Una coltura energetica è una pianta coltivata come raccolto a basso costo e con poca manutenzione utilizzato per produrre biocarburanti, come il bioetanolo, o bruciato per il suo contenuto energetico per generare elettricità o calore. Le colture energetiche sono generalmente classificate come piante legnose o erbacee; molti di questi sono erbe della famiglia delle Graminacee.
Le colture energetiche commerciali sono tipicamente colture a densità elevata, ad alto rendimento, che vengono trasformate in biocarburanti e bruciate per generare energia. Le colture legnose come il salice o il pioppo sono ampiamente utilizzate, così come le erbe temperate come Miscanthus e Pennisetum purpureum (entrambe conosciute come erba dell’elefante). Se si desidera un contenuto di carboidrati per la produzione di biogas, colture intere come mais, erba sudanese, miglio, trifoglio dolce bianco e molti altri possono essere trasformati in insilati e quindi convertiti in biogas.
Attraverso la modificazione genetica e l’applicazione di impianti biotecnologici possono essere manipolati per creare maggiori rese, anche con cultivar esistenti si possono realizzare alti rendimenti energetici. Tuttavia, alcuni vantaggi aggiuntivi come riduzione dei costi associati (es. Costi durante il processo di produzione) e minore utilizzo di acqua può essere realizzato solo utilizzando geneticamente modificati_modified_crops # colture biofuel geneticamente modificate.
Definizione e demarcazione
Le colture energetiche sono colture agricole coltivate con l’obiettivo principale di produrre energia distinta dalle piante per la produzione alimentare, le colture foraggere e le colture industriali. Piante selvatiche, la z. B. sono utilizzati come legna da ardere energeticamente, non sono considerati tra le colture energetiche. Di solito vengono incluse piante forestali coltivate su terreni agricoli ad uso energetico (ad esempio in piantagioni a rotazione breve). In parte, le centrali energetiche sono parlate solo quando l’energia è utilizzata in tutta la pianta.
Decisivo è l’uso della pianta. Quindi il mais sia come mais dolce per il consumo umano che come mais da alimentazione (insilato di mais) per l’alimentazione degli animali o come mais per l’energia vengono coltivati per la produzione di biogas. A seconda della direzione d’uso, le varietà e i metodi di coltivazione utilizzati per le colture energetiche differiscono in parte da quelli utilizzati per alimenti e mangimi.
Gruppi di piante e utilizzo
Numerose specie di piante sono adatte per l’uso energetico. Tra questi vi sono sia le colture tradizionali dell’agricoltura, sia quelle parzialmente ottimizzate per l’uso di varietà energetiche (ad esempio colza e mais), sia colture che non sono state utilizzate o appena arabili, ma dall’aspetto del consumo di energia sono interessanti (per esempio, Miscanthus, Silphie perenne, Sida hermaphrodita). Finora, la coltivazione si è concentrata su colture arabili già diffuse. L’allevamento di nuove varietà e l’uso di nuove colture sono appena all’inizio. La tabella seguente elenca alcune specie e gruppi vegetali coltivati nell’Europa centrale come colture energetiche. Possono essere interessate colture energetiche con superficie o superficie significativa in altre regioni. un. Soia, olio di palma, purging nut e canna da zucchero.
Sempre più piante legnose a crescita rapida come salici, pioppi e robinia vengono coltivate nei siti agricoli dell’Europa centrale per soddisfare la crescente domanda di biomassa legnosa. Questo dimostra che le aree particolarmente umide sono adatte per la coltivazione di salici e pioppi, poiché la loro crescita è fortemente legata alla disponibilità di acqua. Ad esempio, le stime potenziali per la Germania mostrano speciali posizioni favorevoli nel nord-ovest (metodi e risultati, con dati e mappe nelle fonti). In fase di crescita, tuttavia, va notato che l’elevato consumo di acqua delle piante può anche avere un impatto negativo sugli ecosistemi acquatici vulnerabili. Tuttavia, la coltivazione offre una forma alternativa di utilizzo per terreni agricoli affollati.
Le colture energetiche in Europa centrale e il loro uso
| materiale grezzo | metodo | Prodotto | Pianta (frutto) |
|---|---|---|---|
| zucchero e parti di piante amidacee | Fermentazione (fermentazione con etanolo) | combustibile liquido biogeno (bioetanolo, additivi per carburanti) |
Barbabietola da zucchero, patate, grano di mais, grano di mais |
| parti di piante oleose | Premendo / estraendo, (Transesterificazione) |
combustibile liquido biogeno (combustibile per olio vegetale, biodiesel) |
Semi di colza, semi di girasole |
| combustibili solidi biogenici (pianta intera o parziale, pezzo di legno, trucioli di legno, pellet) |
combustione | Calore ed elettricità da combustibile solido biogenico | Alberi, erbe, cereali (grano), miscanto |
| biomassa fermentabile (substrato: pianta intera o parziale, rifiuto organico) |
Fermentazione (degradazione anaerobica con formazione di metano) | Calore ed elettricità da biomassa, gas combustibile biogenico (biometano) |
Mais, cereali, cereali barbabietola |
Le colture energetiche sono utilizzate per la produzione di calore, energia elettrica e biocarburanti.Vengono utilizzati una varietà di percorsi di utilizzo, in particolare la fermentazione o la produzione di biogas negli impianti di biogas (uso come substrato di fermentazione), la combustione (uso come biocarburante) e varie altre forme di conversione totale o parziale della biomassa (compresa la pirolisi, produzione di biocarburanti sintetici ( BTL)). I vettori energetici sono il substrato vegetale stesso dopo la triturazione (es. Combustibili solidi biogenici come legna da ardere, pellet), pressatura / estrazione o ulteriore lavorazione (ad es. Combustibili liquidi biogenici come olio combustibile vegetale, bioetanolo, biodiesel, BTL) o gas ricchi di energia ottenuto mediante gassificazione della biomassa (ad esempio gas combustibili biogenici come biogas, syngas, idrogeno).
tipi
Per stato
Biomassa solida
Energia generata bruciando piante coltivate allo scopo, spesso dopo che la materia secca viene pellettizzata. Le colture energetiche vengono utilizzate per la produzione di centrali elettriche, da sole o in combinazione con altri combustibili. In alternativa, possono essere utilizzati per la produzione di calore o di energia elettrica combinata (CHP).
Per coprire i crescenti fabbisogni di biomassa legnosa, il bosco ceduo a rotazione rapida (SRC) è stato applicato ai siti agricoli. All’interno di questi sistemi di coltivazione, specie a crescita rapida come salici e pioppi vengono piantate in cicli di crescita da tre a cinque anni. La coltivazione di queste colture dipende dalle condizioni del suolo umido e potrebbe essere un’alternativa per le sier di campo umide. Tuttavia, non è stato possibile escludere un’influenza sulle condizioni locali dell’acqua. Ciò indica che uno stabilimento dovrebbe escludere la vicinanza agli ecosistemi delle zone umide vulnerabili.
Biomassa gassosa (metano)
I digestori anaerobici o le piante di biogas possono essere integrati direttamente con le colture energetiche una volta che sono stati insilati nell’insilato. Il settore in più rapida crescita del biofarming tedesco è stato nel settore delle “Renewable Energy Crops” su quasi 500.000 ha (1.200.000 acri) di terreno (2006). Le colture energetiche possono anche essere coltivate per incrementare la produzione di gas in cui i mangimi hanno un basso contenuto energetico, come i concimi e i cereali deteriorati. Si stima che il rendimento energetico attualmente delle colture bioenergetiche convertite da silaggio a metano sia di circa 2 GWh / km2 (1,8 × 1010 BTU / sq mi). Piccole imprese miste di colti con animali possono utilizzare una parte della loro superficie coltivata per coltivare e convertire colture energetiche e sostenere l’intero fabbisogno energetico dell’azienda con circa un quinto della superficie coltivata. In Europa e in particolare in Germania, tuttavia, questa rapida crescita si è verificata solo con un sostanziale sostegno del governo, come nel sistema di bonus tedesco per le energie rinnovabili. Sviluppi analoghi di integrazione della produzione agricola e della produzione di bioenergia tramite silaggio-metano sono stati quasi del tutto trascurati in America del Nord, dove problemi politici e strutturali e un’enorme spinta continua a centralizzare la produzione di energia hanno oscurato sviluppi positivi.
Biomassa liquida
Biodiesel
La produzione europea di biodiesel da colture energetiche è cresciuta costantemente nell’ultimo decennio, principalmente concentrandosi sulla colza utilizzata per il petrolio e l’energia. La produzione di olio / biodiesel da colza copre oltre 12.000 km² solo in Germania, ed è raddoppiata negli ultimi 15 anni. La resa tipica dell’olio come biodiesel puro può essere di 100.000 L / km2 (68.000 US gal / sq mi; 57.000 imp gal / sq mi) o più, rendendo le colture biodiesel economicamente interessanti, a condizione che esistano rotazioni di colture sostenibili equilibrate e preventive della diffusione di malattie come il clubroot. La resa in biodiesel dei semi di soia è significativamente inferiore a quella della colza.
Olio tipico estraibile a peso
| raccolto | Olio % |
|---|---|
| copra | 62 |
| semi di ricino | 50 |
| sesamo | 50 |
| kernel di arachidi | 42 |
| jatropha | 40 |
| colza | 37 |
| kernel di palma | 36 |
| semi di senape | 35 |
| girasole | 32 |
| frutto da Palma | 20 |
| soia | 14 |
| semi di cotone | 13 |
Il bioetanolo
Le colture energetiche per il biobutanolo sono erbe. Due principali colture non alimentari per la produzione di bioetanolo cellulosico sono il panico verga e il miscanto gigante. C’è stata una preoccupazione per il bioetanolo cellulosico in America, in quanto la struttura agricola a sostegno del biometano è assente in molte regioni, senza alcun sistema di crediti o bonus. Di conseguenza, molte speranze di denaro privato e investitori sono state riposte su innovazioni commercializzabili e brevettabili nell’idrolisi degli enzimi e simili.
Il bioetanolo si riferisce anche alla tecnologia di utilizzare principalmente mais (semi di mais) per produrre etanolo direttamente attraverso la fermentazione, un processo che in determinate condizioni di campo e di processo può consumare tanta energia quanto il valore energetico dell’etanolo che produce, quindi non essendo sostenibile. I nuovi sviluppi nella conversione di grani di cereali (indicati come distillatori di grano in grani o sistemi DGS) in energia da biogas sembrano promettenti come mezzo per migliorare il rapporto energetico scarso di questo tipo di processo di bioetanolo.
Per dedizione
Le colture energetiche dedicate sono colture energetiche non alimentari come miscanthus gigante, panico verga, jatropha, funghi e alghe. Le colture energetiche dedicate sono promettenti fonti di cellulosa che possono essere prodotte in modo sostenibile in molte regioni degli Stati Uniti.
Inoltre, i sottoprodotti dei rifiuti verdi delle colture energetiche alimentari e non alimentari possono essere utilizzati per produrre vari biocarburanti.
Estensione e sviluppo della coltivazione
In Germania le colture energetiche sono coltivate su 2,28 milioni di ettari (a partire dal 2011). Ciò corrisponde al 19% del totale delle terre coltivabili in Germania. Di questi, oltre un milione di ettari sono dedicati alla coltivazione di semi di colza per il biodiesel e il combustibile per olio vegetale, le piante producono oltre 500.000 ettari per la produzione di biogas e oltre 250.000 ettari vengono utilizzati per coltivare zucchero e amido per il bioetanolo. La coltivazione di colture energetiche è aumentata drasticamente negli ultimi anni: nel 1998 la superficie totale coltivata per le risorse rinnovabili in totale (compresa la coltivazione per uso materiale) era inferiore a 500.000 ettari.Secondo le stime attuali, l’Agenzia per le risorse rinnovabili (FNR) stima la superficie per le materie prime rinnovabili in Germania nel 2012 a circa 2,5 milioni di ettari. La maggior parte di questi, 2,1 milioni di ettari, sono coltivati utilizzando colture energetiche. Le colture energetiche più importanti sono ancora la colza per i biocarburanti, nonché il mais, altri cereali ed erbe per gli impianti di biogas. La parte più piccola della superficie è utilizzata per materie prime rinnovabili, che vengono utilizzate per scopi chimico-tecnici nell’industria.
Promozione
La coltivazione di colture energetiche è stata finora sostenuta finanziariamente nell’ambito della politica agricola comune dell’Unione europea con pagamenti diretti (il cosiddetto premio per le colture energetiche). Questa promozione di un massimo di 45 € / ha è stata abolita nel 2010. Sotto il ritiro obbligatorio fino al 2007, gli agricoltori non potevano coltivare alimenti o nutrirsi di una parte dei loro seminativi e ricevere un premio per la messa a riposo. Tuttavia, la coltivazione di colture energetiche su queste aree è stata permessa. Un premio per le colture energetiche viene concesso solo agli agricoltori per terreni non ritirati. Abolendo la messa a riposo obbligatoria e il premio per le colture energetiche, la promozione diretta della coltivazione di colture energetiche sta perdendo importanza.
Effetti ambientali
Utilizzando le colture energetiche, le fonti di energia possono essere fornite in modo ecocompatibile.La riduzione delle emissioni di biossido di carbonio (CO2) per ridurre l’effetto serra è un fattore importante. L’impatto sul clima della coltivazione e l’uso di colture energetiche è oggetto di discussione controversa. Oltre al risparmio di CO2 attraverso l’uso di materie prime rinnovabili, i bilanci climatici dell’agricoltura devono anche calcolare le emissioni rilevanti per il clima del protossido di azoto N2O, che si verifica soprattutto nelle colture arabili fertilizzate con azoto. La coltivazione e l’uso del suolo possono anche avere un impatto importante sull’impatto climatico delle colture energetiche: bonificare le foreste pluviali, coltivare le torbiere o modificare i prati per produrre colture energetiche rilascia grandi quantità di gas serra.
L’Unione europea ha adottato la direttiva sulle energie rinnovabili (CE), che si applicherà a partire dal giugno 2009. Tra l’altro, stabilisce criteri di sostenibilità per la promozione dei biocarburanti e la loro inclusione negli obiettivi dell’UE in materia di biocarburanti. Questi criteri di sostenibilità sono stati recepiti nella legislazione tedesca con l’ordinanza sulla sostenibilità dell’elettricità da biomassa (Biost-NachV, valida a partire da agosto 2009) e l’ordinanza sulla sostenibilità dei biocarburanti (Biokraft-NachV, valida da settembre 2009).
Uno degli obiettivi della ricerca sulle colture energetiche è il miglioramento del rendimento energetico per superficie, utilizzando impianti completi e ottimizzando i processi. Inoltre, vengono studiati metodi per espandere l’area utilizzabile, ad es. Allevamento di alghe di acqua salata nelle aree desertiche o coltivazione della friabile Jatropha.
Tuttavia, le aree necessarie per la coltivazione di colture energetiche potrebbero essere utilizzate anche per altri scopi economicamente ed ecologicamente sensibili (ad esempio, materie prime rinnovabili per l’uso materiale, estensivizzazione dell’agricoltura). Inoltre, non sono più disponibili per la produzione alimentare (area competition). In vista della crescita della popolazione, vengono discusse questioni etiche in questo contesto, in particolare viene criticato l’uso di prodotti alimentari come i cereali (ad esempio la combustione dei cereali) (competizione per uso).
La coltivazione di colture energetiche è spesso gestita come agricoltura ad alta intensità, per quanto riguarda l’uso di fertilizzanti e pesticidi, che può portare a danni ecologici. La coltivazione di piante da regioni estere di origine come colture energetiche comporta rischi, ad es. dalla diffusione dei neofiti.