Capitolo 7 – Risultati e discussioni.
Terminata la fase di descrizione dei materiali e metodi relativi alla produzione del mais nella Val di Chiana secondo 2 diversi itinerari tecnici e finalizzata alla produzione di bioetanolo, in questo capitolo, si procederà con l’analisi dei risultati e con le relative considerazioni sull’impatto della fase agricola della filiera.
1. Analisi dell’impatto ambientale
L’analisi dell’impatto ambientale rappresenta, al fine di questa tesi, la fase principale della metodologia LCA. Durante questa fase i dati raccolti vengono aggregati e classificati in relazione agli impatti indotti sull'ambiente (acqua, aria, suolo, ecc), il problema è che per l’influenza di vari fattori, primi fra tutti quelli climatici e pedologici, gli impatti sull'ambiente sono spesso difficilmente interpretabili e per questo motivo, gli impatti valutati in questa analisi del ciclo di vita, non sono effettivi, ma sono solo delle stime potenziali.
La misurazione di impatto complessiva ha bisogno di un'interpretazione dei dati e di un ordine gerarchico degli impatti stessi, essendo una delle parti più delicate dell'intera LCA; le definizioni degli obiettivi perseguiti e dei limiti del sistema possono fornire linee di riferimento utili.
Come si accennava nella definizione degli obiettivi, in questa tesi, sono stati valutati i primi due indicatori, cioè l’energia primaria richiesta per il ciclo di vita del prodotto (nel nostro caso relativo alla sola fase agricola) e l’indicatore “effetto serra” (con orizzonte temporale a 100 anni) calcolato considerando, tra le sostanze emesse in atmosfera, quelle che contribuiscono al potenziale riscaldamento globale del pianeta terra (GWP).
1.1 Bilancio energetico.
Per quanto riguarda l’energia primaria, l’obiettivo è stato quello di valutare il bilancio energetico relativo alla fase agricola per la produzione del mais, materia prima di base per la produzione di bioetanolo, in quanto un bilancio energetico chiuso in attivo rappresenta l’irrinunciabile presupposto per la sostenibilità della filiera.
A tale scopo i dati precedentemente calcolati nell’ analisi di inventario sono stati ulteriormente elaborati per evidenziare il diverso peso energetico che rappresenta ogni singola operazione colturale (Tabella 7.1).
Coltura Livello Input meccanici (GJ/ha) Input Fertilizzanti (GJ/ha) Input Irrigazione (GJ/ha) Input Trattamenti (GJ/ha) Input Sementi (GJ/ha) Input Trasporto (GJ/ha) Totale input (GJ/ha) 1 8,68 6,32 0,00 0,51 0,09 0,04 15,6 MAIS 2 9,44 15,90 12,91 2,33 0,09 0,06 40,7
Tabella 7.1: Input energetici della fase agricola per la produzione del mais per il Livello 1 e per il Livello 2
Nella Tabella 7.1, pertanto, sono stati riportati gli input energetici relativi alle singole operazioni colturali, espressi in GJ per ettaro al fine di poter stimare il totale degli input derivanti dalla fase agricola per la produzione del mais, per i due diversi livelli di intensificazione colturale.
Ciò che appare evidente dall’analisi dei dati in tabella, è la differenza tra gli input totali relativi alla fase agricola dei due livelli, infatti passando dal livello 2 al livello 1 si registra una riduzione percentuale degli input del 61,7%, questo aspetto risulterà rilevante per le considerazioni finali.
Come si evince dai risultati, per il primo livello gli input energetici maggiori nella fase agricola sono relativi alle operazioni meccaniche (55,5%), seguite per il 40,4% dai fertilizzanti (soprattutto per quanto riguarda i concimi azotati, che se pure in dosi minime rispetto all’altro livello, sono stati comunque utilizzati) e dai trattamenti che rappresentano solo il 3,3% del totale; insignificanti risultano le percentuali di input energetico relative alle sementi (0,6%) e al trasporto (0,3%) (Grafici 7.2,7.3).
Riguardo al livello 2, riferito ad una pratica colturale che potremmo definire convenzionale, l’assegnazione degli input risulta diversamente distribuita in quanto per questo secondo livello di intensificazione, l’irrigazione (che nel livello 1 era stata considerata nulla) rappresenta ora il 31,7% del totale; gli input energetici maggiori sono comunque imputabili ai fertilizzanti responsabili del 39,05% del consumo energetico totale, seguiti dalle operazioni meccaniche con una percentuale pari al 23,2% e dai trattamenti ai quali è attribuito un peso pari al 5,7%; anche in questo caso risultano insignificanti i contribuiti di consumo energetico per quanto riguarda le sementi (0,2%) e il trasporto (0,1%).
Livello 1 55,48% 40,42% 0,00% 3,26% 0,58% 0,26% Input meccanici Fertilizzanti Irrigazione Trattamenti Sementi Trasporto
Grafico 7.2: Input energetici relativi alla fase agricola del Livello 1 espressi in percentuale
LIVELLO 2 23,18% 39,05% 31,69% 5,72% 0,22% 0,14% Input meccanici Fertilizzanti Irrigazione Trattamenti Sementi Trasporto
Grafico 7.3: Input energetici relativi alla fase agricola del Livello 2 espressi in percentuale
I diversi risultati ottenuti per i due livelli di intensificazione colturale, sono chiaramente giustificati dal fatto che il primo livello, contrariamente al secondo, è rappresentativo di un sistema agricolo di produzione a basso impatto ambientale, in quanto prevede l'uso coordinato e razionale di tutti i fattori della produzione allo scopo di ridurre al minimo il ricorso a mezzi tecnici (fertilizzanti e irrigazione soprattutto) che hanno un impatto notevole sull'ambiente.
Chiaramente ai fini di questa analisi è importante valutare i rapporti output su input della biomassa totale e della granella in base all'ettaro di mais. Tenendo conto delle rese granellari (in s.s.) ipotizzate (5,77 t·ha-1 per il livello 1 e 8,26 t·ha-1 per il livello 2) e del potere calorifico inferiore della granella di mais sono stati calcolati gli output relativi alla granella, ai residui colturali e alle radici dalla cui sommatoria è stato possibile definire la quantità di energia della biomassa totale in GJ·ha-1al termine del processo(Tabella 7.4)
Granella Residui Radici Biomassa totale Livelli di input t ss·ha-1 Output (GJ/ha) Peso secco (t/ha) Output (GJ/ha) Peso secco (t/ha) Output (GJ/ha) Peso secco (t/ha) Output (GJ/ha) 1 5,77 84,8 5,77 108,5 3,46 65,1 15,0 258,4 2 8,26 121,4 8,26 155,3 4,98 93,2 21,5 369,9
Tabella 7.4 : Output energetici del mais per il Livello 1 e per il Livello 2.
Una volta determinato il valore energetico delle produzioni del sistema (output), il passo successivo è stato quello di valutare l’efficienza energetica della fase agricola della filiera per la produzione del bioetanolo in Val di Chiana.
A tale scopo è stato effettuato il rapporto tra i valori precedentemente ottenuti per input e output (Tabella 7.5):
Output granella / input totali
Output granella /
input con allocazione considerando la biomassa epigea
Output granella /
input con allocazione considerando la biomassa totale
Livello 1 5,4 10,8 14,0
Livello 2 3,0 6,0 7,7
Tabella 7.5 : Rapporti output su input del mais
Da questi dati si evince che dal punto di vista del bilancio energetico per il mais, in entrambi i livelli, i rapporti output su input, determina un bilancio nettamente positivo. Ciò che mi preme sottolineare è che, pur essendo la granella la materia di base per la produzione del bioetanolo, in realtà una pianta di mais produce anche residui e radici che a loro volta inglobano al loro interno una notevole quantità di energia, e che ciò, ai fini di un’analisi dell’impatto ambientale di una filiera, non può essere trascurato.
Per questa ragione, si è deciso di considerare sia i rapporti output su input relativi alla sola granella sugli input totali, sia di considerare in tale rapporto prima i residui e poi la biomassa totale ricorrendo quindi all’allocazione che come è stato detto più volte è un’allocazione fisica e cioè basata sulla massa (Grafico 7.6).
0,0 2,0 4,0 6,0 8,0 10,0 12,0 14,0 GJ/ha Output granella/input Out put granella/input con allocazione considerando la biomassa epigea Output granella/input con allocazione considerando la biomassa tot ale
Livello 1 Livello 2
Grafico 7.6: Rapporti output su input del mais
I risultati ottenuti indicano che all’aumentare della biomassa considerata nel bilancio totale, aumenta la quantità di energia “in eccesso” rispetto a quella consumata durante la fase agricola per la produzione del mais, si osserva infatti rispetto alla prima colonna (output granella/input totali) un guadagno energetico del 100%, per entrambi i livelli, semplicemente inglobando nel calcolo il contributo della biomassa epigea, tale percentuale aumenta del 159,2% per il livello 1 e del 156,6% per il livello 2 se viene calcolato l’output della granella sull’input con allocazione considerando la biomassa totale.
Poiché la fase agricola per la produzione di bioetanolo, rispetto alla fase di trasformazione del prodotto, è quella che pesa maggiormente a livello di costi energetici, i valori ottenuti per la stessa fase agricola, dimostrano che comunque è possibile ottenere valori di Energy Ratio nettamente positivi che rendono pertanto la filiera sostenibile.
Chiaramente, per quanto concerne il bilancio energetico, inteso come energia consumata dalla fase agricola della filiera in rapporto a quella ottenuta al termine del processo produttivo, il livello di input più basso ha un bilancio più positivo rispetto al secondo livello in cui sono state adottate tecniche di maggiore intensificazione colturale.
1.2 Impatto sull’effetto serra.
Per quanto riguarda il secondo indicatore oggetto di analisi, cioè l’impatto sull’effetto serra, si farà ricorso al Global Warming Potential (GWP) che rappresenta la misura di quanto un dato gas serra contribuisce all'effetto serra. Questo indice è basato su una scala relativa che confronta il gas considerato con un'uguale massa di CO2, il cui GWP è per definizione pari a 1. La quantità in massa di ciascuna sostanza, calcolata sulla fase agricola del prodotto, viene moltiplicata per un coefficiente di peso, chiamato potenziale di riscaldamento globale (GWP, Global Warming Potential) e sommando poi i contributi delle varie sostanze, si ottiene il valore aggregato dell'indicatore. Ricordiamo che le sostanze che contribuiscono all'effetto serra sono principalmente: CO2, CH4, N2O, CFC, gli HCFC e gli HFC.
Ogni valore di GWP è calcolato per uno specifico intervallo di tempo, nell’analisi in oggetto sono state effettuate delle stime considerando un orizzonte temporale di 100 anni, in questo caso, i rischi relativi agli ossidi di azoto e al metano sono più alti rispetto agli altri orizzonti temporali e questo ci consente di avere maggiori margini di sicurezza.
I valori ottenuti sono stati riportati nelle seguenti tabelle. La prima esprime il GWP in kg di CO2 equivalente su ettaro (Tabella 7.7), la seconda in kg di CO2 equivalente su GJ (Tabella 7.10).
GWP sequestro dei residui epigei (kg CO2 eq /ha) GWP sequestro residui epigei ed ipogei (kg CO2 eq /ha) GWP (kg CO2 eq/ha) Bilancio del GWP considerando solo la biomassa superficiale (kg CO2 eq/ha) Bilancio del GWP considerando la biomassa totale (kg CO2 eq/ha) Livello 1 - 8.548 -13.677 7.023 -1.525 -6.654 Livello 2 -12.237 -19.579 19.476 7.239 - 103
Tabella7.7: Assorbimenti ed emissioni di gas serra per il mais (kg CO2 eq/ha)
Allo scopo di ottenere il Bilancio del GWP, il primo passo è stato quello di determinare la quantità di CO2 assorbita (ricordiamo che la CO2 è il principale gas serra assorbito dalle piante e che tale valore corrisponde al GWP assorbito), per fare ciò la quantità di sostanza secca prodotta (kg per ettaro), per ogni livello, è stata moltiplicata per il tenore in C della biomassa stessa, il prodotto è stato successivamente diviso per il contenuto in C dell’anidride carbonica (Grafico 7.8).
-20000,00 -15000,00 -10000,00 -5000,00 0,00 5000,00 10000,00 15000,00 20000,00 Kg CO 2 e q /h a GWP assorbito dai residui epigei GWP assorbito dai residui epigei ed ipogei GWP Livello 1 Livello 2
Grafico 7.8:Assorbimenti ed emissioni di gas serra per il mais (kg CO2 eq/ha)
Il GWP assorbito è stato poi sommato algebricamente a quello prodotto, consentendoci di determinare il bilancio del GWP, che poi è il valore che maggiormente ci interessa al fine di questa analisi (Grafico 7.9). -10000 -5000 0 5000 10000 15000 20000 Kg C O 2 e q / h a Bilancio del GWP considerando solo la biomassa superficiale Bilancio del GWP considerando la biomassa totale GWP Livello 1 Livello 2
Grafico 7.9: Emissioni di gas serra per il mais (kg CO2 eq/ha)
L’emissione netta rappresenta la differenza fra l’emissione totale e la quota che viene assorbita dalla biomassa presente nel sistema. Come si evince dal grafico 7.9 il bilancio è decisamente positivo, soprattutto per quanto concerne il livello a bassa intensificazione colturale, rispetto al livello intensivo, che comunque ci consente di ottenere dei buoni risultati per quanto riguarda le emissioni.
Come per il bilancio energetico, anche in questo caso, è possibile dimostrare che all’aumentare della biomassa inglobata nel bilancio, diminuisce notevolmente il coinvolgimento del mais (almeno per quanto riguarda la fase agricola) alla formazione dell’effetto serra, in quanto la quantità di CO2 assorbita è maggiore rispetto a quella emessa.
Il valore calcolato di GWP (in kg di CO2 equivalente su ettaro) è stato poi diviso per la resa energetica della coltivazione allo scopo di ottenere tale valore come GJ prodotto.
SOLO BIOMASSA EPIGEA BIOMASSA TOTALE GWP (kg CO2 eq/GJ) Bilancio del GWP (kg CO2eq/ GJ) GWP (kg CO2eq/ GJ) Bilancio del GWP (kg CO2eq/ GJ) Livello 1 36,3 -7,9 27,2 -25,8 Livello 2 70,4 26,2 52,7 -0,3
Tabella7.10: Emissioni e assorbimenti di gas serra per il mais (kg CO2 eq/GJ)
Anche in questo caso è possibile fare considerazioni analoghe alle precedenti. I valori negativi ottenuti sono particolarmente apprezzabili per quanto riguarda l’impatto ambientale, sembrerebbe infatti che un’appropriata gestione del suolo agricolo basata su tecniche di lavorazione a basso impatto (come quelle ipotizzate per il livello 1), sull’uso corretto di fertilizzanti ed ammendanti, quali il compost di qualità ottenuto dalla raccolta differenziata della frazione organica dei rifiuti (che ha la capacità di “sequestrare” il carbonio fissandolo al suolo invece di emetterlo in atmosfera sotto forma di anidride carbonica) unitamente alla progressiva sostituzione della concimazione chimica con l’impiego di fertilizzanti organici e una gestione attenta dei residui colturali possono portare ad un aumento significativo della sostanza organica nel suolo e ad un miglioramento della struttura chimico-fisica del terreno con conseguente diminuzione dei fenomeni erosivi e di pre-desertificazione che riguardano gran parte dei suoli dei Paesi del Mediterraneo compreso il nostro. Come si evince dal grafico 7.11, le emissioni di gas serra per il primo livello sono ridotte di circa un terzo rispetto a quelle relative al secondo livello.
-30,0 -20,0 -10,0 0,0 10,0 20,0 30,0 40,0 50,0 60,0 70,0 80,0 Kg C O 2 e q /G J GWP solo biomassa superficiale Bilancio GWP solo biomassa superficiale GWP biomassa totale Bilancio del GWP biomassa totale Livello 1 Livello 2
Tabella7.11: Emissioni di gas serra per il mais (kg CO2 eq/ GJ)
Analogamente all’energia, i maggiori impatti si hanno con l’irrigazione, gli input meccanici e il consumo di fertilizzanti.
Il contributo dell’agricoltura alla riduzione delle emissioni di CO2 è molto interessante perché permette di combinare, in un futuro assai prossimo, il miglioramento della qualità dei suoli e la riduzione netta delle emissioni di gas serra nell’atmosfera.
E’ ipotizzabile dunque che grandi filiere produttive (come ad esempio la filiera oggetto di questa tesi) potranno chiedere la certificazione dei loro processi produttivi e dimostrare di essere capaci di sequestrare gas serra ed in particolare la CO2 e per questa attività chiedere una forte contribuzione pubblica per le attività connesse, superando così quelli ostacoli che ancora oggi impediscono l’avvio del processo.
