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CIRI Energia e AMBIENTE - Unità Biomasse

Filiere basate su biomasse ed energie rinnovabili: valutazione di sostenibilità ed elementi di gestioneCorso di di Energie Rinnovabili e Gestione dell'Energia A.A. 2015-2016Diego Marazza [email protected],– CIRI Energy and Environment (Interdepartmental Center for Industrial Research) - Biomass Unit, University of Bologna, Platform of the Emilia-Romagna High Technology Network

MATER

IALE A

USO

ESCL

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DENT

I

giovedì 28 aprile 2016

mailto:[email protected]

mailto:[email protected]

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Obiettivi dell'interventoL’intervento formativo ha per obiettivo quello di fornire gli elementi di base per poter costruire dei parametri di valutazione di sostenibilità e classificazione di filiere basate sulle biomassa per scopo energetico o per produzione di biomateriali ad ad alto valore aggiunto (bioraffinerie) con applicazioni più generali al settore delle energie rinnovabili.

I PARTE - principi generali di valutazione di una filiera basata sulle biomasse

• definizioni: supply/value chain bio-carburante/combustibile biomassa

• definizione del problema della sostenibilità di filiere (“value chain”) basate sulla biomassa

• mappa degli strumenti di valutazione di filiere ed impianti

• esempio di uno schema per la certificazione di una filiera (FSC)

II PARTE - applicazione dei principi

• conoscenza direttiva 2009/28/CE (RED)

• il risparmio di gas serra attraverso il metodo della Direttiva RED: esercitazione in aula attraverso il foglio di calcolo - progetto Biograce


Energia rinnovabile - definizione

3

energie rinnovabili Le e. r. sono quelle fonti di energia non soggette a esaurimento


Energia rinnovabile

“energia ottenuta da flussi energetici che si verificano localmente nell’ambiente e che naturalmente si ripetono e sono persistenti”(Tidwell, 2015)

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Una definizione concisa, ma che richiede una spiegazione dei dettagli

attraverso un dispositivo o un apparato in grado di intercettare e concentrare l’energiaEs. apparato foliare, un sistema per la raccolta del biogas, ecc.

ovvero attraverso fenomeni diffusi non direttamente controllati dall’uomo

ovvero la cui ripetitività e persistenza non è casuale o eccezionale (es. eruzione vulcanica, meteorite, etc..) o guidata dall’uomo e che non sono pregiudicati dall’attività dell’uomo

tsunami

rifornimento di una raffineria

provate a verificare se questi flussi energetici sono rinnovabili in accordo a a questa definzione


Biomassa

Biomass is organic matter that can be converted into energy. Common examples of biomass include food crops, crops for energy (e.g., switchgrass or prairie perennials), crop residues (e.g., corn stover), wood waste and byproducts (both mill residues and traditionally noncommercial biomass in the woods), and animal manure. Over the last few years, the concept of biomass has grown to include such diverse sources as algae, construction debris, municipal solid waste, yard waste, and food waste.

5

Definizione da un testo scientifico


BiomassaDLgs 28/2011 recante “Attuazione della direttiva 2009/28/CE sulla promozione dell'uso dell'energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione

delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE”. L'art. 2, lettera e), definisce la biomassa come “la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l'acquacoltura, gli sfalci e le potature provenienti dal verde pubblico e privato, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani.”

6


BiomassaNella legislazione italiana il DLgs 387/2003 aveva già individuato una definizione operativa: "...la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani, purché non pericolosa ai sensi degli allegati del Decreto Ronchi sui rifiuti".Nella nuova definizione di "rinnovabili” data dal DLgs 387/2003 scompaiono i "rifiuti inorganici”, presenti nel DLgs 79/1999. Tuttavia l’articolo 17 (commi 1 e 3) del DLgs 387/2003 stabilisce che, pur nel rispetto della gerarchia di trattamento sancita dal DLgs 22/1997 (priorità al recupero di materia rispetto al recupero di energia) alcuni rifiuti anche non biodegradabili erano ammessi a beneficiare del regime di promozione riservato alle fonti rinnovabili.I rifiuti ammessi erano quelli non pericolosi sottoposti alle procedure semplificate di recupero, individuati dal Dm 5/2/1998 (poi modificato dal Dm 5/4/2006 n. 186) e quelli ulteriori individuati dal successivo DM 5/5/2006. Erano invece esplicitamente esclusi dal regime riservato alle rinnovabili: le fonti assimilate, i beni, i prodotti e le sostanze derivanti da processi il cui scopo primario fosse la produzione di vettori energetici o di energia, i

prodotti energetici. non conformi ai requisiti definiti nel DPCM 8/3/2002 (confluito assieme al DLgs 22/1997 nel DLgs 152/2006) disciplinante le

caratteristiche merceologiche dei combustibili.

7


8

from: UNIDO Working Paper VALUE CHAIN DIAGNOSTICS FOR INDUSTRIAL DEVELOPMENT


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Feedstock processi principali(treatment)

Impianti prodotti e sottoprodotti

mais 1)insilaggio2)fermentazione

anaerobica 2) combustione del biogas per produzione di energia

1)impianto di digestione2) motore a cogenerazione CHP

energia elettrica, caloresottoprodotti: digestato

Olio di palma 1)estrazione di olio 2)raffinazione3)combustione per

produzione di energia

1)impianto di spremitura 2)impianto di raffinazione3)centrale energetica

energia elettrica e calore

mais 1)insilaggio2)fermentazione

anaerobica 2) combustione del biogas per produzione di energia

1)impianto di digestione2)impianto di upgrading3)impianto per

compressione e immissione in rete

biometanosottoprodotti: digestato

Esempi di “filiera” utilizzati nell’intervento formativo


problem definition

feedstock transport,stocking

water pollution (N)

POPs

Biodiversity

GHG

LUC

air pollution

waterchemicals energy, fuels

treatment(plants)

energy, fuels

GHG

air pollution GHG

energy, fuels

chemicals

products

distribution

money

atmosferic pollution food-energy competion climatic change

market

subsidies


Assessment framework

Smart (×)efficient, innovative

Economy

Sustainable (=)affordable, respectful of future needs, safe

Environment

Inclusive (:)democratic, distributive

Society

innovation

resource efficiency

empowerment

budget parity

future needs

social equity

richness distribution

production=consumption

natural capital distribution

Energy Security 20, 20, 20, climate change, food energy competition

Da ricordare: diversi aspetti della sostenibilità di progetti di cui tenere conto.


sustainability framework: the opticMICRO

focus on issues and search for solutions

inside/along with a supply chain

MACROfocus on issues and search for

solutionsoutside a supply chain

outcomes and optimization of GHGs, waterfootprint, atmosferic emissions (CO, PM10, NOX), revenues, employment

indirect effetcs: ILUC, market distortions, food-energy competion, indirect risks and losses, diversification, volatility


biomass supply chain analysis

GHGs NOx N in soilimpacts (costs) water, subsidies

revenues (benefits)

kWh €, employment, energy security

efficiencycrops efficiency, plant efficiency, energy efficiency, chain efficiency

MICRO MACRO


biomass supply chain: biorefinery view

impacts (costs) efficiencyrevenues (benefits)

multiple products

multiple sources

multiple and optional pathways

E.g.: biogas from a blend of manure and corn

E.g.: power, heat, digestate

E.g.: bioplastic from beet molasses


The benchmark concept

reference chain(fossil fuel chain)

impacts (costs) efficiencyrevenues (benefits)

A

B

C

biogas supply chain

palm oil supply chain


summing up• impacts are distributed along the supply chain• a sound development should be smart, sustainable and inclusive; this is the reference line• different impacts arise at higher scales; consider micro and macro scales• the supply chain concept entails a Boolean algebra (AND, OR) with respect to possible routes• use benchmarks with petrolchemical route or some fossil derived element


sustainability assessment classification map

supply chain

plant

global

topical

blueprints/guidelines e.g.: GBEPcertification schemes e.g.: RSB

methods e.g.: LCA; system design

certification schemes e.g.: ISO 16001, ISO14064 (carbon footprint), ISO13065(GHGs savings), FSC, etc..methods e.g.: emergy, EROEI, waterfootprint, GHGs savings

certification

regulatory framework: e.g.: air standards, authorizations

site

product e.g.: UNI EN 14961-1 solid fuels

e.g.: EMAS, ISO 14001, 26000firm e.g.: GRI

blueprints/guidelines e.g.: BREF BAT

plant e.g.: UNI 14961 biogas plants

regulatory frameworks e.g.: RED


Bioenergy and Food Security Criteria and Indicators project

FAO’s Bioenergy and Food Security (BEFS) project has developed an Analytical Framework and a set of tools that can help policy-makers making informed decisions regarding modern bioenergy development


http://www.fao.org/bioenergy/61278/en/

http://www.fao.org/bioenergy/61278/en/

REGULATORY FRAMEWORKS

Biofuels Life Cycle Assessment Ordinance (BLCAO) - Swiss Confederation Biomass Sustainability Order (BioNachV) - Germany EU Renewable Energy Directive (RED) - Europe Low Carbon Fuel Standard (LCFS) - State of California, USA Regulation of Fuels and Fuel Additives (RFS2) - USA Renewable Transport Fuel Obligation (RTFO) - UK Social Fuel Seal - Brazil Testing Framework for Sustainable Biomass ("Cramer Criteria") - The Netherlands


http://www.fao.org/bioenergy/28190-01db4fcd51560954e617923620b75c5e7.pdf




http://www.fao.org/bioenergy/28163-05c291806bffde6ef3ff417cd7a89d37d.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28163-05c291806bffde6ef3ff417cd7a89d37d.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28165-084913890776616f34a769f9b6947658b.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28165-084913890776616f34a769f9b6947658b.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28166-0875f073cf34442758e99e61d688c8fe2.pdf




http://www.fao.org/bioenergy/28187-0d497fe73a1982ee6011d68c294f34bf7.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28187-0d497fe73a1982ee6011d68c294f34bf7.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28168-0648043c16965e70bc0ce02a2d82edde7.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28168-0648043c16965e70bc0ce02a2d82edde7.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28169-0e43e251b40f8a11f969f6a24d1383ef8.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28169-0e43e251b40f8a11f969f6a24d1383ef8.pdf

http://www.fao.org/bioenergy/28170-0e9a9473c039263df3ff712117220f6e6.pdf




VOLUNTARY STANDARDS/BLUEPRINTSBonsucro EU (Roundtable initiative for sugarcane based biofuels, focus on Brazil)Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO)Roundtable on Responsible Soy (RTRS): Roundtable initiative for soy based biofuels, focus on Argentina and BrazilRoundtable on Sustainable Biofuels (RSB): roundtable initiative covering all types of biofuels

Greenergy (Industry scheme for Greenergy covering sugar cane ethanol from Brazil)International Sustainability & Carbon Certification (ISCC):ISCC German (government financed) scheme covering all types of biofuels2BSvs: French industry scheme covering all types of biofuels RSBA (Industry scheme for Abengoa covering their supply chain), Forest Stewardship Council (FSC),

Council on Sustainable Biomass Production (CSBP), Green Gold Label 2: Agriculture Source Criteria (GGLS2), Nordic Ecolabelling of Fuels, Basel Criteria for Responsible Soy Production, SEKAB Verified Sustainable Ethanol Initiative Sustainable Biodiesel Alliance (SBA)

EU

acc

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hem

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http://www.fao.org/bioenergy/28182-06df53d41e941753b087e3c2db1d6254d.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28180-0827ebfc9bfa4f6396d24bb420a8c206c.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28181-06f2c1188624d95fcf3e95e0805d34f3e.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28179-0ccfd13c2115a3186927e5c51f0a8147e.pdf






http://www.fao.org/bioenergy/28185-0c80b63a4db091a00b2e1cb187f714e73.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28177-0f93a4e607f4d4b52e3b3d3dd56cb82eb.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28186-0c44e81b3d9e64b362c71cbf4ad501ff6.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28174-0162386c6873e9e54876bec101b20dabf.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28183-0d14e0dfd8b87a5c5be0043d4efb29c48.pdf




http://www.fao.org/bioenergy/28184-0caf3cbb782a7f3e561afe623b911ed76.pdf


http://www.fao.org/bioenergy/28178-0113cfa7c8acba716901b6cefedfe030.pdf


VOLUNTARY STANDARDS/BLUEPRINTSBonsucro EU (Roundtable initiative for sugarcane based biofuels, focus on Brazil)Roundtable on Sustainable Palm Oil (RSPO)Roundtable on Responsible Soy (RTRS): Roundtable initiative for soy based biofuels, focus on Argentina and BrazilRoundtable on Sustainable Biofuels (RSB): roundtable initiative covering all types of biofuels

Greenergy (Industry scheme for Greenergy covering sugar cane ethanol from Brazil)International Sustainability & Carbon Certification (ISCC):ISCC German (government financed) scheme covering all types of biofuels2BSvs: French industry scheme covering all types of biofuels RSBA (Industry scheme for Abengoa covering their supply chain), Forest Stewardship Council (FSC),

Council on Sustainable Biomass Production (CSBP), Green Gold Label 2: Agriculture Source Criteria (GGLS2), Nordic Ecolabelling of Fuels, Basel Criteria for Responsible Soy Production, SEKAB Verified Sustainable Ethanol Initiative Sustainable Biodiesel Alliance (SBA)

EU

acc

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LAST UPDATE: 01.02.2010

Sustainability Aspects/Issues Addressed under the Initiatives Reviewed

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1. ENVIRONMENTAL1.1 Land-use changes (both direct and indirect)1.2 Biodiversity and ecosystem services1.3 Productive capacity of land 1.4 Crop management and agrochemical use1.5 Water availability and quality1.6 GHG emissions1.7 Air quality1.8 Waste management1.9 Environmental sustainability (cross-cutting)2. SOCIO-ECONOMIC 2.1 Land tenure/access and displacement 2.2 Rural and social development2.3 Access to water and other natural resources2.4 Employment, wages and labor conditions2.5 Human health and safety2.6 Energy security and access2.7 Good management practices and continuous improvement2.8 Social sustainability (cross-cutting)3. GOVERNANCE3.1 Compliance3.2 Participation and transparency4. FOOD SECURITY4.1 Food availability4.2 Food access4.3 Food utilization4.4 Food stability4.5 Food security (cross-cutting)


EU sustainability schemes

European Union principles: Commissioner for Energy Günther Oettinger said: "We need to make sure that the entire biofuels' production and supply chain is sustainable. This is why we have set the highest sustainability standards in the world. The schemes recognised on the EU level today are a good example of a transparent and reliable system which ensures that these high standards are met."

In order to receive government support or count towards mandatory national renewable energy targets, biofuels used in the EU, whether locally produced or imported, have to comply with sustainability criteria.


FSC

Il marchio FSC ® identifica i prodotti contenenti legno proveniente da foreste gestite in maniera corretta e responsabile secondo rigorosi standard ambientali, sociali ed economici. La foresta di origine è stata controllata e valutata in maniera indipendente in conformità a questi standard (principi e criteri di buona gestione forestale), stabiliti ed approvati dal Forest Stewardship Council ® a.c. tramite la partecipazione ed il consenso delle parti interessate.

23


FSC - contrasto al cambiamento

24


FSC

25

50% uso industrialesopratutto conifere: problema monospecificitàspecie esotiche, impatti su acqua, suolo, aria, fauna, impatti sociali....


FSC - come funziona

26


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FSC - garantire la tracciabilità


Filiere basate su biomasse ed energie rinnovabili: valutazione di sostenibilità ed elementi di gestione

II PARTE


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I PARTE

★ definizioni: supply/value chain bio-carburante/combustibile biomassa

★ definizione del problema della sostenibilità di filiere (“value chain”) basate sulla biomassa

★ principi generali di valutazione di una filiera basata sulle biomasse (micro-macro, bioraffineria, blue-economy, benchmark)

★ mappa degli strumenti di valutazione di filiere ed impianti: legislazione, linee guida, standard di certificazione

★ esempio di uno schema per la certificazione di una filiera (FSC)

II PARTE

★ conoscenza direttiva 2009/28/CE (RED)

★ il risparmio di gas serra attraverso il metodo della Direttiva RED: esercitazione in aula attraverso il foglio di calcolo - progetto Biograce


Direttiva RED n.28 23 Aprile 2009(Renewable Energy Directive) ‏

Corso di Laurea Magistrale in: SCIENZE PER L'AMBIENTE

Obiettivo: almeno 20% di utilizzo di energia da fonti rinnovabili entro il 2020 (Italia 17%, valore previsto nel Piano di azione nazionale per l'energia da fonti rinnovabili) e criteri di sostenibilità;

Art 17: Risparmio emissioni GHG (CO2, CH4, N2O) rispetto combustibile fossile di riferimento* almeno:

– 35% 1 /01 2012 (o 1 Aprile 2013 per impianti già in servizio al 23 Gennaio 2008) ‏

– 60% per impianti in servizio dal 5 ottobre 2015

Produzione in terreni non ad elevata biodiversità o alto stock di carbonio (riferimento Gennaio 2008) → per evitare LUC

* per combustibile fossile di riferimento di intende l'ultimo valore disponibile per le emissioni medie reali della parte fossile della benzina e del gasolio consumati nella CE. Per bioliquidi usati per produrre elettricità il valore è 91 gCO2eq/MJolio.


EB= eec + el + ep + etd + eu – esca – eccs – eccr – eeeeec = emissioni

da estrazione e coltivazione materie prime

esca = riduzione

emissioni da gestione agricola

eu = Emissioni

dall'usoetd = Emissioni

da trasporto e distribuzione

ep = Emissioni

da lavorazione materie prime

el = emissioni

da LUC

E = totale emissioni

eee = riduzione

emissioni da elettricità per cogenerazione

eccr = riduzione

emissioni sostituz carbonio

eccs = riduzione

emissioni cattura geol carbonio

Direttiva RED 2009/28/CE

RIDUZIONE = (EF – EB) /EFEB = emissioni derivanti del biocombustibile

EF = emissioni derivanti del combustibile fossile di riferimento


1 Green House Gases - Savings

It calculates the GHG emission from the start of the chain (agricultural production) until to (excluded) the conversion process (combustion for electricity and/or heat). The total GHG emission (EB) is compared to a fossil reference chain (EF), and expressed as a reduction percentage. Biograce methodology. According to 2009/28/EC “RED”

DIRECT USES: cultivation, extraction, transport, storage, ecc. land use change

SAVING = (EF – EB)/EF


Criterio 1: bilancio di Gas Serra

Introdotto dalla Dir. 2009/28 e applicato in Italia attraverso il “Decreto Rinnovabili” del 3 marzo 2011, si applica a biocarburanti e bioliquidi RISPARMIO GAS SERRA= (EF – EB)/EFEB = totale delle emissioni derivanti dal biocarburante o altro bioliquido; e

EF = totale delle emissioni derivanti dal carburante fossile di riferimento.EB = eec + el + ep + etd + eu – esca – eccs – eccr – eee E = il totale delle emissioni derivanti dall’uso del carburante; eec = le emissioni derivanti dall’estrazione o dalla coltivazione delle materie prime; el = le emissioni annualizzate risultanti da modifiche degli stock di carbonio a seguito del cambiamento della destinazione dei terreni; ep = le emissioni derivanti dalla lavorazione; etd= le emissioni derivanti dal trasporto e alla distribuzione; eu = le emissioni derivanti dal carburante al momento dell’uso; esca = la riduzione delle emissioni grazie all’accumulo di carbonio nel suolo mediante una migliore gestione agricola; eccs = la riduzione di emissioni grazie alla cattura e allo stoccaggio geologico del carbonio; eccr = la riduzione delle emissioni grazie alla cattura e alla sostituzione del carbonio; e eee= la riduzione di emissioni grazie all’elettricità eccedentaria prodotta dalla cogenerazione. EF = 83 gCO2eq/MJ per carb.nte fossile sostituito da biofuel e biometanoEF = 91 gCO2eq/MJ per carb.nte fossile sostituito da bioliquidi (olio di palma, colza, girasole, usato tal quale)


estrazione trasporto raff.onedistrib.one

conversione(efficienza)

8g CO2eq/MJ impronta del fuel fino a qui

60+8=68g CO2eq/MJ impronta del fuel fino a qui

emissioni60g CO2eq/MJ impronta del fuel

fino a qui

1,5 0,5

100MJ 100MJ 60MJ 25MJ

elettricità

Risparmio di Gas Serra: caso combustibili fossili (metano)

6

La misura si fa fino a qui


36

crop collection washing engine electricity

53 g CO2eq/MJ CPO carbonfootprint - calculation is here

14 33

30 Energy: GJFFB ha/yr

5

15

transport

1

15 15

GHG saving:(91-53)/91=41%

Palm oil GHG balance Worst case

GHGs: g CO2eq/MJ

47 g CO2eq/MJ CPO carbonfootprint - calculation is here


Conoscenza RED 2009/28/CE- art. 1 - art. 2 alcune definizioni- art. 17 Criteri di sostenibilità per biocarburanti e i bioliquidi - art. 19 Calcolo dell’impatto dei gas a effetto serra dei biocarburanti e dei bioliquidi- Dir. 2015/1513 “ILUC”


1) Identificazione delle fasi principali1.1 Identificare le fasi principali della filiera e i confini del sistema.1.2 Punti critici e punti presi in considerazione della RED- land use change?- wastes or agricultural residual?- improved agricultural management?- N2O special calculation?- emissioni secondarie (es. motore, suolo, fermentazione, ecc.) - cogenerazione ?- carbon capture and replacement?- nuovi processi e processi speciali?


Esercitazione in aulaRappresentare, al meglio delle vostre conoscenze, la filiera relativa alla produzione di biometano ottenuto da mais- fasi principali- confini del sistema- punti critici


2 Processo di calcolo2.1 inventario per ogni fase- attività in input che generano emissioni (es. uso di elettricità o carburante fossile) - attività “endogene” che generano emissioni localmente (es. emissioni di ossido di azoto dal suolo, fermentazione dovuta a non idoneo stoccaggio) - attività in output che possono essere considerate come energia o sostititutive di processi energetici (calore, vapore, fertilizzanti ecc.)


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