COMBUSTIONE BIOCARBURANTI

POLITECNICO DI MILANODIPARTIMENTO DI INGEGNERIA IDRAULICA, AMBIENTALE, INFRASTRUTTURE VIARIE, RILEVAMENTO Sezione Ambientale

Fondazione Lombardia per L'ambiente PROGETTO KYOTO LINEA SCENARI E POLITICHE

Politiche tecnologiche dirette: BiocombustibiliResponsabili della ricerca: Prof. Michele Giugliano Data Luglio 2008 REDATTO SEZIONE AMBIENTALE APPROVATO Relazione n 646.8002.70.51

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POLITECNICO DI MILANODIPARTIMENTO DI INGEGNERIA IDRAULICA, AMBIENTALE, INFRASTRUTTURE VIARIE, RILEVAMENTO Sezione Ambientale

PROGETTO KYOTO LINEA SCENARI E POLITICHE POLITICHE TECNOLOGICHE DIRETTE: BIOCOMBUSTIBILI

Sintesi tecnica Relazione dellunit operativa

Luglio 2008

Autori Michele Giugliano, Stefano Caserini, Costanza Scacchi

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Politecnico di Milano, DIIAR Sez. Ambientale - Progetto Kyoto, U.O SP2 Biocombustibili

INDICEINDICE ________________________________________________________________________ i SINTESI TECNICA ____________________________________________________________ I 1 CARATTERISTICHE E DIFFUSIONE DEI BIOCARBURANTI_____________________ 11.1 CARATTERISTICHE DEI BIOCARBURANTI _________________________________________ 11.1.1 Biodiesel_____________________________________________________________________________ 1 1.1.2 Bioetanolo e bio-etbe ___________________________________________________________________ 3 1.1.3 Oli vegetali puri _______________________________________________________________________ 6

1.2 NORMATIVA EUROPEA E ITALIANA ______________________________________________ 7 1.3 PRODUZIONE E DIFFUSIONE DEI BIOCARBURANTI IN EUROPA ______________________ 7 1.4 PRODUZIONE E DIFFUSIONE DEI BIOCARBURANTI IN ITALIA ______________________ 10

2 ANALISI DEL POTENZIALE CONFLITTO TRA INTERESSI SOCIO-AMBIENTALI E PRODUZIONE DEI BIOCARBURANTI __________________________________________ 132.1 POTENZIALIT E RISCHI LEGATI ALLA PRODUZIONE DI BIOCARBURANTI DI PRIMA GENERAZIONE ____________________________________________________________________ 132.1.1 Potenzialit dei biocarburanti di prima generazione __________________________________________ 14 2.1.2 Rischi legati alla produzione e al consumo dei biocarburanti di prima generazione __________________ 14

2.2 CAMBIO DI DESTINAZIONE DUSO DEI TERRENI __________________________________ 15 2.3 SICUREZZA ALIMENTARE _______________________________________________________ 162.3.1 Analisi del mercato del frumento _________________________________________________________ 2.3.2 Analisi del mercato del mais ____________________________________________________________ 2.3.3 Analisi del mercato dei semi oleosi _______________________________________________________ 2.3.4 Analisi del mercato dello zucchero _______________________________________________________ 2.3.5 Conclusioni sulla questione sicurezza alimentare ____________________________________________ 17 17 17 18 18

2.4 STIMA DELLA POTENZIALE PRODUZIONE DI BIOCARBURANTI ____________________ 18

3. VALUTAZIONE DELLE EMISSIONI NELLA COMBUSTIONE DI BIOCARBURANTI IN VEICOLI PER AUTOTRAZIONE ____________________________________________ 22 3. VALUTAZIONE DELLE EMISSIONI NELLA COMBUSTIONE DI BIOCARBURANTI IN VEICOLI PER AUTOTRAZIONE ____________________________________________ 223.1 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI DI INQUINANTI REGOLATI DALLA COMBUSTIONE DI BIODIESEL ________________________________________________________________________ 22 3.2 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI DI INQUINANTI TOSSICI CON LA COMBUSTIONE DI BIODIESEL ________________________________________________________________________ 26 3.3 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI DI INQUINANTI REGOLATI DALLA COMBUSTIONE DI BIOETANOLO _____________________________________________________________________ 27 3.4 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI DI INQUINANTI TOSSICI CON LA COMBUSTIONE DI BIOETANOLO _____________________________________________________________________ 30 3.5 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI DI INQUINANTI REGOLATI DALLA COMBUSTIONE DI OLI VEGETALI ____________________________________________________________________ 30

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3.6 CONCLUSIONI __________________________________________________________________ 31

4 LANALISI DEL CICLO DI VITA: ASPETTI TEORICI __________________________ 334.1 INTRODUZIONE ________________________________________________________________ 33 4.2 DEFINIZIONE DI SCOPI E OBIETTIVI ______________________________________________ 34 4.3 ANALISI DELLINVENTARIO _____________________________________________________ 354.3.1 Definizione e raccolta dei dati ___________________________________________________________ 35 4.3.2 Assegnazione dei carichi ambientali ______________________________________________________ 36

4.4 VALUTAZIONE DELLIMPATTO DEL CICLO DI VITA _______________________________ 37 4.5 INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI ______________________________________________ 38

5 APPLICAZIONE DELLA LCA AL BIOETANOLO - DEFINIZIONE DI SCOPI E OBIETTIVI __________________________________________________________________ 395.1 SCOPI E OBIETTIVI _____________________________________________________________ 39 5.2 UNIT FUNZIONALE ____________________________________________________________ 40 5.3 PROCESSI STUDIATI ____________________________________________________________ 40 5.4 CONFINI DEL SISTEMA __________________________________________________________ 43 5.5 QUALIT DEI DATI _____________________________________________________________ 435.5.1 Econivent v1.1 _______________________________________________________________________ 44

5.6 DESCRIZIONE DEI PRODOTTI STUDIATI E QUANTIFICAZIONE DELLUNIT FUNZIONALE _____________________________________________________________________ 45

6. APPLICAZIONE DELLA LCA AL BIOETANOLO FASE DI INVENTARIO _______ 476.1 FASE DI PRODUZIONE AGRICOLA ________________________________________________ 476.1.1 Descrizione del processo di produzione agricola _____________________________________________ 47 6.1.2 Dati di inventario _____________________________________________________________________ 48

6.2 FASE DI PRODUZIONE DEL BIOETANOLO _________________________________________ 516.2.1 Descrizione del processo di produzione del bioetanolo ________________________________________ 52 6.2.2 Dati di inventario _____________________________________________________________________ 53

6.3 FASE DI PRODUZIONE DELLA BENZINA FOSSILE __________________________________ 54 6.4 FASE DI USO FINALE DEI COMBUSTIBILI _________________________________________ 556.4.1 Descrizione del processo di utilizzo finale dei combustibili ____________________________________ 55

6.4.2 Dati di inventario________________________________________________________________ 56 6.5 QUADRO RIASSUNTIVO DEI DATI UTILIZZATI NELLINVENTARIO __________________ 59

7 APPLICAZIONE DELLA LCA AL BIOETANOLO - VALUTAZIONE DEGLI IMPATTI E INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI ________________________________________ 617.1 METODOLOGIA DI VALUTAZIONE _______________________________________________ 617.1.1 Selezione delle categorie di impatto _______________________________________________________ 61 7.1.2 Classificazione e caratterizzazione ________________________________________________________ 61

7.2 RISULTATI DELLA VALUTAZIONE _______________________________________________ 627.2.1 Emissioni di gas serra __________________________________________________________________ 63 7.2.2 Uso di energia _______________________________________________________________________ 65

7.3 CONCLUSIONI __________________________________________________________________ 66 7.4 ANALISI FROM CRADLE TO GATE ______________________________________________ 677.4.1 Impatti dei singoli processi _____________________________________________________________ 68 7.4.2 Conclusioni dellanalisi from cradle to gate _______________________________________________ 69

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8 CONFRONTI E ANALISI DI SENSIBILIT _____________________________________ 708.1 BIOETANOLO: CONFRONTO CON ALTRI STUDI DI LCA ____________________________ 70 8.2 BIODIESEL: EMISSIONI DI GAS SERRA SECONDO LA LETTERATURA ________________ 72 8.3 ANALISI DI SENSIBILIT ________________________________________________________ 748.3.1 Analisi di sensibilit del consumo di carburante nelle miscele E5 ed E10__________________________ 8.3.2 Analisi di sensibilit delle emissioni di N2O in agricoltura _____________________________________ 8.3.3 Analisi di sensibilit del metodo di allocazione dei carichi ambientali ____________________________ 8.3.4 Analisi di sensibilit: quadro riassuntivo ___________________________________________________ 75 77 79 80

9 POTENZIALE DI PRODUZIONE DI BIOCARBURANTI IN LOMBARDIA E RIDUZIONE DEI GAS SERRA__________________________________________________ 839.1 LE PRODUZIONI AGROALIMENTARI IN LOMBARDIA ED IN ITALIA _________________ 83 9.2 METODOLOGIA DI STIMA _______________________________________________________ 85 9.3 SCENARI ANALIZZATI __________________________________________________________ 879.3.1 Scenario 1, potenziale massimo __________________________________________________________ 9.3.2 Scenario 2, potenziale sostenibile _______________________________________________________ 9.3.3 Scenario 3, potenziale minimo ___________________________________________________________ 9.3.4 Sommario degli scenari ________________________________________________________________ 87 87 88 88

9.4 POTENZIALE DI PRODUZIONE DI BIOCARBURANTI ________________________________ 89 9.5 STIMA DELLE POTENZIALI RIDUZIONI DI GAS SERRA _____________________________ 90 9.6 CONCLUSIONI __________________________________________________________________ 91

10. CONCLUSIONI ____________________________________________________________ 92 BIBLIOGRAFIA ______________________________________________________________ 94 APPENDICE 1 _______________________________________________________________ 105 APPENDICE 2 _______________________________________________________________ 113 APPENDICE 3 _______________________________________________________________ 119

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SINTESI TECNICAIntroduzione I biocarburanti sono prodotti derivati da biomassa di origine vegetale che, oltre a prestarsi alla produzione di calore ed energia elettrica, possono essere usati nei veicoli di autotrazione, sia puri che miscelati con i carburanti di origine fossile. Pur se numerosi sono i prodotti potenzialmente utilizzabili come biocarburanti secondo la Direttiva n 2003/30/CE (recepita dal D.Lgsl. 128/2005), quelli maggiormente prodotti e utilizzati su larga scala sono attualmente biodiesel, bioetanolo, bio-ETBE (etere etil ter-butilico) e oli vegetali puri. Il biodiesel prodotto a partire da piante e semi oleaginosi (colza, girasole, soia, palma e noce di cocco) da un trattamento di transesterificazione, che consiste nella sostituzione dei componenti alcolici dorigine (glicerolo) con alcool metilico (metanolo). Il biodiesel pu essere miscelato nei veicoli diesel tradizionali con il gasolio; la tolleranza del veicolo al biodiesel molto variabile, in funzione del tipo di motore, quindi delle sue caratteristiche specifiche e della sua anzianit; si preferisce rimanere al di sotto di percentuali di miscelazione con il diesel del 25-30%, onde evitare problemi di carattere tecnologico (intasamento degli iniettori, deterioramento di elastomeri, depositi in camera di combustione, corrosione nei serbatoi di stoccaggio, intasamento dei filtri). Il bioetanolo prodotto da colture zuccherine (canna da zucchero barbabietola da zucchero, mais, sorgo zuccherino, frumento, colture amidacee residui di coltivazioni agricole e lavorazioni forestali), tramite un processo di fermentazione alcolica, che attraverso la fermentazione del glucosio presente nella biomassa produce molecole di etanolo ed anidride carbonica. Il bioetanolo pu essere miscelato nei veicoli tradizionali con la benzina, fino al 10% in volume secondo

quanto proposto nel progetto di parere 2007/0019(COD), presentato il 12 luglio 2007, come modifica alla direttiva 98/70/CE.Nonostante questi limiti, alcuni studi dimostrano che il bioetanolo pu essere miscelato in percentuali pi alte, fino al 15%, in veicoli tradizionali senza modifiche e senza apportare effetti negativi significativi. Per utilizzare miscele di benzina e bioetanolo ad alte percentuali (tipicamente 85% 90% e 100%) sono necessari veicoli particolari, denominati FFVs (flexi fuel vehicles) che in molti paesi sono gi distribuiti su larga scala, sia per uso privato che nellambito del trasporto pubblico (Brasile, Svezia, USA, Francia, Germania). Limpiego in percentuali elevate di bioetanolo sui veicoli tradizionali pu provocare problemi di carattere tecnologico, quali difficolt di accensione a freddo e in fase di riscaldamento, corrosione delle componenti di gomma del motore, rischio in una miscela di etanolo-benzina di separazione delle fasi in presenza di acqua in fase liquida. Diffusione dei biocarburanti La Commissione Europea gi dal 2001 ha promosso lutilizzo di biocarburanti in Europa; nel 2003, con la Direttiva 2003/30/CE sono stati stabiliti obiettivi di utilizzo di biocarburanti per ogni stato membro. In Italia il recepimento della Direttiva, avvenuto con il D.Lgs 128/2005, poi aggiornato dal D.Lgs 2/2006, prevede la sostituzione, entro il 2010, del 5,75% di carburanti tradizionali con biocarburanti (i valori percentuali sono calcolati in termini energetici). Il Decreto Legislativo citato fissa un limite massimo del 5% di aggiunta di biodiesel nel gasolio per la libera distribuzione presso le stazioni di servizio della rete stradale e autostradale; le miscele con tenori di biodiesel pi elevati e biodiesel puro possono essere utilizzati solo su veicoli di flotte pubbliche o private, previa omologazione degli stessi. Pur se il decreto non fissa limiti per ladditivazione delle benzine con etanolo o con lETBE, si pu fare riferimento a quelli fissati dal D.L. 18/4/1994 n 280, che definisce i composti organici ossigenati ammissibili quali componenti e/o stabilizzanti di carburanti e, per ciascuno di essi, le percentuali massime di aggiunta (es. 5% in volume per letanolo e 15% per lETBE).

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I biocarburanti, che occupano ancora una quota molto bassa nel consumo totale del settore trasporti (1,5% nel 2005 in Europa), hanno registrato in Europa negli ultimi anni un forte aumento delle produzioni, cresciute dal 2004 al 2006, del 60% del 66% rispettivamente per bioetanolo e biodiesel. LUnione Europea ha infatti individuato come principali e pi praticabili filiere bioenergetiche a livello europeo il bioetanolo (prodotto da frumento, mais o barbabietola da zucchero) ed il biodiesel (da colza, soia o girasole). I quantitativi effettivamente utilizzati nel 2005 sono nettamente inferiori a quelli, mostrati in Tabella 1, che secondo un recente studio dellEuropean Environment Agency sarebbero producibili in modo ambientalmente sostenibile in Italia e in Europa.Tabella 1 Consumo di biocarburanti nel 2005 e quantit di bioenergia producibile in modo sostenibile secondo l'Agenzia Europea per lAmbiente

Anno consumo produzione sostenibile (EEA, 2007) 2005 2010 2020 2030

EU (25 paesi) PJOe 190 1.959 4.011 5.962

Italia 7 172 373 636

EU (25 paesi) KtOe 4.534 46.800 95.800 142.400

Italia 162 4.100 8.900 15.200

In termini di produzione, a livello mondiale la quota europea di bioetanolo rimane esigua a causa della mancanza delle materie prime necessarie, e il consumo di etanolo cresciuto in maniera pi rapida di quanto non abbia fatto la sua produzione, che pure ha, in Europa, un ben maggiore potenziale di produzione. Il consumo europeo di biodiesel e bioetanolo dipende attualmente dallimportazione da altri paesi che ne sono forti produttori, in particolare Brasile e Stati Uniti. In Italia, la quota di biocarburanti sul consumo totale nel settore dei trasporto (0,5%) stata nel 2005 inferiore a quella media Europea; sul lato della produzione, nel 2006 lItalia stata la terza produttrice europea di biodiesel (dopo Germania e Francia) e la sesta di bioetanolo (dopo Germania Spagna e Francia, Polonia e Svezia). Conflitti nella produzione dei biocarburanti La proposta di utilizzo di biocarburanti ha visto negli ultimi anni la crescita di un grande dibattito sulla relazione tra lo sviluppo della produzione di biocarburanti e le possibili conseguenze sul mercato delle materie prime alimentari. Il passaggio alluso di materie prime rinnovabili e naturali, decisione motivata dalla potenzialit di riduzione delle emissioni di gas serra, si rivela una scelta complessa che comporta la necessit di prendere in considerazione conseguenze diversificate e indirette, su scala mondiale. Secondo diversi autori il solo bilancio, in termini di riduzione delle emissioni di biossido di carbonio nella fase finale di combustione, non pu essere sufficiente a giustificane la produzione: devono essere tenuti in considerazione altri aspetti, quali il conflitto con lapprovvigionamento alimentare, il benessere rurale e lo sfruttamento del suolo, nonch le implicazioni potenziali sui prezzi delle materie prime. Anche dal punto di vista strettamente ambientale, va ricordato che i biocarburanti possono essere prodotti con percorsi (denominati filiere) molto diversi, pertanto valutare la capacit produttiva di bioenergia di un territorio significa stimare il potenziale di bioenergia ambientalmente compatibile, assumendo che non si verifichino pressioni aggiuntive insostenibili sulla biodiversit, sul suolo e sulle risorse idriche rispetto ad uno scenario di sviluppo senza utilizzo di bioenergia. I biocarburanti che portano maggiore conflittualit sono quelli definiti di prima generazione, in quanto derivano da materie prime normalmente destinate ad alimentazione animale e umana o ad altre produzioni industriali. I biocarburanti di seconda generazione invece hanno come materia prima lintera pianta e si producono a partire da biomasse differenti (es. sorgo, miscanto, canna comune, switchgrass); si tratta di graminacee caratterizzate da produttivit in termini di biomassa per ettaro molto pi alta di quelle tradizionali (mais, frumento, barbabietola e canna da zucchero) e da un rapido sviluppo verticale. Queste biomasse possono apportare maggiori benefici rispetto a quelle utilizzate per produrre i biocarburanti di prima generazione, in

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quanto permettono una maggior riduzione delle emissioni di gas serra, possono essere coltivate in terreni non adatti alle colture tradizionali, richiedono input di minore entit e presentano produzioni specifiche pi alte. A differenza dei biocarburanti di prima generazione, per, comportano altri aspetti problematici: le materie prime da cui provengono infatti non sono ancora coltivate su larga scala, molte sono tuttora in fase di sperimentazione, come del resto anche le tecnologie di trasformazione. Diversi studi prevedono la commercializzazione di questi biocarburanti solo tra circa un decennio. Problemi legati allo sviluppo dei biocarburanti di prima generazione Gli impatti ambientali dei biocarburanti di prima generazione possono essere tanto variabili quanto il loro potenziale di riduzione di gas serra: si tratta di impatti che dipendono largamente dalla localizzazione, dalla tecnica di coltura, dal metodo di trasformazione, dalla destinazione dei residui di lavorazione. opinione ormai riconosciuta nella letteratura del settore che la riduzione delle emissioni deve essere valutata caso per caso, sulla base di dati specifici delleffettiva filiera di produzione. A tuttoggi mancano dei chiari standard di sostenibilit per la produzione di biocarburanti, in grado di prevenire danni ambientali durante le fasi di coltivazione e produzione. Una possibile conseguenza indesiderata del crescente interesse del mercato per i nuovi biocarburanti la pressione sugli agricoltori ad applicare colture pi intensive, con un maggiore uso di fertilizzanti, pesticidi, prodotti chimici, e con un uso non attento di specie vegetali modificate. Uno dei fenomeni pi preoccupanti legati allo sviluppo dei biocarburanti comunque la possibilit di cambio di destinazione duso dei terreni, in grado di annullare completamente gli effetti positivi perseguiti. Ad esempio, la produzione di biodiesel da olio di palma, si basa principalmente su materie prime importate da Malesia e Indonesia, che negli anni dal 1967 al 2000 hanno aumentato la superficie destinata alla coltivazione di questa pianta da 2.000 km2 a ben 30.000 km2 (una superficie superiore alla Lombardia), tramite la deforestazione di ampie aree. La preoccupazione, forse oggi prevalente, legata alla sicurezza alimentare (food security) e al possibile aumento dei prezzi delle materie prime alimentari; in altre parole il pericolo la possibile dislocazione della produzione a fini energetici in habitat preziosi, in sostituzione a produzioni alimentari meno redditizie, o pi semplicemente, lutilizzo delle materie prime a scopi energetici anzich alimentari. La domanda di biocarburanti negli Stati Uniti e in Europa ha comportato laumento dei prezzi di diversi beni agricoli, esacerbando un trend di aumento gi in atto a causa della concomitanza di diversi fattori, quali scarsit dei raccolti, aumento demografico ed epidemie del bestiame. Stimare linfluenza che la produzione di biocarburanti pu avere sui prezzi delle materie prime molto complesso proprio a causa della quantit di fattori che influiscono sul processo di formazione del prezzo dei prodotti alimentari. Diversi sono gli studi che hanno mostrato come lincremento della richiesta dal settore dei biocarburanti porter ad un aumento del prezzo delle materie prime. Tuttavia, secondo diverse fonti la scala di questo cambiamento non sar drammatica, se comparata alla situazione attuale dei prezzi. Viceversa, leffetto stimato della crescita nelluso di biocarburanti sui prezzi della materia prima sembra essere limitato rispetto al recente aumento dei prezzi dei cereali. La crescente produzione di biocarburanti infatti solo uno dei tanti fattori che influenza il prezzo dei prodotti agricoli, legato anche alla crescita della domanda e anche alla speculazione finanziaria sui mercati dei prodotti agroalimentari; la quota di cereali prodotti destinati alla produzione di etanolo rimane comunque limitata, seppur in crescita. Potenzialit dei biocarburanti di prima generazione Ci sono comunque aspetti positivi anche nella produzione di biocarburanti di prima generazione: numerosi studi confermano la potenziale rilevanza dei biocarburanti per diminuire le emissioni di gas serra associate al trasporto stradale, ma rilevano, come detto, la necessit di analizzare caso per caso le potenzialit di sostituzione. I biocarburanti permettono inoltre di ridurre la dipendenza da fonti di approvvigionamento in via di esaurimento, contribuendo al raggiungimento dellobbiettivo di fuel secutity, anche se secondo diversi analisti il ruolo chiave per in questo contesto sar giocato dai biocarburanti di seconda generazione. Secondo alcuni studi, leconomia rurale potr trarre beneficio dallespansione del mercato dei biocarburanti, in quanto le nazioni in via di sviluppo potranno ricevere vantaggi dallaumento dei prezzi dei beni agricoli di cui sono esportatori, o dai meccanismi di supporto per la produzione. Va ricordato per che laumento dei prezzi delle materie prime potrebbe portare a problematiche di approvvigionamento, soprattutto nei paesi pi poveri. Secondo alcuni studi lo sviluppo delle colture energetiche allinterno del panorama agricolo esistente non apporterebbe cambiamenti sostanziali nellattuale politica agraria comunitaria, anzi costituirebbero unoccasione per promuovere lo sviluppo rurale ed evitare labbandono di aree incolte.

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Emissioni dalla combustione di biocarburanti in veicoli per autotrazione Le emissioni in atmosfera derivanti dalla combustione di biocarburanti nei veicoli per autotrazione, utilizzati in miscela con i carburanti tradizionali, sono state oggetto di diversi studi. Il confronto con le emissioni dei veicoli con carburanti tradizionali di grande interesse per valutare limpatto sulla qualit dellaria alla scala locale derivante dalla progressiva introduzione dei biocarburanti. Tale pratica pu per comportare benefici aggiuntivi a quelli associati alla riduzione delle emissioni di gas climalteranti, ma anche rischi di conflitto fra le politiche climatiche e quelle per la qualit dellaria. Il confronto, che ha considerato tutti i dati reperibili nella letteratura scientifica fino al marzo 2008, risultato difficoltoso per la variet delle tipologie di biocarburanti e di veicoli testati, nonch per la numerosit delle misure e delle condizioni delle misure stesse (cicli di guida, velocit medie, ecc.). Data la grande variabilit dei livelli emissivi in relazione a queste variabili, si scelto di valutare le differenze fra le emissioni dei veicoli con carburanti tradizionali e quella degli stessi veicoli con biocarburanti, rimandando ai lavori originali la valutazione dei livelli assoluti delle emissioni. Biodiesel La maggior parte dei test effettuati su miscele di biodiesel e diesel riguarda veicoli pesanti (soprattutto autobus) e le miscele pi testate sono il B20 (20% biodiesel e 80% diesel) e il B100 (biodiesel puro). Rimandando al rapporto e ai suoi allegati per i dettagli sui livelli emissivi, in Figura 1 riportato un quadro riassuntivo dei risultati degli studi pi importanti per completezza della sperimentazione e numero di veicoli su cui stato effettuato il test (25 studi per mezzi pesanti e autobus e 13 per veicoli commerciali leggeri e autovetture).B20 B100

20 0 variazione % -20 -40 -60 -80 -100 CO NOx HC PM

Figura 1 Variazione media e dispersione delle emissioni dalluso del biodiesel, rispetto alle emissioni del gasolio.

Dallesame dei dati relativi alluso del biodiesel si pu concludere che nelle emissioni associate si osservano: una diminuzione nelle emissioni di particolato, monossido di carbonio e idrocarburi, dovuta alla presenza di ossigeno, che permette una combustione pi completa, e al minor punto di ebollizione che permette levaporazione completa del carburante; un leggero aumento degli ossidi di azoto dovuto alla stessa presenza di ossigeno nel carburante e alla maggior temperatura in camera di combustione ed una combustione pi omogenea; una pressoch totale abbattimento degli ossidi di zolfo con il B100, dal momento che i biocarburanti ne contengono in quantit minime, e quindi riduzione proporzionale con il B20 (-20%). La diminuzione nelle emissioni di particolato, monossido di carbonio e idrocarburi insieme al lieve aumento degli ossidi di azoto, sembrano proporzionali alla percentuale di biodiesel. I veicoli pi recenti sembrano presentare minori variazioni nelle emissioni, mentre quelli pi datati beneficiano maggiormente della presenza del biocarburante. Con i veicoli di cilindrata minore la tendenza osservata meno marcata, la dispersione dei dati maggiore e alcuni studi mostrano risultati in controtendenza.

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Per quanto riguarda gli inquinanti tossici, lutilizzo di miscele di biodiesel porta ad una riduzione delle emissioni degli IPA (idrocarburi policiclici aromatici), mentre per altri inquinanti (acetaldeide, formaldeide) i risultati sono contrastanti, principalmente a causa della differenza di composizione e origine dei biodiesel utilizzati, nonch delle diverse condizioni sperimentali. Bioetanolo Anche luso del bioetanolo miscelato con la benzina stato oggetti di molti studi scientifici, soprattutto in quei paesi che ne sono grandi utilizzatori, quali la Svezia e il Brasile. La maggior parte dei 25 studi analizzati si concentra sulle miscele pi utilizzate, ad alta percentuale di etanolo (E85 o E100), mentre sono pi limitati gli studi che analizzano le benzine a basso contenuto di etanolo (E5 ed E10). Dallesame dei dati relativi alluso del bioetanolo, riassunti in Figura 2, si osservano i seguenti effetti nelle emissioni: il monossido di carbonio diminuisce, soprattutto nel caso delle benzina ad alto contenuto di etanolo; gli ossidi di azoto non mostrano nessun trend riconoscibile nelle benzine a basso contenuto di etanolo mentre in quelle ad alto e medio contenuto le emissioni diminuiscono in quasi tutti i test, seppur con una forte dispersione dei valori di riduzione; anche gli idrocarburi non mostrano un chiaro comportamento, in quanto le emissioni diminuiscono nella met dei test presi in considerazione e negli altri i valori sono simili o mostrano un leggero incremento; il particolato primario diminuisce in tutti i test effettuati, anche se pochi studi ne quantificano la riduzione, in quanto nei veicoli a benzina i livelli emissivi sono inferiori di quelli dei veicoli diesel e dunque lanalisi spesso non viene effettuata.E5-10 E17-22 E30-100

60 40 variaizone % 20 0 -20 -40 -60 -80 CO NOx HC PM

Figura 2 Variazione media e dispersione (barre nere) delle emissioni dalluso di bioetanolo, rispetto alle emissioni della benzina.

La differenza fra le emissioni della benzina e del bioetanolo dunque marcata solo per il particolato e per il monossido di carbonio. Come per il biodiesel, si registra comunque una forte variabilit nelle emissioni attribuibile allinfluenza del tipo di veicolo utilizzato nel test, aspetto che diventa ancora pi influente nei casi di utilizzo di benzine a basso contenuto di etanolo. Per quanto riguarda le emissioni di composti tossici, la sostituzione di bioetanolo nella benzina porta ad un ovvia riduzione del benzene, tuttavia provoca un aumento consistente delle emissioni di aldeidi (acetaldeide e formaldeide). Quadro riassuntivo Un quadro riassuntivo della variazione delle emissioni in seguito al passaggio allutilizzo di biocarburanti mostrato in Figura 3. Va ricordato infine che la maggior parte dei test analizzati sono stati effettuati su veicoli antecedenti agli Euro 4: le variazioni sopra riassunte non possono pertanto essere attribuite con lo stesso grado di

attendibilit anche ai veicoli pi moderni.

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tipo di biocarburante B20 B100 E5-10 E85-100 O100

CO

NOx

HC ? ?

PM

?

riduzione 1-10% riduzione 11-20% riduzione 21-30% riduzione 31-40% riduzione 41-50% riduzione non quantificata aumento 1-10% aumento 11-20%

Figura 3 Quadro riassuntivo della variazione delle emissioni allo scarico in seguito al passaggio allutilizzo di miscele di biodiesel (B), di etanolo (E) e di olio vegetali (O)

Lanalisi del ciclo di vita La ricerca ha svolto unapprofondita analisi del ciclo di vita della benzina fossile e del bioetanolo prodotto a partire da grano di frumento, considerando le seguenti possibilit di utilizzo di carburanti: E0 (benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo), E5 (5%bioetanolo, 95%benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo), E10 (10%bioetanolo, 90% benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo), E85 (85%bioetanolo, 15%benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo), e E100 (100%bioetanolo). Per il biodiesel invece si sono valutati i risultati di analisi del ciclo di vita reperibili in letteratura. La scelta di analizzare a fondo la sostenibilit di produzione e uso di bioetanolo, prodotto a partire da grano di frumento coltivato in Lombardia e raffinato nellimpianto pi vicino, motivata da diversi ordini di ragioni: il frumento in Lombardia una delle colture cerealicole maggiormente sviluppate, insieme al mais, con circa 80.000 ettari dedicati nellultimo anno, presentando inoltre buone prospettive come colture energetica del prossimo decennio; le tecnologie di trasformazione del grano, di frumento o mais, in bioetanolo sono gi sufficientemente conosciute. la produzione di bioetanolo di origine vegetale al momento nulla in Italia del Nord, ma sono in progetto diversi impianti di produzione. Obiettivi dellanalisi LCA condotta sono stati pertanto quelli di quantificare gli impatti ambientali dei carburanti nel loro completo ciclo di vita, identificando gli impatti in ogni fase (estrazione, produzione, trasformazione, distribuzione e uso) valutando i possibili benefici ambientali. Metodologia e dati utilizzati Lo studio di LCA stato eseguito secondo la metodologia di analisi del ciclo di vita formalizzata dalle norme UNE-EN-ISO 14040-43, tramite il software SimaPro 7.1. Per unit funzionale, alla quale fanno riferimento tutti gli impatti e i risultati ottenuti dallLCA, si scelta la quantit di combustibile, espressa in kg, di ogni carburante necessaria a percorrere un km con un veicolo di riferimento. Tenendo conto dei minori contenuti energetici dei biocarburanti rispetto ai corrispondenti carburanti fossili convenzionali, le unit funzionali corrispondono a 52 g di benzina, 54 di E5, 55 di E10, 78 g di E85 e 83 di E100. Come mostrato schematicamente in Figura 4, lLCA ha considerato la produzione agricola del grano di frumento la produzione delletanolo, la distribuzione e il consumo delle miscele E5, E10, E85, E100 e della benzina tradizionale ed il trasporto dei materiali tra le diverse fasi.

VI


DIESEL

PREPARAZIONE TERRENO aratura - erpicatura - fertilizzanti

Reagenti Paglia Elettricit TRASPORTO Vapore GRANO

ESTRAZIONE DEI SUCCHI macina-miscelazione-cottura DDGS TRASPORTO FERMENTAZIONE DISTILLAZIONE ETANOLO ETANOLO DDGS RAFFINERIA Disidratazione Evaporazione Essiccamento

ETANOLO

MISCELAZIONE CON BENZINA

Fertilizzanti Pesticidi Semi

SEMINA MANTENIMENTO fertilizzanti - trattamenti

Distribuzione combustione di E0-E5-E10-E85

Trattori Attrezzi

RACCOLTA

TRASPORTO

COLTIVAZIONE

USO

BENZINA

Energia Infrastrutture Composti chimici

ESTRAZIONE GREGGIOOleodotto

RAFFINERIACamion (32t)

DEPOSITO REGIONALE PRODUZIONE BENZINA

Figura 4 Schema dei processi considerati dallLCA

Lapproccio utilizzato quello denominato from cradle to grave (dalla culla alla tomba), in quanto sono state considerate tutte le fasi di produzione e utilizzo del carburante: la produzione della materia prima (coltivazione del frumento), la produzione del bioetanolo (trasformazione del cereale in biocarburante) e infine luso dello stesso (combustione in veicolo stradale). Nella fase della produzione agricola si prestata particolare attenzione a raccogliere dati specifici per la Lombardia, in quanto questa la fase nella quale si possono incontrare le maggiori differenze in funzione del contesto geografico, a differenza della fase di produzione, meno soggetta allinfluenza della zona di localizzazione dellimpianto. I risultati dellLCA sono dunque da considerarsi specifici per il caso in esame, con la possibilit di estensione alle zone dellItalia del nord, che presentino similitudini climatiche e di tecniche di coltura. Molti dati necessari allanalisi sono stati raccolti direttamente attraverso questionari nelle installazioni produttive o da esperti del settore presenti sul territorio regionale (ad esempio, le quantit di fertilizzanti e insetticidi applicate per ettaro); si fatto altres ricorso a basi di dati ISTAT, ENAMA (Ente nazionale per la meccanizzazione agricola), GRiCi (Centro di Ricerca Colture energetiche delluniversit di Bologna, 2005), CeSPrA (Centro Studi per una nuova etica economica, 2004), e del software Simapro 7.1 (Ecoinvent v1.1) per i processi pi comuni, quali trasporto, combustibili e prodotti chimici, fonti energetiche, nonch a manuali e fonti bibliografiche. Alcuni processi minori non sono stati considerati, quali lessiccamento della granella, la ballatura (processo di formazione delle balle di paglia), il trasporto della paglia, e linterazione tra colture (rotazione delle coltivazioni). Lanalisi del processo di produzione di etanolo stata sviluppata basandosi su un impianto recentemente progettato nel nord Italia, in grado di produrre 100.000 t/anno di etanolo a partire da 350.000 t/anno di grano in ingresso, ipotizzando dunque che la materia prima coltivata in Lombardia venga inviata a questunico impianto il cui schema illustrato in Figura 5. Per quanto riguarda lutilizzo delle diverse miscele stato considerato un unico veicolo di riferimento, capace di funzionare con i diversi tipi di carburanti studiati e rappresentativo dei veicoli maggiormente utilizzati per il consumo attuale di benzina. Dal momento che lobiettivo dello studio di confrontare i distinti carburanti utilizzati nello stesso veicolo, gli impatti associati al ciclo di vita dello stesso (quindi alla produzione, distribuzione, manutenzione e smaltimento dello stesso veicolo) non sono stati calcolati. Per il calcolo delle emissioni associate alla combustione, il bioetanolo considerato carbonio neutrale, per il quale cio non si conteggiano le emissioni di CO2 generate durante la combustione perch rappresentano la stessa quantit di C che la pianta assorbe dallatmosfera in fase di crescita; tale ipotesi utilizzata nella maggior parte degli studi di LCA sui biocarburanti pubblicati in letteratura.

VII


MACINA GRANO Reagenti Elettricit Vapore Miscelazione Cottura Liquefazione FERMENTAZIONE DISTILLAZIONE Ricircolo acqua

ETANOLO Disidratazione

DDGS Evaporazione Essiccamento DDGS (umidit 10%)

ETANOLO (>99%) LIMITI DEL SISTEMA

Figura 5 Schema dellimpianto di produzione del bioetanolo

Risultati Nel presente lavoro sono state considerate le categorie di impatto emissioni di gas serra (aggregate tramite il loro global warming potential) e consumo energetico. Nella Tabella 2 sono riassunti i risultati ottenuti nelle due categorie per ognuno dei carburanti analizzati (valori negativi indicano minor emissione di gas serra/uso di risorse energetiche rispetto alla benzina tradizionale, E0); nella Figura 6 sono confrontati in termini assoluti, riferiti ai valori del combustibile E0 (benzina fossile).Tabella 2 Risultati dellanalisi LCA: confronto E0-E5-E85

Emissioni gas serra g CO2 eq/km E0 E5 E10 E85 E100 214 205 205 147 144 Energia consumata MJ/km E0 E5 E10 E85 E100 3,09 3,06 3,02 1,44 1,181

emissioni evitate/aggiuntive gCO2 eq/km -9 -9 -66 % -4,1 -4,1 -31,1

-70 -32,6 consumo evitato/aggiuntivo MJ/km -0,03 -0,07 -1,65 -1,91 % -1,0 -2,3 -53,4 -61,8

In entrambe le categorie dimpatto analizzate il maggiore impatto si associa alluso della benzina, mentre le minori emissioni di gas serra si riscontrano con la miscela E100. Si osservano differenze molto limitate (51 3,5-5 >120 9-11 3,5 t e autobus), i primi mezzi in cui i biocarburanti hanno trovato utilizzo: si tratta di 25 studi di rilevanza statistica pi o meno importante, in funzione del numero di veicoli su cui stato effettuato il test. Lanalisi di altri 13 studi riguardanti veicoli di minor cilindrata (MDV, LDV e PC) presentata in tabella 3.2. Dallesame dei dati relativi alluso del biodiesel si pu concludere che nelle emissioni associate si osservano:

22


diminuzione nelle emissioni di particolato, monossido di carbonio e idrocarburi, dovuta alla presenza di ossigeno, che permette una combustione pi completa, e al minor punto di ebollizione che permette levaporazione completa del carburante; leggero aumento degli ossidi di azoto dovuto alla stessa presenza di ossigeno nel carburante e alla maggior temperatura in camera di combustione; pressoch totale abbattimento degli ossidi di zolfo con il B100, dal momento che i biocarburanti non ne contengono, e quindi riduzione proporzionale con il B20 (-20%). La diminuzione nelle emissioni di particolato, monossido di carbonio e idrocarburi insieme al lieve aumento degli ossidi di azoto, sembrano proporzionali alla percentuale di biodiesel. I veicoli pi recenti sembrano presentare minori variazioni nelle emissioni, mentre quelli pi datati beneficiano maggiormente della presenza del biocarburante. Con i veicoli di cilindrata minore la tendenza osservata meno marcata (si incontrano alcuni casi in disaccordo con le conclusioni e una maggior dispersione dei dati). Si rileva un andamento anomalo dei dati misurati in due studi (Mazzoleni et al., 2007; Durbin et al., 2000), che presentano un aumento dei livelli emissivi con lutilizzo del biodiesel per tutti gli inquinanti, in contrasto con gli altri studi considerati. Questo andamento pu essere dovuto probabilmente alla scarsa qualit del biodiesel utilizzato negli esperimenti (alta concentrazione di glicerina libera e flash point ridotto). In figura 3.1 mostrato un quadro riassuntivo delle variazione delle emissioni rilevate dagli studi, espresso dalla variazione media percentuale e dalla rispettiva deviazione standard, per le due miscele pi utilizzate, B20 e B100.

23


Tabella 3.1 variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati da HDV con diverse miscele di biodiesel-diesel (le celle evidenziate indicano andamento anomalo)

Fonte, anno EEA, 2007b

n, tipo e anno dei motori testati HDV euro 3

Bx B10 B20 B100 B20 B100 B5/20 B20 B100 B20 B5 B20 B20 B20 B25 B30 B30 B20 B20 B100 B20 B20 B20 B100 B30 B20 B100 B20 B100 B20 B100 B20 B100 B35 B20 B100 B20 B100 B30 B100 B30 B20 B100 B20 B100 B100 B20 B100

CO -5 -9 -20 -20 -27 -20 -52,5 -7 -1 5 -5 -24 -4 -45 -17 -27 -34 -24 -22 -8 -52 -3 -13 -42 -13 -42 -11 -48

CTI, 2007b Envir. Canada, 2007 4 autobus 3HDV 2HDV HDV Mazzoleni et al., 2007 Durbin et al., 2007 Mirandola & Macor, 2007 McCormick et al., 2006 Proc et al., 2006 Knothe et al., 2006 McCormick , 2006 Williams et al., 2006 McCormick et al., 2005 Carrareto et al., 2004 Lindhjem & Pollack, 2003 Morris et al., 2003 EPA, 2002 Agarwall & Das, 2001 McCormick et al., 2001 Wang et al., 2000 Durbin et al., 2000 23 HDV, 1983-2004 3 HDV, 1992-1993-2000 146 autobus, euro 0-1-2-3 4 autobus 4 HDV, euro 3 8 HDV, 200-2006 9 HDV, 2000 1 HDV, 2003 2 HDV 2 HDV 2 HDV, 2004 1 HDV, 2004 2 HDV 20 HDV ,1994 ? HDV 43 HDV, 1979-2001 1 HDV (non road) 1 HDV, 1991 9 HDV, 1987-1993 1 HDV, 1990 1 HDV, 1996 Aakko et al., 2000 1 HDV, euro 2 1 HDV (non road) 1 HDV, 1997 2 HDV, 1997 Sheehan et al, 1998 ? HDV Grabosky & McCormick, 1 HDV 1998

-15

NOx HC variazione % 3 -10 3,5 -15 9 -17 3 -27 12 -66 0 -20,5 0 13 -52,5 1 -15 1 3 6 1,5 4 1 -18 -29 7 -12 2 -19 0,5 -11,5 -6 -28 4 -25 -4 4 -62,5 4 -2 28 -37 9 -13,5 2,5 -18 12 -70 2,5 -18 13 -63 2 -21 10 -68 5 15 -2 -11

PM -10 -25 -47 -11 -39 -16 -52,5 -1 -20 73 -10

-16,5 -17 -80 -18 -25,5 -25 -154 -9 -51

-10 -47 -73 -26 >+100 >+100 -29 -14 -15,5 -53 -21

7 -8 -15 -45 -15 -27,5 -46 -12 -47 5 4 13 3,5 6,5 9 1 14 -19 -17 -96 -16,5 -58 -37 8 -32

Sharp, 1998

-17,5 -37 -68 -22 -77

24


Tabella 3.2 Variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati da MDV/LDV/PC con diverse miscele di biodiesel-diesel (le celle evidenziate indicano andamento anomalo)

Fonte, annoEEA, 2007b

n, tipo e anno dei motori testati LDV euro 3PC euro 3

BxB10 B20 B10 B20 B20 B20 B100 B30 B100 B100 B100 B100 B20 B20 B25 B100 B25 B50 B75 B100 B100 B100 B30 B20 B100 B20 B100

CO0 -6 0 -5 -2

Yang et al., 2007 Sahoo et al., 2007 Martini et al., 2007a Lin & Lin, 2006 Ola - Larsson, 2006 Dwivedi et al., 2006 Agarwal et al., 2006 Lapuerta et al., 2005

1 PC moderno 1 PC 1 LDV euro 3 1 MDV PC/LDV, 1989-1996 PC/LDV, 1993-2000 1 MDV 1 9 KW 1 PC

6 60 -26

NOx HC variazione % 2 -10 2 -15 0 0 1 -10 8 4 15 7 2 -69 1 -1 17 7 -1 9 -11 9 026 -21 -1 0 0 7 10 3 33 -11 -2 -30 -61 -62 -64 -67 -61 -4

PM-15 -20 -13 -20 24

-7 -15 -19 -19 -29 -13 -23 -42

-6

Makareviciene & Janulis, 1 PC 2003

-1 -2 -3 -6 -46 -19

Krahl et al., 2003 Cardone et al., 2002 Aakko et al., 2000 Durbin et al., 2000

1 PC 1 PC 1 PC 1 LDV, 1988 1 LDV, 1995

-41 -22 17 40 40 38

25


B20 20 variazione % 0 -20 -40 -60 -80 -100 CO NOx HC PM

B100

Figura 3.1 Variazione media e dispersione delle emissioni associate alluso di biodiesel

3.2 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI COMBUSTIONE DI BIODIESEL

DI

INQUINANTI

TOSSICI

CON

LA

I veicoli diesel emettono quantit elevate di materiale particolato, di cui spesso costituiscono una delle principali fonti in ambito urbano. Al particolato emesso dai mezzi diesel sono associati numerosi inquinanti tossici, principalmente gli IPA, idrocarburi policiclici aromatici (Correa & Arbilla, 2008). Lelevata tossicit, cancerogenicit e mutegenicit per luomo degli IPA e di altri di questi inquinanti, quali la formaldeide, lacetaldeide e lacroleina (Carlier et al., 1986), suggerisce la necessit di valutare i possibili benefici derivanti dalle minori emissioni di questi composti derivanti dalla sostituzione del diesel con il biodisel o sue miscele. I dati di letteratura sulle emissioni dalla combustione di biodisel di questo tipo di inquinanti e dei composti carbonilici sono scarsi e spesso contrastanti, principalmente a causa della differenza nella composizione e nellorigine del biodiesel e per le differenti condizioni sperimentali. Inoltre i risultati devono essere interpretati con particolare attenzione, poich gli errori di misura con componenti in concentrazioni cos limitate sono relativamente alti (Krahl et al., 2003). I risultati di alcuni studi al riguardo sono riassunti in tabella 3.3, dove si riportano le variazioni registrate nelle emissioni di IPATOT (totalit degli IPA: benzene, toluene, xilene ed esano), di CCTOT (Componenti Carbonilici totali: aldeidi, chetoni, acido carbossilico, esteri, ammidi, enoni, acido cloridrico e acido anidrico) e di acetaldeide, formaldeide e acroleina, conseguenti alluso di diverse percentuali di biodiesel.

26


Tabella 3.3 Variazioni (%) osservate nelle emissioni di inquinanti non regolate dalla combustione di biodiesel

Fonte, anno Correa & Arbilla, 2008 Martini et al., 2007a Pang et al., 2006 Turrio-Baldassarri et al., 2004 Khral et al., 2003 Cardone et al., 2002 EPA, 2002

Bx B20 B30 BE20* B20 B100 B100 B20 B100

IPATOT acetaldeide formadeide acroleina CCTOT variazione % 16 36 22 17 10 26 -25 5 -52 6 105 19 -93 -33 -38 33 -38 -89 -6 -7 -7 -2 -12 -15 -61 -1

* BE20: miscela di 20% biodiesel, 5% etanolo e 75% diesel

Quasi tutti gli studi analizzati mostrano una chiara riduzione delle emissioni degli IPA complessivi con lutilizzo di miscele di biodisel; per gli altri inquinanti i risultati sono contrastanti, principalmente a causa della differenza di composizione e origine dei biodiesel utilizzati, nonch delle diverse condizioni sperimentali.

3.3 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI COMBUSTIONE DI BIOETANOLO

DI

INQUINANTI

REGOLATI

DALLA

Anche luso del bioetanolo miscelato con la benzina stato oggetti di molti studi scientifici, soprattutto in quei Paesi che ne sono grandi utilizzatori, quali la Svezia e il Brasile. La maggior parte degli studi si concentra sulle miscele pi utilizzate, ad alta percentuale di etanolo (E85 o E100), mentre sono pi limitati gli studi che analizzano le benzina a basso contenuto di etanolo (E5 ed E10). A differenza dei test effettuati con il biodiesel, per le miscele di benzina e bioetanolo lutilizzo pi studiato in veicoli di piccola cilindrata (automobili: PC - Passenger Cars). Per questo motivo non utile suddividere i risultati nelle diverse categorie di veicoli, bens risulta pi interessante analizzare i risultati ottenuti con luso delle diverse miscele. I risultati delle misure su benzine a basso contenuto di etanolo sono riportati in tabella 3.4: si tratta di 9 studi nei quali vengono analizzati gli effetti delle benzine contenenti percentuali di etanolo fino al 10% o ETBE fino al 15%. I risultati di altri 11 studi su benzine ad alto contenuto di etanolo, ossia contenenti percentuali di etanolo dal 30% al 100%, sono riportati in tabella 3.5. Si riportano infine in tabella 3.6 anche i risultati di 6 test effettuati su benzine a medio contenuto di etanolo (in percentuali comprese tra il 15% e il 22%), sebbene questo tipo di miscele non siano ad oggi diffuse quanto le prime due.

27


Tabella 3.4 Variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati con benzine a basso contenuto di etanolo

Fonte, anno Martini et al., 2007b

n, tipo e anno dei motori testati 1 PC, euro 3 6 PC, euro 4

Ex E5 E10 E5 E10 E10 E5-7 E10 E10 E5 E10 E5 E10 E3,2 E5 ETBE12 E3 E10

CO

Envir. Canada, 2007 Chiaramonti et al., 2007 Yucesu et al., 2006 Karlsson, 2006 Schramm et al., 2005 De Serves, 2005 Hull et al., 2005

4 LDV,1998-00-01-03 1 motore 11 cv 4 PC, euro 4 1 motore 50 cv 4 PC, euro 4 1 PC

Poulopoulus et al., 2001 1 PC

-30 -27 -1 -60 21 -12 -77 -81 -4 -4 2 -1 -26

NOx HC variazione % 37 29 2 22 26 8 7 -4,5 -6 -69 -50 -9 -11 -33 -42 85 -47 3 -1 3 -7 0 -2 -19 -8

PM

-54

Tabella 3.5 Variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati con benzine ad alto contenuto di etanolo

Fonte, anno Envir. Canada, 2007 Ola-Larsson, 2006

Karlsson, 2006 Yucesu et al., 2006 Topgul et al., 2006 De Serves, 2005 Yuksel, 2004 Lucon et al., 2004

n, tipo e anno dei motori testati 2 PC, 2004-2005 PC e LDV, 1989-96 PC e LDV, 2000 PC e LDV, 2005 4PC, euro 4 1 motore 11 cv 1 motore 11 cv 4 PC, euro 4

Ex E85 E85 E85 E85 E43 E40 E60 E40 E60 E70 E85 E30-70 E100 E100 E100 E85 E70 E85 E85 E85

CO -57

1 PC PC euro 1 PC euro 2 Aakko & Nylund, 2004 3 PC, 1996-99 PC euro 3 Smokers & Smit, 2004 euro 4 EUCom.for Energy, 2000 LDV e PC, euro 2 LDV e PC, euro 2-3 LDV e PC, euro 2-3-4

-60 -3 -4 -32 -20 -45 -12 -73 -72 -65 -67 -14 -30 10 -40 -33

NOx HC variazione % -30 -13 -78 38 -43 0 -50 0 69 -53 -6 -9 -31 -49 4 -49

PM

-60 0 0

-38 -9

-40 -23 -20 -38 -6

-20 11 -30 10 36 38

-82 -30

28


Tabella 3.6 Variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati con benzine a medio contenuto di etanolo

n, tipo e anno dei motori testati Envir. Canada, 2007 4 LDV, 1998-00-01-03 Yucesu et al., 2006 1 motore 11 cv Karlsson, 2006 4PC, euro 4 Schramm et al., 2005 1 motore 50 cv Lucon et al., 2004 PC, euro 1 PC, euro 2 EUCom.for Energy, 2000 PC, euro3 HDV, euro 2 HDV, euro 2-3 HDV, euro 2-3-4

Fonte, anno

Ex E20 E20 E17 E20 E22 E22 E22 E15 E15 E15

CO -47 5 -20 -21 -85 -82 -83 10 -6 33

NOx HC variazione % 46 -8 0 -75 0 -14

PM

-20 -20 -15 -20

-45 10 17 19

-40 -40 -50

Dallesame dei dati relativi alluso del bioetanolo si osservano i seguenti effetti nelle emissioni: il monossido di carbonio diminuisce, soprattutto nel caso delle benzine ad alto contenuto di etanolo; gli ossidi di azoto non mostrano nessun trend riconoscibile nelle benzine a basso contenuto di etanolo mentre in quelle ad alto e medio contenuto le emissioni diminuiscono in quasi tutti i test, seppur con una forte dispersione dei valori di riduzione; anche gli idrocarburi non mostrano un chiaro comportamento, in quanto le emissioni diminuiscono nella met dei test presi in considerazione e negli altri i valori sono simili o mostrano un leggero incremento; il particolato diminuisce in tutti i test effettuati, anche se pochi studi ne quantificano la riduzione, in quanto nei veicoli a benzina i livelli emissivi sono inferiori di quelli dei veicoli diesel e dunque lanalisi spesso non viene effettuata. Landamento medio nella variazione delle emissioni associata a differenti miscele di etanolo benzina, espresso in percentuale e con la rispettiva deviazione standard, riassunto in figura 3.2.

E5-10

E17-22

E30-100

60 40 variaizone % 20 0 -20 -40 -60 -80 CO NOx HC PM29

Figura 3.2 Variazione media e dispersione delle emissioni associate alluso di bioetanolo


Per il bioetanolo la differenza tra i risultati molto pi marcata rispetto a quella osservata per il biodiesel, e solo per il particolato e in parte per il monossido di carbonio definibile una tendenza. Tale variabilit attribuibile alla forte influenza del tipo di veicolo utilizzato nel test, che risulta avere molto peso sulle emissioni allo scarico; questo aspetto diventa ancora pi influente nei casi di utilizzo di benzine a basso contenuto di etanolo. Si segnala altres che stata messa in discussione la qualit di molte misure disponibili sulle emissioni di veicoli funzionanti con bioetanolo, caratterizzate dalla mancanza di rigore tecnico e di accuratezza, in particolare per gli studi pubblicati dai produttori di etanolo (Niven, 2005).

3.4 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI COMBUSTIONE DI BIOETANOLO

DI

INQUINANTI

TOSSICI

CON

LA

I risultati di alcuni studi effettuati sulle emissioni di inquinanti tossici nei veicoli funzionanti con miscele di benzina e bioetanolo sono riportati in tabella 3.7.Tabella 3.7 Variazione (%) delle emissioni di inquinanti tossici con luso di etanoloFonte, anno OEC, 2004 Merrit et al., 2002 dei motori testati n, tipo e anno 5 PC 3 HDV non road Ex E20 E7,7 E10 E15 E10 E3 E10 Acetaldeide Formaldeide Benzene Toluene variazione % >+100 5 26 15 41 4 -23 0 48 4 -48 -11 94 18 -25 12 >+100 25 -27 -30 86 29 Esano Xylene Acroleina >+100 >+100 >+100 >+100 15 -14 8 44 -27

Apache, 1998 PC Poulopoulus et al., 2001 1 PC

-21 -31 21 5

La sostituzione di bioetanolo nella benzina porta ad un ovvia riduzione del benzene, tuttavia provoca un aumento consistente delle aldeidi e dellesano. I dati dellOrbital Engine Company (OEC, 2004) fanno riferimento a test effettuati su veicoli molto datati (con 80000 km percorsi) e i risultati possono averne risentito, inoltre non sono conteggiate le variazioni degli inquinanti nelle emissioni evaporative.

3.5 VARIAZIONI NELLE EMISSIONI COMBUSTIONE DI OLI VEGETALI

DI

INQUINANTI

REGOLATI

DALLA

La maggior parte degli studi sulluso degli oli vegetali, puri o in miscela con il diesel, sono piuttosto datati e non sono in seguito stati considerati in quanto relativi a tipologie motoristiche ormai poco utilizzate. In tabella 3.8 sono riportati i risultati delle variazioni delle emissioni stimate da 8 studi pi recenti. I risultati di questi studi mostrano che luso di miscele di bioetanolo comporta una chiara tendenza alla diminuzione degli ossidi di azoto, a differenza di ci che accade con luso del biodiesel. Ci dovuto al fatto che la temperatura di combustione degli oli vegetali minore e quindi non si raggiungono temperature alte come nel caso del biodiesel. Anche le emissioni di particolato sembrano diminuire, ma la scarsit dei dati rende meno sicura lindividuazione di un effetto del bioetanolo. Sono invece contrastanti i risultati per gli altri inquinanti, per cui non possibile trarre delle conclusioni. 30


Tabella 3.8 variazione (%) delle emissioni di inquinanti regolati con luso di oli vegetali

Fonte, anno Karthikeyan et al., 2007 Rakopoulous et al., 2007 Rakopoulous et al., 2006 Hebbal et al., 2006

n, tipo e anno dei motori testati 1 motore 4,4 KW

Ox O75 O100 O20 O25 O100 O100 O100 O100 O100 O100

CO 35 13 94 >+100 -25 67 -42 56

1 motore 3,7 KW

Tippayawong et al., 2003 1 motore 6 KW Abu-Qudais & Al-Widyan, 2002 Altin et al., 2001 1 motore, 1980 Folckcenter, 2000 1 PC, 1984 euro 1 1 PC 1999 euro 3

NOx HC variazione % 15 48 -20 -4 4 -13 -5 -47 -10 -13 -24 -19 -63 -7 -63

PM -45

-6 -42 73

3.6 CONCLUSIONIGli effetti delluso del biodiesel rispetto al diesel sulle emissioni sono i seguenti: riduzioni nelle emissioni di monossido di carbonio e idrocarburi dovuta alla presenza di ossigeno nel biocarburante che permette una migliore e pi efficiente combustione rispetto al diesel; riduzione nelle emissioni di particolato attribuibile al minor contenuto di aromatici e catene corte di idrocarburi e al maggior contenuto di ossigeno nel biodiesel; leggero aumento delle emissioni di ossidi di azoto, dovute alla maggior temperatura di combustione e al contenuto di ossigeno; tali emissioni possono tuttavia essere ridotte con lapplicazione di sistemi di ricircolo dei gas di scarico, senza che questi compromettano le prestazioni del veicolo, sia in termini di performance che di emissioni (Agarwal et al., 2006); totale riduzione degli ossidi di zolfo con il biodiesel puro, dovuta alla totale assenza di tale componente; riduzione del ritardo di ignizione e del rumore di combustione, dovuto al maggior numero di cetani; diminuzione delle emissioni di IPA. Gli effetti delluso del bioetanolo rispetto alla benzina sulle emissioni sono i seguenti: maggior efficienza di combustione dovuta al pi alto contenuto di ottani e di ossigeno, che permette una riduzione delle emissioni di monossido carbonio, di idrocarburi e di materiale particolato; aumento delle emissioni evaporative di composti organici volatili a causa della bassa pressione di vapore del bioetanolo; ci rende incerto leffetto sulle emissioni totali di idrocarburi; diminuzione delle emissioni di benzene, ma aumento delle aldeidi. Gli effetti delluso degli oli vegetali rispetto al diesel sulle emissioni sono i seguenti: incertezza sul comportamento delle emissioni di monossido di carbonio e idrocarburi che da un lato beneficiano della presenza di ossigeno degli oli vegetali ma dallaltro risentono delle scarse qualit degli stessi (minor numero di cetani, alta densit e presenza di molecole di idrocarburi pesanti); incertezza sul comportamento delle emissioni di particolato; riduzione delle emissioni di ossidi di azoto, dovuta alla minor temperatura di combustione. 31


Nella tabella 3.9 sono riassunti gli effetti di questi biocarburanti sulle emissioni regolate, dove possibile determinarli.Tabella 3.9 Variazione nelle emissioni dovuta alluso di biocarburanti

tipo di biocarburante B20 B100 E5-10 E85-100 O100

CO

NOx

HC

PM

? ?riduzione 1-10% riduzione 11-20% riduzione 21-30% riduzione 31-40% riduzione 41-50% riduzione non quantificata aumento 1-10% aumento 11-20%

?

La maggior parte dei test analizzati sono stati effettuati su veicoli antecedenti alle categorie legislative Euro 4, pertanto le variazioni sopra riassunte non possono essere attribuite con sicurezza anche ai veicoli pi moderni.

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4 LANALISI DEL CICLO DI VITA: ASPETTI TEORICI4.1 INTRODUZIONELa crescente coscienza della necessit di rispetto e protezione dellambiente e dei possibili impatti associati alle attivit umane ha aumentato linteresse per lo sviluppo di metodi per comprendere e quantificare questi impatti. Una delle tecniche sviluppate in questo senso lAnalisi del Ciclo di Vita (LCA, Life Cycle Assessment). La considerazione dellimpatto ambientale di un prodotto/processo/servizio associato al suo ciclo di vita, iniziata negli anni 60, ha ricevuto un importante impulso negli ultimi anni. nella decade del 1990 che si prodotta e consolidata la metodologia LCA: nel 1991 stata pubblicata la prima grande base di dati specifica di LCA realizzata dal ministero dellambiente svizzero (BUWAL250, 1996). La prima definizione di LCA stata stabilita dalla Societ di Chimica e Tossicologia Ambientale (SETAC) nel 1993: Procedimento oggettivo di valutazione dei carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo o unattivit, effettuato attraverso lidentificazione e la quantificazione delluso di materie prime ed energia utilizzate, cos come delle emissioni rilasciate nellambiente; analisi degli impatti associati alluso della materia, energia e le corrispondenti emissioni; e infine identificazione e messa in pratica della strategia di miglioramento ambientale. La valutazione include lintero ciclo di vita del processo o attivit, comprendendo lestrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, luso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale (Consoli, 1993). Nellanno 1996 cominciata ledizione di una rivista scientifica dedicata esclusivamente a indagini con metodologia e applicazioni di LCA: International Journal of Life Cycle Assessment (http://www.scientificjournals.com/sj/lca) che entr a far parte, nel 2001, del Scientific Citation Index. Nel 1998 stata pubblicata la prima delle norme ISO riferita allLCA: si tratta della norma ISO 14040, che stabilisce i principi e la struttura di tale strumento (http://www.iso.org/iso/en/ISOOnline.frontpage). Negli anni a seguire sono apparse altre norme ISO associate allLCA tra le quali: ISO 14041:1999 (obiettivi, scopi e analisi dellinventario); ISO 14042:2001 (valutazione dellimpatto del ciclo di vita); ISO 14043:2001 (interpretazione dellimpatto del ciclo di vita). Pi recentemente tali norme sono state sostituite dalla ISO 14040:2006 (Gestione ambientale. Analisi del ciclo di Vita. Principi e quadro di riferimento), insieme alla ISO 14044:2006 (Gestione ambientale. Analisi del ciclo di vita. Requisiti e linee guida). Secondo la norma ISO 14040:2006 lLCA uno strumento ambientale che permette di: 1. identificare le opportunit di miglioramento del comportamento ambientale dei prodotti nelle distinte tappe del ciclo di vita; 2. apportare informazioni a chi prende decisioni nellindustria, nelle organizzazioni governative o non governative (ad esempio per la pianificazione strategica, il progetto o ristrutturazione di prodotti e processi); 3. selezionare degli indicatori di impatto ambientale pertinenti, includendo tecniche di misurazione; 4. sostenere la fase di marketing, ad esempio implementando uno schema di etichettatura ambientale o dichiarazione ambientale del prodotto. 33


LLCA non solamente uno strumento per proteggere lambiente, ma anche uno strumento per ridurre i costi e migliorare le prestazioni del prodotto sul mercato (ISO, 2006; Finkbeiner et al, 2006; Klpffer, 2005). In ogni studio di LCA ci sono quattro fasi: 1. definizione di scopi e obiettivi, 2. analisi dellinventario, 3. valutazione del ciclo di vita, 4. interpretazione dei risultati. La relazione tra le diverse fasi descritta nella figura 4.1. Gli obiettivi di uno studio di LCA, includendo i limiti del sistema e il livello di dettaglio, dipendono dal soggetto e dalluso previsto per lo studio. La profondit e ampiezza di uno studio di ciclo di vita pu differire considerevolmente in funzione dellobiettivo particolare (Baumann & Tillman, 2004).

ANALISI CICLO VITA Interpretazione dei risultatidefinizione obiettivi e scopi

APPLICAZIONI Decisioni- strategia impresariale- leggi ambientali

Indicatori-rischio ambientale-sistema di produzione

analisi inventario

valutazione dell'impatto

Marketing -acquisti verdi-ecoetichettatura

Figura 4.1 Fasi dellLCA (UNI EN ISO 14040:2006)

4.2 DEFINIZIONE DI SCOPI E OBIETTIVINella definizione degli obiettivi dellLCA si include la definizione esatta dellargomento da trattare e la profondit dello studio, per determinare a che proposito si utilizzeranno i risultati ottenuti. Di questa prima tappa fa parte una definizione adeguata del sistema da studiare e i suoi confini, il fabbisogno di dati, il livello di dettaglio che verr applicato, le assunzioni ed i limiti. Si devono tenere in considerazione aspetti quali il contesto geografico e temporale e la variabilit dei dati che si pu accettare per il corretto conseguimento dei risultati. La situazione ideale sarebbe che i dati richiesti per lo studio fossero accessibili, significativi, affidabili e presentati con lunit di misura adeguata. Purtroppo questa situazione non si presenta sempre: spesso i dati mancano, sono poco rappresentativi o, pur esistendo, non sono accessibili. Perci in questa prima fase si stabiliscono i requisiti di qualit che saranno richiesti per i dati; la descrizione di tali requisiti importante per conoscere laffidabilit dello studio e per interpretare i risultati dello stesso (ISO, 2006).

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4.3 ANALISI DELLINVENTARIOLanalisi dellinventario un processo tecnico basato su dati per quantificare lenergia e le materie prime consumate, le emissioni in atmosfera, nellacqua e nel suolo, i residui solidi e qualsiasi altra immissione nellambiente sviluppatasi durante il ciclo di vita completo di un prodotto, processo materiale o attivit (Azapagic & Clift, 1999). Il processo di analisi dellinventario inizia con le materie prime e finisce con la deposizione dei residui del prodotto o del contenitore. Ciononostante alcuni inventari hanno confini pi limitati, condizionati dalluso che se ne far (caso delle industrie per uso interno).

4.3.1 Definizione e raccolta dei dati La fase di inventario include i seguenti momenti: costruzione del diagramma di flusso coerentemente coi confini del sistema stabiliti nella prima tappa (figura 4.2); calcolo dei carichi ambientali riferiti allunit funzionale (UF); normalizzazione dei dati in funzione dellunit; bilancio di materia che permetta di relazionare le entrate con le uscite nei differenti sottosistemi; quantificazione dei flussi di uscita nei sistemi natura o tecnosfera; inventario globale; documentazione dei calcoli. I procedimenti utilizzati per raccogliere i dati variano in funzione della situazione; i metodi proposti (Von Bahr, 2001), sono classificabili in quattro sottogruppi: 1. comunicazioni personali, 2. misure dirette effettuate da specialisti di LCA, 3. pubblicazioni, articoli, etc., 4. basi di dati elettroniche. ENTRATE USCITE

Acquisizione materie prime Fabbricazione e processo Trasporto e distribuzione Uso/Ri-uso/mantenimento

Energia

Tecnosfera Prodotti

Materie prime

Riciclaggio Gestione dei residui

Natura Emissioni Residui Sversamenti

Limiti del sistemaFigura 4.2 Diagramma di flusso dellinventario dellLCA

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4.3.2 Assegnazione dei carichi ambientali Per carichi ambientali associati ad un processo/prodotto si intendono la domanda di risorse, le emissioni di sostanze inquinanti e la generazione di residui (Ekwall & Finnveden, 2001). Pochi processi industriali e/o agricoli producono un'unica uscita o sono basati su una relazione lineare tra i prodotti in entrata e le uscite. Difatti oggi la maggior parte dei processi industriali e agricoli producono pi di un prodotto e riciclano i prodotti intermedi o i residui, perci si deve considerare la necessit di un processo di assegnazione dei carichi per i sistemi che prevedono prodotti multipli o sistemi di riciclaggio. Un processo multifunzionale si definisce come unattivit che attua pi di una funzione, ad esempio un processo di produzione con pi di un prodotto. Esistono tre tipi di sistemi multifunzionali (Azapagic & Clift, 1999): 1. sistemi ad entrata multipla (processi di trattamento dei residui), 2. sistemi a uscita multipla (co-prodotti), 3. sistemi con usi multipli o in cascata. Lallocazione pu essere definita come latto di assegnare o ripartire gli impatti ambientali di un sistema tra i differenti prodotti e/o funzioni del sistema oggetto di studio (Azapagic & Clift, 1999; Weidema, 2001; Jungmeier et al., 2002). Il problema consiste nel decidere che porzione dei carichi ambientali si deve assegnare al processo investigato. Per risolvere questo tipo di problema sono state proposte differenti soluzioni (Azapagic & Clift, 1999; Kim & Overcash, 2000; Ekwall & Finnveden, 2001; Weidema, 2001). La scelta di una soluzione anzich un'altra pu avere impatti decisivi sui risultati dellLCA. Se lallocazione non si pu evitare si pu scegliere tra diversi metodi di assegnazione; lOrganizzazione Internazionale per la Standardizzazione (ISO) suggerisce il seguente procedimento per lassegnazione in processi multipli (ISO, 2006): lallocazione dovr evitarsi sempre e quando sia possibile, mediante la divisione del processo multifunzionale in sottoprocessi con la corrispondente raccolta dati separata per ogni sottoprocesso o mediante lespansione dei confini del sistema fino a che tutti i sistemi compiano la stessa funzione; quando lallocazione non si pu evitare deve riflettere le relazioni esistenti (fisiche/chimiche/biologiche) tra i carichi ambientali e le funzioni, cio tra il processo e i suoi prodotti; quando le relazioni sopra descritte non si possano utilizzare come base dellallocazione si useranno altre relazioni (ad esempio il valore economico) per riflettere le relazioni tra carichi ambientali e funzioni. molto raro che un processo multifunzionale si possa separare fisicamente in sottoprocessi eliminando con tale suddivisione la necessita di ricorrere allallocazione, pertanto lespansione del sistema una scelta molto utilizzata. Lidea sulla quale si basa lespansione del sistema che ci sia un modo alternativo per generare i co-prodotti. Se possibile disporre dei dati relativi a tali produzioni alternative i limiti del sistema investigato possono espandersi per includerle, altrimenti, se tali dati non sono conosciuti, lespansione del sistema non si pu effettuare e si dovr utilizzare il sistema di assegnazione dei carichi. Varie sono le opzioni per lassegnazione dei carichi e generalmente sono basate su alcune propriet o relazioni fisiche o sul valore economico: le propriet fisiche includono la massa, il peso molecolare, il volume e il contenuto energetico; i metodi basati sul valore economico normalmente includono il prezzo di mercato di prodotti e sottoprodotti.Nel presente studio di LCA stata effettuata lallocazione basandosi sul criterio della massa. Ad esempio nel processo di coltivazione del frumento, dove gli output del sistema sono grano e paglia in quantit uguali, il 50% degli impatti ambientali stato attribuito alla paglia e il restante 50% al grano. Nellanalisi di sensibilit si utilizzato invece il valore economico come criterio di allocazione. 36


4.4 VALUTAZIONE DELLIMPATTO DEL CICLO DI VITALa fase di valutazione dellimpatto ha il fine di interpretare i risultati ottenuti nella fase di inventario (Consoli, 1993). Le tecniche di valutazione dellinventario permettono di convertire una tabella a doppia entrata con centinaia o migliaia di dati riferiti a quantit di diversi contaminanti (inventario) in una lista di pochi dati, interpretati secondo la capacit di influenzare lambiente nelle diverse categorie. Secondo la norma ISO 14040 (ISO, 2006) lanalisi o valutazione dellimpatto consta di una serie di momenti, descritti in figura 4.3: 1. selezione delle categorie di impatto ambientale: in base allo scopo e agli obiettivi dello studio verranno scelte le categorie di impatto da analizzarsi (cambio climatico, eutrofizzazione, acidificazione); 2. classificazione: presuppone il raggruppamento dei dati dellinventario secondo un potenziale impatto nelle distinte categorie; 3. caratterizzazione: implica lapplicazione di modelli per calcolare un indicatore ambientale per ogni categoria di impatto, unificando in una sola unit di misura tutte le sostanze classificate nella stessa categoria mediante utilizzo di fattori di peso o equivalenza; 4. normalizzazione: consiste nella valutazione del profilo ambientale generato nei passi precedenti; tale tappa permette la adimensionalizzazione delle categorie e la comparazione tra le stesse. 5. valutazione: permette di determinare, qualitativamente o quantitativamente, limportanza relativa delle distinte categorie di impatto al fine di ottenere un unico risultato o indice ambientale. La valutazione o ponderazione tra le categorie un passo difficile e controverso, una decisione pi politica che scientifica, che poche volte si realizza, a causa della soggettivit che affligge il processo. Esistono differenti metodologie di valutazione dellimpatto del ciclo di vita che si possono raggruppare in due grandi gruppi in funzione dellobiettivo finale (Baumann & Tillman, 2004): Valutazione del danno: sono metodologie che utilizzano leffetto ultimo (endpoints) dellimpatto ambientale, identificando e definendo il danno causato alluomo e ai sistemi naturali. valutazione dellimpatto ambientale: sono metodologie che hanno come risultato la definizione di un profilo ambientale, mediante la quantificazione delleffetto ambientale in diverse categorie del processo/prodotto/servizio; a differenza del secondo gruppo di metodologie raggiunge solo la valutazione degli effetti indiretti o intermedi (midponits) sullessere umano.

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Elementi ObbligatoriSelezione delle categorie di impatto, indicatori di categoria e modelli di caratterizzazione Classificazione: assegnazione dei risultati dell'inventario alle varie categorie di impatto Caratterizzazione: calcolo dei risultati degli indicatori di categoria

Elementi OpzionaliNormalizzazione: quantificazione dei valori dei risultati degli indicatori di categoria Raggruppamento

Ponderazione

Figura 4.3 Elementi della fase di valutazione dellinventario

4.5 INTERPRETAZIONE DEI RISULTATIPer finire si procede alla fase di identificazione e gerarchizzazione delle possibili azioni che implichino la riduzione degli impatti o dei carichi ambientali del sistema che sono stati calcolati. Una volta identificate le aree di possibile miglioria, lLCA aiuta a identificare quali possono apportare maggior miglioramento globale e quali invece non hanno effetti importanti. La fase di interpretazione cerca di offrire una lettura comprensibile, completa e coerente della presentazione dei risultati di uno studio di LCA e dovrebbe fornire risultati che siano coerenti con gli obiettivi e scopi dello studio, che portino a conclusioni, spieghino le limitazioni e offrano raccomandazioni. Linterpretazione un passaggio che va applicato in forma iterativa con la stessa metodologia LCA, rendendo necessario rivalutare pi volte le ipotesi formulate nel corso del lavoro.

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5 APPLICAZIONE DELLA LCA AL BIOETANOLO - DEFINIZIONE DI SCOPI E OBIETTIVI5.1 SCOPI E OBIETTIVICome illustrato nel capitolo 1, la Direttiva 2003/30/CE richiede che la quota di biocarburanti (misurata sulla base del contenuto energetico) da immettere sul mercato raggiunga nel 2010 il 5,75% del quantitativo totale di benzina e gasolio fossile usati nel settore dei trasporti (CE, 2003a). Lobiettivo previsto per il 2005, il 2%, stato raggiunto solo da due stati dellUnione europea: Germania, 3,75% e Svezia, 2,23% (Pignatelli, 2007). Questa decisa azione dellUE di promozione e diffusione dei biocarburanti stata motivata dalla necessit di ridurre le emissioni di gas serra nel settore dei trasporti nellambito di una pi ampia politica di mitigazione dei cambiamenti climatici (Faaji, 2005). Per il raggiungimento delle quote di biocarburanti proposte dalla Direttiva, lUE individua due biocarburanti e due filiere energetiche come possibilit reali a livello europeo (JRC, 2004): il bioetanolo (prodotto da frumento, mais o barbabietola da zucchero) ed il biodiesel (da colza, soia o girasole). In questo studio sar quindi svolta, nei successivi capitoli, unanalisi di ciclo di vita comparativa del bioetanolo prodotto a partire da grano di frumento con la benzina, confrontando le emissioni di gas serra e luso di energia associato ai due carburanti. Si scelto di considerare il bioetanolo prodotto a partire da questo tipo di biomassa per due ragioni principali: la vicinanza con un impianto di trasformazione in progettazione presso Porto Marghera (VE) e la disponibilit di tale materia prima (come anticipato nel capitolo 2). Si considereranno le seguenti possibilit di utilizzo di carburanti: 1. utilizzo di E0 (benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo); 2. utilizzo di E5 (5% bioetanolo, 95% benzina tradizionale, a basso contenuto di zolfo); 3. utilizzo di E10 (10% bioetanolo, 90% benzina tradizionale a basso contenuto di zolfo); 4. utilizzo di E85 (85% etanolo, 15% benzina tradizionale a basso contenuto di zolfo); 5. utilizzo di E100 (100% etanolo). Lanalisi del ciclo di vita del biodiesel, unico sostituto oggi disponibile per il gasolio (Henke et al., 2005), non stata affrontata direttamente, ma sar valutata solo in termini di review dei risultati disponibili in letteratura, al capitolo 8. Per questo prodotto infatti, non stato possibile reperire i dati necessari per una specifica analisi LCA. I benefici, in termini di riduzione delle emissioni di gas serra di questo biocarburante saranno quindi valutati basandosi solo sui risultati proposti nella letteratura scientifica. La scelta di analizzare a fondo la sostenibilit di produzione e uso di bioetanolo, prodotto a partire da grano di frumento coltivato in Lombardia, e raffinato nellimpianto pi vicino, motivata da diverse ragioni: la produzione di bioetanolo di origine vegetale al momento nulla in Italia del Nord, ma sono in progetto diversi impianti di produzione (Triera S.p.a. (VE), impianto di Zinasco (PV), etc.); lLCA di tali processi si vedr dunque necessaria in un futuro prossimo per rispettare i criteri di sostenibilit di cui si parlato nel capitolo 2;

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il frumento in Lombardia una delle colture cerealicole maggiormente sviluppate, insieme al mais, con circa 80.000 ettari dedicati nellultimo anno e secondo le considerazioni effettuate (vedi capitolo 2) una delle possibili colture energetiche del prossimo decennio; la disponibilit di dati relativi a tale coltura, unita al fatto che le tecnologie di trasformazione del grano in bioetanolo sono gi sufficientemente conosciute, ha spinto alla scelta del frumento per lanalisi del ciclo di vita, per poter effettuare lLCA nel modo pi approfondito possibile. Gli obiettivi dellLCA condotta sono pertanto: valutare gli impatti ambientali dei carburanti nel loro completo ciclo di vita; identificare e valutare le opportunit per ridurre tali impatti, una volta riconosciuti gli impatti di ogni fase del ciclo di vita (estrazione, produzione, trasformazione, distribuzione e uso); analizzare i benefici ambientali dei combustibili studiati. Il seguente studio di LCA stato effettuato secondo la metodologia di analisi del ciclo di vita formalizzata dalle norme UNI-EN-ISO 14040-43. Il software utilizzato il SimaPro 7.1 sviluppato da una societ di ricerca olandese (PR Consultants, 2007). Al suo interno sono presenti diversi database come BUWAL 250 e ETH-ESU 96 relativi a varie categorie: materiali, combustibili e sistemi di trasporti, a cui si aggiungono anche i sistemi di smaltimento dei rifiuti. I database vengono automaticamente collegati agli alberi dei processi in esame, gi implementati nel programma o costruiti dallutente. Inoltre nel software sono gi presenti dei metodi di valutazione degli impatti (quali CML 2, Eco-indicator 99, Ecopoints 97), ma anche in questo caso lutente pu inserirne di nuovi. I risultati possono essere presentati sia con tabelle di inventario sia con tabelle relative alle fasi di caratterizzazione, normalizzazione e pesatura.

5.2 UNIT FUNZIONALELunit funzionale (UF) lunit alla quale faranno riferimento tutti gli impatti e i risultati ottenuti nello studio e rappresenter lunit di riferimento del sistema analizzato (ISO, 2006). Tale riferimento necessario affinch si possa effettuare una comparazione dei diversi sistemi su una base comune. Dal momento che luso finale del combustibile influisce in grande misura nella definizione del ciclo di vita e i sistemi studiati hanno la funzione di fornire carburante per il trasporto stradale, in modo che si possano percorrere con essi la stessa distanza, si scelta come unit funzionale la quantit di combustibile, espressa in kg, di ogni carburante necessaria a percorrere un km con un veicolo di riferimento.

5.3 PROCESSI STUDIATIIn figura 5.1 sono rappresentate schematicamente i processi principali costituenti i sistemi studiati. I processi che verranno analizzati sono produzione agricola del grano di frumento, produzione delletanolo, produzione della benzina tradizionale, miscelazione etanolo-benzina, distribuzione e consumo della miscela E5, distribuzione e consumo della miscela E10, distribuzione e consumo della miscela E85, 40


distribuzione e consumo delletanolo puro (E100), distribuzione e consumo della benzina tradizionale (E0), trasporto dei materiali tra le diverse fasi.

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DIESEL

PREPARAZIONE TERRENO aratura - erpicatura - fertilizzanti

Reagenti Paglia Elettricit TRASPORTO Vapore GRANO

ESTRAZIONE DEI SUCCHI macina-miscelazione-cottura DDGS TRASPORTO FERMENTAZIONE DISTILLAZIONE ETANOLO ETANOLO DDGS RAFFINERIA Disidratazione Evaporazione Essiccamento

ETANOLO

MISCELAZIONE CON BENZINA

Fertilizzanti Pesticidi Semi

SEMINA MANTENIMENTO fertilizzanti - trattamenti

Distribuzione combustione di E0-E5-E10-E85

Trattori Attrezzi

RACCOLTA

TRASPORTO

COLTIVAZIONE

USO

BENZINA

Energia Infrastrutture Composti chimici

ESTRAZIONE GREGGIOOleodotto

RAFFINERIACamion (32t)

DEPOSITO REGIONALE PRODUZIONE BENZINA

Figura 5.1 Schema dei processi implicati nel sistema studiato

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5.4 CONFINI DEL SISTEMAI confini specifici di ogni sistema analizzato saranno discussi pi approfonditamente nei seguenti capitoli. A livello generale si pu dire che per definire i confini di un sistema sono molti gli aspetti che si devono considerare: Confini geografici: lo studio realizzato si limita alluso di etanolo e benzina in Italia, analizza la produzione di frumento nel caso particolare della Lombardia e la fase di trasformazione del grano in etanolo si basa sullipotesi che avvenga in un solo impianto (Triera s.p.a.) situato in provincia di Venezia. Questo non significa tuttavia che tutte le fasi del ciclo di vita si limitino a tale ambito geografico; difatti il ciclo di vita di alcune componenti implicate nelle fasi analizzate espande i suoi limiti ben al di fuori di quelli prima citati (ad esempio la benzina o i trattori utilizzati, che vengono prodotti allestero). Limiti temporali: lorizzonte temporale considerato lanno 2010. Fasi escluse dallanalisi: i carichi ambientali relativi alla fabbricazione dei macchinari di raffineria per la trasformazione del grano in etanolo sono stati esclusi dallo studio, cos come la fase di fabbricazione del veicolo utilizzato nella fase finale, dal momento che lo stesso per tutti i casi studiati. Deposizione atmosferica di azoto e metalli pesanti: sulla superficie terrestre si depositano metalli pesanti e azoto provenienti dallatmosfera oltre a quelli derivanti dalla precipitazione di fertilizzanti o pesticidi applicati in fase di coltura. Tali deposizioni avrebbero luogo anche in assenza di attivit agricola, in particolare la deposizione atmosferica di azoto dipendente dalla localizzazione geografica (Brentrup et al., 2000). In questo studio tale deposizione stata tenuta in considerazione, a differenza di quella relativa ai metalli pesanti che stata omessa per mancanza di dati. Suolo: linclusione o esclusione del suolo tra i limiti del sistema pu dar luogo a risultati molto diversi in un analisi del ciclo di vita (Audsley et al., 1997). In questo caso di studio il suolo stato incluso nei limiti durante la fase di coltura, poich in essa si applica la maggior quantit di agenti chimici che tendono a infiltrarsi nel sottosuolo e possono contaminare le acque sotterranee (approssimatamene fino a 2 metri di profondit). Macchinari: la costruzione, il trasporto e il mantenimento dei macchinari agricoli (trattori e attrezzi) stata considerata allinterno dei limiti del sistema, poich pu avere impatti abbastanza rilevanti ai fini dellanalisi globale (Audsley et al., 1997; Delucchi, 1993) . Uso del terreno: loccupazione di terreno agricolo stata considerata, senza supporre tuttavia nessuna conversione di terreni; perci il suolo occupato dalla coltura definito terreno arabile, non irrigato. Trasporto: considerato il trasporto del grano e dei reagenti allimpianto di trasformazione e delletanolo e della benzina alle stazioni di servizio. Il trasporto di altri sottoprodotti non stato preso in considerazione per mancanza di dati.

5.5 QUALIT DEI DATIUna volta definiti obiettivi e scopi dellLCA necessario definire le fonti dei dati pi importanti e i dati raccolti. Quando possibile i dati sono stati raccolti direttamente nelle installazioni produttive, attraverso questionari sullagricoltura o allazienda produttrice di etanolo: 1. Questionari compilati da: Dott. G. Canali (universit Cattolica, MI), M. Grossi, A. Grecchi, G. Sudati, R. Buratto (aziende agricole situate in Lombardia e Piemonte, nelle provincie di Lodi, Milano e Torino); 2. Triera S.p.a (VE): Ing. A. Gambardella (project manager di Triera S.p.a e Triera Power). 43


Per i processi nei quali non si disponeva di dati primari si ricorso a basi di dati: 1. ISTAT (Istituto nazionale di statistica), 1997-2007 http://www.istat.it 2. ENAMA (Ente nazionale per la meccanizzazione agricola), 2007. http://www.enama.it 3. Dati disponibili nello strumento Simapro 7.1 per i processi pi comuni, quali trasporto, combustibili e prodotti chimici, fonti energetiche etc. http://www.pre.nl/simapro In altri casi si ricorso a fonti bibliografiche e pubblicazioni e solo raramente a comunicazioni personali. I requisiti di qualit dei dati raccolti sono i seguenti: Ambito temporale dei dati: i dati raccolti si riferiscono preferibilmente agli ultimi cinque anni, ossia dal 2003-2007. Ambito geografico: i dati raccolti si riferiscono sempre, dove possibile, alla zona oggetto di studio (Lombardia). Ambito tecnologico: la tecnologia considerata quella attualmente utilizzata nei processi esaminati.

5.5.1 Econivent v1.1 Nel decennio del 1980 esistevano poche basi di dati di LCA, per lo pi sviluppate da enti o organizzazioni svizzere, che coprivano solo alcuni settori economici. Negli ultimi anni invece si sviluppato un crescente interesse per i dati di alta qualit, trasparenti e reali. Negli anni novanta sono state pubblicate basi di dati che rispettassero tali criteri (Ecoinvent, 2004). La base di dati Ecoinvent v1.1 comprende dati di energia, trasporto, materiali di costruzione, prodotti chimici, pasta e carta, trattamento dei residui e dati del settore agricolo. Alla sua elaborazione hanno partecipato diversi istituti svizzeri: nella tabella 5.1 sono descritti il contenuto della base di dati e listituto responsabile.Tabella 5.1 Descrizione della base di dati Ecoinvent v1.1contenuto sottosistema energetico combustibili produzione di calore produzione di elettricit plastiche carta e cartone composti chimici detergenti trattamento dei residui metalli legno materiali di costruzione composti chimici trasporto istituto responsabile Paul Scherrer institute (PSI) soci ESU-Services

Swiss federal laboratorios for materials Testing and Research (EMPA) en ST. Gallen

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Swiss federal laboratorios for materials Testing and Research (EMPA) en Dbendorf Natural and Social Science Interface, Swiss Federal In-stitute of Technology Zurich (ETHZ) Institute for Chemical and Bioengineering, Safety and Environmental Technology Group ETH

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