ancora una delle soluzioni più interessanti per implementare l’uso di bioenergie.  

Anche i residui forestali rappresentano un’importante fonte rinnovabile per la produzione di energia termica, come vediamo nei tre lavori “Valorizzazione delle biomasse attraverso il processo di pellettizzazione”, “Pellet, caratterizzazione multi-sensore per valutare il processo di produzione” e “Valorizzazione energetica di sottoprodotti agroalimentari”. Nel primo vengono pellettizzate ed analizzate diverse specie, come per esempio il platano, il nocciolo e l’ulivo per la produzione di energia termica (Figura 7).

Nel secondo vengono analizzati diverse tipologie di pellet tramite analisi di immagine, per la qualità esterna, e l’utilizzo di un potente strumento che rileva i composti organici volatili, per la qualità interna. Nel terzo, invece, diverse biomasse residuali (i.e., ulivo, vite, agrumi e caffè) vengono testate in un’ottica di economia circolare per la produzione di energia rinnovabile. Viene esposto anche il processo di “Raccolta meccanizzata della pula di trebbiatura” che consente di recuperare un’abbondante e preziosa risorsa e di combattere allo stesso tempo le infestanti nei campi agricoli (Figura 8).

Lo scopo del lavoro intitolato “Prove preliminari di distribuzione di digestato liquido in manichetta”, è stato quello di testare la possibilità di irrigare, utilizzando appunto digestato liquido, filtrato con tecniche economiche e diluito con acqua, mediante una manichetta commerciale su scala reale.

Nel “Sistema mobile per il recupero e lo stoccaggio di acque piovane”, è stato sperimentato come una significativa quantità di acqua possa essere intercettata nelle scoline di bordo campo e stoccata per sopperire, nei periodi di siccità, al fabbisogno idrico delle colture.

E si torna a parlare di digestione anaerobica, negli articoli: “Miscelazione nei digestori anaerobici: sedimenti e stratificazioni del digestato”, “Micotossine nel frumento, effetti della digestione anaerobica e BMP” e “Clostridi e digestione anaerobica identificazione delle popolazioni”. Nel primo viene spiegato come la conoscenza di viscosità e granulometria del digestato possa permettere di ottimizzare la miscelazione. Nel secondo, è mostrato come il frumento contaminato possa essere utilizzato come fonte di energia alternativa nonché soluzione innovativa e sostenibile di smaltimento. Invece, nel terzo viene illustrato il ruolo fondamentale delle buone pratiche agronomiche e di gestione degli effluenti zootecnici nel percorso di prevenzione della contaminazione da sporigeni (batteri che producono spore) in allevamento.

Infine, in “Alimentazione di motori endotermici con biometano e idrogeno in miscela” si valuta la possibilità di impiegare una miscela composta da biometano e idrogeno per alimentare un motore a combustione interna e studiarne le prestazioni.

Le sfide non sono ancora finite per i partecipanti del progetto AGROENER: resta un ultimo anno di attività, in cui si dovranno raffinare i risultati ottenuti soprattutto da un punto di vista divulgativo, cercando il più possibile -anche attraverso un meeting finale-  di avvicinare il pubblico di settore meno scientifico, in modo che possa usufruire delle tante innovazioni messe a punto e sperimentate.

Si è laureata nel 2007 in “Ecologia ed Evoluzione” (Biologia) ed ha conseguito il Dottorato di ricerca in “Scienze Ambientali” nel 2012. È autrice di oltre 130 pubblicazioni di cui oltre 70 internazionali con IF. L’attività di ricerca riguarda: la sensoristica avanzata applicata alla tracciabilità, logistica, sicurezza e monitoraggio ambientale, agricoltura e scienze forestali (Devices IoT, Infotracing, blockchain, RFID), l’agricoltura digitale e di precisione (IoT, drone imaging) e la statistica (uni- e multi-variata, classificazione, modellamento, previsionale, reti neurali).

#lafrase Non è la più forte delle specie che sopravvive, né la più intelligente, ma quella più reattiva ai cambiamenti (Charles Darwin)