Elenco delle Tabelle

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Indice

INTRODUZIONE --- 1

CAPITOLO I – I BIOCARBURANTI--- 5

1.1 – Le Fonti Energetiche --- 5

1.2 – I Biocarburanti: Vantaggi e Problematiche --- 9

1.3 – I Biocombustibili nel Panorama Mondiale1--- 15

CAPITOLO II – IL BIOETANOLO --- 25

2.1 – Caratteristiche e Proprietà --- 25

2.2 – Le Materie Prime--- 30

2.2.1 – Le Risorse di Amido --- 31

2.2.2 – Le Risorse di Zuccheri --- 32

2.2.3 – Le Risorse Ligno-Cellulosiche --- 34

CAPITOLO III – IL BIOETANOLO DAL MAIS --- 38

3.1 – Valutazione del Ciclo di Vita --- 38

3.2 – Le fasi del Ciclo Produttivo --- 41

3.3 – Produzione e Distribuzione dei Chemicals--- 43

3.3.1 – Azoto, Fosforo e Potassio --- 43

3.3.2 – La Produzione dei Fertilizzanti --- 50

3.3.3 – La Distribuzione dei Fertilizzanti --- 62

3.3.4 – L’Ossido di Calcio --- 65

3.3.5 – Gli Erbicidi ed Insetticidi--- 65

3.4 – La Corn Farming --- 68

3.4.1 – Le Tecniche di Coltivazione --- 68

3.4.2 – L’Energia per la Costruzione dei Macchinari Agricoli --- --- 79

3.4.3 – I Consumi di Combustibili Fossili --- 83

3.4.4 – I Consumi Elettrici --- 85

3.4.5 – L’Energia per i Semi di Mais --- 86

3.4.6 – L’Energia per la Fase di Trasporto--- 86

3.4.7 – Il Bilancio Energetico Totale --- 87

3.5 – Il Trasporto del Mais nelle Raffinerie di Etanolo --- 90

3.6 – La Produzione di Etanolo --- 91

3.6.1 – Il Processo Dry Mill --- 91

3.6.2 – Il Processo Wet Mill --- 93

3.6.3 – I Rendimenti Produttivi--- 95

iii

3.6.4 – Gli Input Energetici per la Fase di Milling--- 99

3.6.5 – La Capacità Produttiva--- 101

3.7 – Il Bilancio Energetico Totale del Processo Produttivo del Bioetanolo-- --- 103

3.8 – L’Analisi Economica della Produzione di Bioetanolo--- 107

CAPITOLO IV – IL BIOETANOLO DA ALTRE MATERIE PRIME --- --- 110

4.1 – La Canna da Zucchero --- 110

4.1.1 – L’Estrazione dello Zucchero --- 111

4.1.2 – Il Bilancio Energetico--- 112

4.2 – Le Biomasse Ligno-Cellulosiche --- 115

4.2.1 – Il Processo Biologico --- 116

4.2.2 – Il Processo Termochimico--- 118

4.2.3 – Il Panico Verga --- 118

4.2.4 – I Residui Legnosi --- 122

4.3 – Il Confronto dei Bilanci Energetici--- 124

CAPITOLO V – LE EMISSIONI ATMOSFERICHE --- 127

5.1 – Gli Inquinanti Atmosferici--- 127

5.2 – L’Origine delle Emissioni --- 129

5.3 – Le Emissioni del Ciclo Produttivo--- 131

5.4 – Le Emissioni Veicolari --- 132

CAPITOLO VI – IL BIODIESEL --- 136

6.1 – Caratteristiche e Proprietà --- 136

6.2 – Il processo di Transterificazione--- 137

6.3 – Le Materie Prime--- 139

6.4 – I Bilanci Energetici --- 143

6.4.1 – La Soia --- 143

6.4.2 – Il Girasole--- 145

6.5 – La Riduzione delle Emissioni Atmosferiche--- 148

CAPITOLO VII – GLI EFFETTI DEI BIOCARBURANTI SUI MERCATI ALIMENTARI --- 151

7.1 – Il Sottosistema “Terra” --- 152

7.2 – Il Sottosistema “Petrolio”--- 155

7.3 – Il Sottosistema “Bioetanolo” --- 160

7.4 – Il Sottosistema “Granaglie” --- 163

7.5 – Il Sistema Totale --- 172

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CONCLUSIONI --- 177

APPENDICE I – UNITÀ DI MISURA --- 179

APPENDICE II – IL MAIS --- 181

APPENDICE III – PRODUZIONE DEI FERTILIZZANTI --- 189

APPENDICE IV – EQUAZIONE UNIVERSALE PER L’EROSIONE DEL SUOLO 192 APPENDICE V – DIAGRAMMI A BLOCCHI DEI PROCESSI DI MILLING--- 200

APPENDICE VI – L’UTILIZZO DELLA TERRA --- 202

APPENDICE VII – IL CONSUMO IDRICO --- 214

BIBLIOGRAFIA --- 219

Elenco delle Tabelle

Tabella 2 – Fabbisogno di mais e superficie da destinare esclusivamente alla coltivazione di mais per il campo della biocarburazione, per adempiere agli obblighi imposti dalla Legge Finanziaria del 2007. --- 21

Tabella 3 – Costi di produzione dei carburanti nei principali paesi produttori. --- --- 24

Tabella 4 – Proprietà Fisiche e Chimiche del Bioetanolo confrontate con quelle della Benzina. --- 25

Tabella 5 – Parametri Cinetici per Z. mobilis e Saccharomyces cerevisiae in una coltura (30 °C, pH 5.0) con una concentrazione iniziale di glucosio di 250 g/L. --- 27

Tabella 6 – Pro e contro nell’utilizzo del bioetanolo. --- 29 Tabella 7 – Classificazione delle materie prime per la produzione di Bioetanolo.

--- 31 Tabella 8 – Composizione della granella del mais. --- 31 Tabella 9 – Composizione dei residui colturali del mais --- 35 Tabella 10 – Principali fertilizzanti (semplici e composti) e abbondanza

degl’elementi nutrienti. --- 55

Tabella 11 – Consumi ed Energia Totale nella produzione di fertilizzanti a livello mondiale --- 58

Tabella 12 – Consumi ed Energia Totale nella produzione di fertilizzanti a livello europeo. --- 60

Tabella 13 – Energia Specifica e valori reali d’applicazione per le principali classi di fertilizzanti. --- 60

Tabella 14 – Valori d’applicazione dei principali fertilizzanti nella coltivazione del mais. --- 63

Tabella 15 – Consumi energetici e quote d’applicazione per l’ossido di calcio --- 65 Tabella 16 – Consumi energetici e valori d’applicazione per gli Erbicidi ---

--- 66 Tabella 17 – Richieste energetiche per gli Insetticidi. --- 66

vii

Tabella 18 – Abbondanza degli ingredienti attivi nelle pannocchie e nei corn stover.--- 70

Tabella 19 – Valori delle quantità di nutrienti rimossi e ridistribuiti nei quattro scenari di raccolta degli stover. --- 74

Tabella 20 – Rimozione dell’azoto, fosforo e potassio nei diversi scenari descritti --- 78 Tabella 21 – Equipaggiamento e parametri energetici per la raccolta e lo stoccaggio dei corn stover. --- 79

Tabella 22 – Equipaggiamento e parametri energetici per la coltivazione del mais --- 80 Tabella 23 – Densità dei principali combustibili utilizzati nel ciclo produttivo del Bioetanolo. --- 83

Tabella 24 – Valori calorifici e volumi di utilizzo per i combustibili fossili utilizzati nella fase di corn farming. . --- 84

Tabella 25 – Consumi elettrici nella produzione di mais. --- 85 Tabella 26 – Spese energetiche per il trasporto di merci alla fattoria.--- --- 86 Tabella 27 – Rendimenti produttivi ed input energetici nella conversione del mais in bioetanolo per un impianto wet mill.--- 99

Tabella 28 – Richieste minime (Bilioni di Galloni) di integrazione dei biocarburanti nei combustibili fossili previsti dall’RFS.--- ---101 Tabella 29 – Input Energetici, per un ettaro di terreno, della fase di farming per la Canna da Zucchero. ---112

Tabella 30 – Input Energetici della fase di trasporto e conversione della Canna da Zucchero in Etanolo. ---113

Tabella 31 – Input energetici, per un ettaro di terreno, della fase di farming per il Panico Verga.---119

Tabella 32 – Input Energetici della fase di trasporto e conversione del Panico Verga in Etanolo. ---120

Tabella 33 – Input energetici totali per la produzione di Etanolo dal legno ---123 Tabella 34 – Input Energetici per ettaro di terreno per la fase di farming della soia.

---144 Tabella 35 – Input Energetici per la fase di conversione della soia in Biodiesel ---

---145 Tabella 36 – Input Energetici per ettaro di terreno per la fase di farming del girasole. ---146

Tabella 37 – Input Energetici per la fase di conversione del girasole in Biodiesel ---147 Tabella 38 – Confronto energetico tra le varie tipologie di biocarburanti analizzati

---148 Tabella A 1 – Classificazione scientifica del mais. ---182

Tabella A 2 – Abbondanza della materia secca e degli ingredienti attivi in una pianta di mais matura--- 188

Tabella A 3 – Bilancio energetico per la produzione di ammoniaca.--- --- 189 Tabella A 4 – Consumi energetici per la produzione di acido solforico e fosforico.

--- 189

ix

Tabella A 5 – Bilancio energetico per la produzione di solfato. --- --- 190 Tabella A 6 – Energia per la trasformazione delle materie prime nei corrispondenti prodotti finali azotati. --- 190

Tabella A 7 – Energia totale associata alla produzione di fertilizzanti azotati. --- --- 190 Tabella A 8 – Energia per la trasformazione delle materie prime nei corrispondenti prodotti finali fosforici. --- 191

Tabella A 9 – Energia totale associata alla produzione di fertilizzanti fosforici. --- --- 191 Tabella A 10 – Principali classi granulometriche.--- 194 Tabella A 11 – Criteri per il calcolo del coefficiente K.--- 195 Tabella A 12 – Criteri per il calcolo del coefficiente topografico. --- --- 196 Tabella A 13 – Valori di NN in funzione della diversa pendenza. --- --- 197 Tabella A 14 – Criteri per il calcolo del fattore per il tipo di coltura. --- --- 198 Tabella A 15 – Criteri per il calcolo del fattore per la tecnica di coltivazione adottata.--- 198

Tabella A 16 – Criteri per il calcolo del fattore P.--- 198 Tabella A 17 – Livelli di tolleranza all'erosione. --- 199 Tabella A 18 – Copertura del suolo negli Stati Uniti per l’anno 2002. ---

--- 206

Tabella A 19 – Copertura del suolo nel tempo. --- 207 Tabella A 20 – Andamento nell'utilizzo della terra coltivata nel tempo.---

--- 209

Tabella A 21 – Produzione di mais. --- 211 Tabella A 22 – Estensione della superficie dedicata alla produzione di Bioetanolo.

--- 212 Tabella A 23 – Consumi di acqua per la produzione di Bioetanolo. ---

---216

Elenco delle Figure

Figura 1 – Reddito pro-capite in funzione del consumo energetico (toe ). --- ---5 Figura 2 – Consumo di biocombustibili nei consumi globali di carburanti nei tre

differenti scenari descritti. ---8

Figura 3 – Produzione mondiale di biocombustibili. --- 16

Figura 4 – Produzione globale di biocarburanti.--- 19 Figura 5 – Struttura chimica e tridimensionale di una molecola di Etanolo. ---

--- 26 Figura 6 – Pompe di distribuzione di Etanolo. --- 28 Figura 7 – Saab Bio-Power flex-fuel rifornita con E85. --- 30 Figura 8 – Relazione tra i vari scenari di consumo ed il tempo di vita delle riserve.

--- 45

xi

Figura 9 – Relazione tra la disponibilità di potassio e l’assunzione di azoto. --- --- 46

Figura 10 – Ciclo globale dell’azoto. --- 47 Figura 11 – Consumo mondiale di fertilizzanti espresso in milioni di tonnellate .

--- 50 Figura 12 - Consumi energetici previsti dai vari autori nella produzione dei tre tipi principali di fertilizzanti.--- 61

Figura 13 – Relazione tra il valore ottimale di azoto distribuito e la relativa quantità di mais raccolta. --- 64

Figura 14 – Fase di raccolta della granella. --- 69 Figura 15 - Differenze tra lo scenario Low Cut (LC) e il Normal Cut (NC). ---

--- 72 Figura 16 – Scenari di riferimento nella fase di rimozione degli stover. --- --- 73 Figura 17 – Principali input energetici nella fase di farming. --- 90 Figura 18 – Struttura chimica della molecola di amido. --- 95 Figura 19 – Quantità di granella secca ed umida prodotta per ettaro terreno.--- --- 98 Figura 20 – Richieste Energetiche, sia perla fase di produzione che di trasporto, nella conversione del mais a bioetanolo in un impianto wet mill. --- --- 100 Figura 21 – Crediti Energetici per il processo produttivo del Bioetanolo. ---

--- 105 Figura 22 – Bilancio energetico totale nella produzione di Bioetanolo. --- --- 106

Figura 23 – Valori degli Input ed Output Energetici per le colture impiegate nella

produzione di Bioetanolo. --- 125

Figura 24 – Equivalenti di Anidride Carbonica prodotti durante l’intero ciclo di produzione del Bioetanolo. --- 131

Figura 25 – Riduzione delle emissioni di inquinanti atmosferici per le miscele di Biodiesel.--- 149

Figura 26 – Picco di Hubbert nella produzione di petrolio. --- --- 157

Figura 27 – Riserve mondiali, produzione e consumo di petrolio.--- --- 158

Figura 28 – Prezzi di soia, frumento e mais negli Stati Uniti (Fonte: USDA, Agricultural Projection to 2017, Febbraio 2008). --- --- 165

Figura 29 – Proiezioni delle Nazioni Unite sull’aumento della popolazione mondiale. --- 169

Figura 30 – Consumo mondiale di carne e crescita del GDP. --- --- 170

Figura 31 – Produzione mondiale di carne. --- 171

Figura A 1 – Diffusione mondiale del mais. --- 181

Figura A 2 – Infiorescenza maschile del mais. --- 183

Figura A 3 – Infiorescenza femminile del mais.--- 184

Figura A 4 – Dettaglio della cariossidi in una spiga. --- 186

Figura A 5 – Triangolo per la classificazione tessiturale di un suolo.--- --- 193

xiii

Figura A 6 – Trend della copertura del suolo negli Stati Uniti. --- --- 205 Figura A 7 – Andamento dal 2001 al 2006 della terra piantata e raccolta negli Stati Uniti. --- 210

Figura A 8 – Colture piantate negli Stati Uniti nel 2002. --- 210 Figura A 9 – Stima dei consumi di acqua per la produzione di Bioetanolo. --- --- 218

Elenco dei simboli ed acronimi

ac ---Acro

AN---Nitrato d’Ammonio AP ---Fosfato d’Ammonio AS ---Solfato d’Ammonio BAT---Best Available Technolgy Bbl ---Barile di Petrolio

BEST ---BioEthanol for Sustainable Transport BTU---British Termal Unit

bu---Bushel C---Carbonio

°C ---Gradi Celsisus Ca ---Calcio

cal ---Caloria cm ---Centimetro

CAN ---Nitrato di Calcio Ammonio CN---Nitrato di Calcio

CRP---Conservation Reserve Programm DAP---Fosfato di Di-Ammonio

DDGs ---Dried Distillers Grains E100 ---Etanolo 100 %

E85 ---Etanolo 85 %

EFMA ---European Fertilizer Manufacture Association EPA ---Enviromental Protection Agency

EtOH ---Etanolo

FAO ---Food and Agriculture Organization FFV ---Flexible Fueled Vehicle

ft ---Piede g ---Grammo

GDP ---Gross Domestic Product GHG ---GreenHouse Gas

GJ ---Giga Joule

GVWR ---Gross Vehicle Weight Rating ha---Ettaro

HCT ---High Cut Top HCB ---High Cut Bottom HHV ---High Heating Value HP---Cavallo Vapore

IEA ---International Energy Agency

IFA---International Fertilizer Industry Association

xv in ---Pollice

IPCC ---Intergovernmental Panel on Climate Change ISO---International Standard Organization

J ---Joule K---Potassio kcal ---Chilocaloria kJ---Chilojoule kg---Chilogrammo km---Chilometro

KN ---Nitrato di Potassio kPa ---ChiloPascal kW ---Chilowatt kWh ---Chilowattora L ---Litro

lb ---Libbra LC---Low Cut

LHV ---Low Heating Value LPG---Liquified Petroleum Gas m ---Metro

MAP ---FosfatodiMono-Ammonio mi---Miglia

MOP ---Cloruro di Potassio MJ---Mega Joule

Mpg ---Miglia per galloni equivalenti di benzina Mt ---Mega tonnellata

N---Azoto NC---Normal Cut

OPEC ---Organization of the Petroleum Exporting Countries P ---Fosforo

ppm ---Parti per Milione S ---Zolfo

SOP ---Solfato di Potassio SSP---Superfosfato t ---Tonnellata

TAR ---Total Accumulated Repair

toe ---Tonnellata Equivalente di Petrolio TSP ---Triplo Superfosato

UAN ---Urea Ammonium Nitrate WDGs ---Wet Distillers Grain WEO ---World Energy Outlook