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Per un Agricoltura Carbon Negative
intensificazione ecologica delle produzioni primarie incremento del carbonio nei suoli
CIO2 ECO-FUTURO
Padova 18 Luglio 2018
Stefano Bozzetto Claudio Fabbri
Giustino Mezzalira
Benvenuti nell’Antropocene Paul J. Crutzen, vincitore del premio Nobel per la chimica dell'atmosfera nel 1995
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https://scripps.ucsd.edu/programs/keelingcurve/
I sistemi naturali di rimozione della CO2
30%11.2 GtCO2/yr
Fate of anthropogenic CO2 emissions (2007–2016)
Source: CDIAC; NOAA-ESRL; Houghton and Nassikas 2017; Hansis et al 2015; Le Quéré et al 2017; Global Carbon Budget 2017
23%8.7 GtCO2/yr
34.3 GtCO2/yr
88%
12%4.9 GtCO2/yr
17.3 GtCO2/yr
47%
Sources = Sinks
6%2.1 GtCO2/yr
Budget Imbalance: (the difference between estimated sources & sinks)
• I carbon sink naturali hanno contenuto la quantità di CO2 fossile che è finita in atmosfera
• NB : • La CO2 permane
nell’atmosfera per secoli e anche di più se non viene rimossa mediante cicli naturali
• Il solo sink naturale dove la CO2 non fa male è nelle piante e nel suolo agricolo ( e nei processi di carbonatazione, che peraltro sono molto più lenti)
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L’urgenza del problema
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Dopo il Protocollo di kyoto 1997 le emissioni sono cresciute di intensità anno per anno , ora stanno rallentando , ma nel 2017 sono riprese a crescere
In Autunno 2018 è atteso #1.5C IPCC report Il tema del carbon budget
From Targets to Action: Rolling up our Sleeves after Paris
Brigitte Knopf,* Sabine Fuss, Gerrit Hansen, Felix Creutzig, Jan Minx,and Ottmar Edenhofer
https://onlinelibrary.wiley.com/doi/full/10.1002/gch2.201600007
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È necessario quindi sviluppare SIMULTANEAMENTE soluzioni di mitigazione e di carbon removal
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• Blu : MITIGATION , cioè tecnologie come sole e vento , etc. che sono carbon NEUTRAL
• Celeste : carbon REMOVAL , altrimenti dette negative emissions technologies che sottraggono CO2 dall’atmosfera
Le tecnologie per il carbon removal (C negative)
http://iopscience.iop.org/article/10.1088/1748-9326/aabf9b/pdf
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La biogas refinery una piattaforma agro-industriale per il carbon removal
La biogas refinery è una piattaforma agroindustriale non solo per produrre cibo e energia in modo sostenibile ,
ma anche per promuovere le tecnologie del carbon removal sia naturali che industriali
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La biogas refinery un impianto a biogas connesso a due reti
Natural gas grid
BIOGAS REFINERY SCHEME : ON SITE AND CENTRALIZED PRODUCTION SCHEME VIA NG GRID
Electricity grid
Biomass input
ADplant
Digestate processing
Liquid fertilizer
Solid fertilizer
Raw biogas
Fuel cell
CHP
Waste heat
Waste heat
ELECTROLYZER
PV Off grid
POWER TO CH4
UPGRADING CH4 >98%
CH4 >98%
LNG
ON SITE PRODUCTION steam reformingor biotechconversion
Methanol Fuel blend
DME (diesel like)
CENTRALIZED PRODUCTION
Methanol to olefins (plastic)Methanol
Combined cycle power generation
CHP
H2
O2
Nutrientsciclying
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Le tecnologie della biogas refinery per il carbon reuse e carbon removal
• Carbon reuse pathways • Biomethane • Power to methane via biogas CO2 methanation • Biomethane to plastic • CO2 to methanol • Methanol to olefine to plastic • biochar for materials • Digestate as fertilizers • Raw biogas CO2 to materials (carbonati , silicati, ecc. )
• Carbon sequestration pathways • Sistemi naturali
• Soil carbon sequestration • Biochar in the soil • Afforestation
• Sistemi industriali • Geological sequestration via
• Biomethane power generation carbon capture
• Biomethane steam reforming carbon capture
• Weatherization
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La biogas refinery può essere intesa come un appendiabiti di soluzioni tecnologiche anche tra loro distanti , che insieme
considerano sia sistemi naturali che industriali di carbon removal
Per un agricoltura carbon negative
• Oggi l’agricoltura e le foreste sono responsabili del 12% di emissioni di gas serra
• Non solo dobbiamo compensare ridurre o compensare queste emissioni
• Ma dobbiamo trasformare l’agricoltura in un sistema carbon negative • Aumentando la produttività
primaria , la fotosintesi «biosphere recarbonization»
• Sviluppando i carbon sink naturali degli agroecosistemi , in particolare il suolo agricolo
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4 pour 1000
• Il CIB ha aderito sin da Parigi all’iniziativa Francese del #4pour1000
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Soil Organic Carbon management
Braunschweig, maggio 2018
Soil organic matter in agriculture Symposium E’ stato sottolineato che:
Lo stoccaggio di SO nel suolo è soprattutto incrementato dall’aumento degli input di SO (residui e radici) attraverso pratiche che stimolano la fotosintesi e la produttività, piuttosto che dalla riduzione degli output (minore mineralizzazione della sostanza organica)
Braunschweig, maggio 2018
Il contributo della parte ipogea ha grande importanza
L’effetto di saturazione su lungo termine dovuto a crescenti input di Carbonio NON è così evidente, anche in esperimenti di lunga durata
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Il modello Biogasdoneright™
1. Produzione foraggi, cibo ed energia;
2. Copertura dei terreni tutto l’anno
3. Efficiente riciclo della sostanza organica e dei nutrienti
4. Mitigazione emissioni GHG della zootecnia
5. Pratiche agronomiche di tipo conservativo
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I punti essenziali del modello BDR
• Gli agricoltori continuano a produrre cibo e alimenti tradizionali e anche a coltivare materie prime aggiuntive per produrre biocarburanti attraverso la digestione anaerobica in azienda
• Non esiste il conflitto “food versus fuel’’ e non esiste il meccanismo iLUC perché la produzione alimentare continua come prima;
• Viene prodotto carbonio addizionale e parte di questo viene riciclato (come digestato) e sequestrato nel terreno in forme altamente stabili;
• La conversione di sostanza organica in biogas è compensata dalla minore degradazione del carbonio dopo l'applicazione sul campo del digestato e dal carbonio aggiuntivo prodotto dal secondo raccolto, in parte riciclato come digestato
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Agricoltura Convenzionale • Bovini da latte, produzioni vegetali per foraggi e cibo
• Seminativi, una coltura per anno (principalmente mais)
• Fertilizzazione basata su liquami e concimi minerali
Copertura del suolo 6 mesi per anno
Produzione totale parte epigea circa 23 t SS/ha/anno (granella 13 t/ha)
Irrigazione: necessaria
Erbicidi: necessari
Lavorazione del suolo: aratura + lavorazioni secondarie
Livello di sostanza organica nel suolo: stabile o leggermente in calo
Jan Dec
Sowing
Grain harvest
Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov
Irrigation
Silage harvestEx. Maize
Slurry application
Slurry application
Mineral fertilizer application
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BiogasDoneRight®
Jan Dec
Sowing maize
Maize harvest
Feb Mar Apr May Jun Jul Aug Sep Oct Nov
Irrigation
Sowing winter cereal
Silage harvest
Ex. Maize + winter cereal
• Bovini da latte, produzioni vegetali per foraggi, cibo, energia
• Seminativi, due colture per anno (diverse colture)
• Fertilizzazione basata su digestato
Copertura del suolo 12 mesi per anno
Produzione totale parte epigea circa 30 t SS/ha/anno (mais 18 + triticale 12)
Irrigazione: necessaria
Erbicidi: ridotti (soprattutto se la successione delle lavorazioni è veloce)
Lavorazione del suolo: ridotta
Livello di sostanza organica nel suolo: in crescita
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Macchine per la meccanizzazione dei doppi raccolti
Raccolta foraggi
Applicazione immediata digestato con macchine multifunzione
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Macchine innovative per ridurre i tempi di lavorazione
Lavorazione a bande, semina e distribuzione del digestato con interramento, in una unica operazione
Digestato liquido
Serbatoio seme
Lavorazione a bande distribuzione del digestato
Sistema GPS
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Utilizzo del digestato ad alta efficienza Semina del mais appena dopo la raccolta della coltura vernina
Seme del mais nello strato superficiale
Iniezione diretta del digestato in
profondità
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Sistemi colturali e copertura del terreno
Az. Palazzetto Circa l’81% dei terreni è stato coperto tutto l’anno, con un controllo delle infestanti molto elevato (minore utilizzo di erbicidi)
Raccolta della coltura estiva. Tutti i campi sono in attesa della semina
delle colture invernali, a parte 12 ha di medica
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Carbonio organico nel suolo
Per quantificare la variazione del tenore di C org nel suolo è stato utilizzato un approccio basato sul bilancio di massa: le misurazioni sul campo della sostanza organica del suolo mostrano un aumento annuale di C org nell’intervallo 0,5 - 1,0 t C ha-1 nei primi dieci anni di applicazione BDR, a seconda di varie condizioni, cioè più di 10 ‰ all'anno
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Il BiogasDoneRight in pillole • Rispetto all'agricoltura convenzionale Biogasdoneright® è un nuovo
concetto per massimizzare la produzione di ST e riutilizzare SO (alta qualità) allo stesso tempo, oltre ad efficientare gli elementi minerali (NPK);
• BDR è un modo per sviluppare un’agricoltura sostenibile in grado di aumentare lo stock di Corg del suolo e di ridurre l'impronta di carbonio dei prodotti agricoli
• BDR è un modello «work in progress» basato su una vera esperienza agricola
• Sono necessari ulteriori studi per migliorare le conoscenze per un'applicazione sostenibile in diverse aree e ambienti
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Biosphere recarbonization Il contributo dell’agroforesteria Dal piano orizzontale a quello verticale : aumentiamo l’attività fotosintetica e la funzionalità biologica dei nostri agroecosistemi con gli alberi
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L’agroselvicoltura è la pratica di gestione di sistemi che integrano la coltivazione di specie legnose (alberi o arbusti) con altre colture agrarie e/o l’allevamento di animali, al fine di massimizzare i benefici economici ed ambientali ottenibili dalle interazioni di queste diverse componenti.
Cosa sono i sistemi agroforestali
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Negli ultimi anni in Europa c’è stato un grande fermento che ha portato tra l’altro alla nascita di EURAF (www.euraf.eu)
La riscoperta dei sistemi agroforestali
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I sistemi agroforestali possono dare un’ulteriore contributo al sequestro di carbonio nel suolo:
• apparati radicali • biomassa epigea
La biomassa epigea può avere due diverse destinazioni:
• legname da lavoro (stoccaggio nei manufatti) • ramaglie: biochar o legno frammentato interrati nel suolo
Sistemi agroforestali e carbonio
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Cosa possiamo fare con gli alberi in un azienda agricola assieme ad un digestore ? • Ibridizzazione dei processi
biochimico e termochimico • Produzione di carbonella (TLR 8-9) • L’utilizzo del calore per la
produzione di fertilizzanti organici (TLR 9-10)
• Metanazione del syngas (TLR 4-5)
• Il biochar e il digestato sono quindi due alleati per migliorare l’indice di umificazione degli apporti di sostanza organica al terreno
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Biosphere recarbonization quali altri sistemi oltre alle doppie colture abbiamo per catturare attraverso la fotosintesi carbonio addizionale senza ridurre la disponibilità di cibo e foraggi ?
Le piante a ciclo CAM
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Piante CAM (Crassulacean acid metabolism)
Perché siamo interessati alle piante CAM?
• Alta produzione anche in climi semiaridi • Plurima destinazione : food, feed, fuel,
nutraceutica • Coltura perennante = costi di coltivazione
minimi • Alto potenziale di produzione di metano
e di UF CIB_CIO2 ECOFUTURO 2018 33
Abbiamo le potenzialità per migliorare la conoscenza
• Cosa stiamo studiando
- Costi di riproduzione della pianta
- Produzione in diverse condizioni climatiche
- Meccanizzazione della raccolta
- Integrazione nel processo di produzione con altre biomasse territoriali
Siti dimostrativi attivi
- Sicilia (clima Mediterraneo)
- Kenia (clima Africano)
- Centro e sud America
Centro di riproduzione meristematica a San Cono (Sicilia)
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Le potenzialità produttive di Opuntia foraggera Le prime prove in Sicilia
• Elevata risposta alle potenzialità irrigue e di fertilizzazione
• Opportunità di ripristino di terreni marginali
• Oltre 5 milioni di ettari già coltivati nel mondo
• Destinazione: • foraggera • nutraceutica • energetica
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0
2
4
6
8
10
12
6-mar 25-apr 14-giu 3-ago 22-set 11-nov 31-dic 19-feb 10-apr
Pro
du
zio
ne
tal
qu
ale
(kg
/pia
nta
) Potenziale produttivo fino a 8.000 m3 CH4/ha.a
Potenziale produttivo fino a 40-50 t ST/ha
IL MANIFESTO DI MELETI
• Agricoltori e ambientalisti • Continuare a dialogare , a
sperimentare , a correggersi , a migliorare
• Governo – ministero ambiente e agricoltura • Sollecitare il governo italiano ad
aderire all’iniziativa 4pour1000 • ed a sviluppare politiche concrete
per la risorsa suolo , la riforestazione, lo sviluppo del biogasdoneright in agricoltura
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Due proposte di buon senso Prima di stoccare la CIO2…vediamo di non estrarla
• Tassa carbonio (50€/ton C) per utilizzo TORBA • Valorizzazione del digestato e del
biochar
• Tassa carbonio ESTRAZIONE MINERARIA CO2 (50€/ton CO2) • 1.100.000 Nmc di biometano
corrispondono a circa 1.700.000 ton di CO2 , che sono in grado ampiamente di soddisfare il mercato italiano di CO2
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Oltre il dibattito sull’ annex IX della RED 2 La riforma della PAC post 2020 • E’ necessario continuare la riflessione sul
miglioramento dell’annex IX • Una maggiore internazionalizzazione del
concetto del biogas done right • Oltre il concetto di biocarburante avanzato per
un agricoltura e agroforesteria fatta bene • Agroecologia e Agroforesteria per la produzione
di carbonio addizionale e l’utilizzo dei sistemi naturali di sequestro del carbonio
• E’ auspicabile una maggiore cooperazione sul piano dello sviluppo delle tecniche agronomiche tra operatori del biogas fatto bene, agricoltura biologica e agricoltura conservativa
• L’appuntamento «politico» principale del 2019 è la revisione della PAC
• Una importante opportunità per promuovere i temi di un agricoltura carbon negative
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La SEN ed il decreto FER Recuperare il significato delle bioenergie e sviluppare il valore dell’integrazione tra reti
Le biomasse nella SEN
Rete gas e Rete elettrica devono cooperare
• Per limitare i costi infrastrutturali di grandi reti elettriche che se realizzate dovrebbero attraversare le regioni del rinascimento italiano,
• Possiamo sfruttarela rete del gas che è sotterranea ( no inquinamento paesaggistico) attraverso sistemi power to gas di stoccaggio delle eccedenze di produzione al Sud di sole e vento
• I gasdotti sono una infrastruttura esistente; la loro capacità di trasporto e stoccaggio è possibile a costi irrisori rispetto soluzioni che non integrano le due reti
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«i benefici di sistema della cogenerazione a biometano» G.Angius SNAM 2018
The gas grid : a Carbon Negative infrastructure The renewable gas ultimate value proposition
• Mentre la rete elettrica ha la possibilità di divenire carbon neutral se prodotta con elettroni non a base carbonica,
• La rete gas invece veicolando GAS RINNOVABILE prodotto con carbonio biogenico possiede la capacità di divenire carbon negative connettendo lungo la sua rete • Sistemi naturali di carbon removal come la forestazione e lo stoccaggio del
carbonio nel suoli agricoli • Sistemi tecnologici di carbon reuse
• Biomasse nel costruito • Bioplastiche • Biochemicals
• Sistemi geologici di sequestro della CO2
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