WOOD-UP – Valorizzazione della filiera di gassificazione di biomasse legnose per l’energia, la fertilità del suolo e la mitigazione dei cambiamenti climatici

x La diffusione di impianti di gassificazione di piccola scala ha avuto un importante incremento in Alto Adige nell’ultima decade, sia a causa dell’elevata quantità di biomassa legnosa disponibile in questa regione, sia per le condizioni economiche favorevoli generate dagli incentivi nazionali sulle energie rinnovabili. Attualmente gli impianti di gassificazione oltre a produrre energia elettrica e termica, generano uno scarto solido ad alto contenuto di carbonio chiamato char. L’analogia di questo materiale con il biochar prodotto da pirolisi ha sollevato l’interesse della comunità scientifica e degli stakeholder in merito alla possibilità di poterlo utilizzare come ammendante per i terreni. In questo modo un impianto di gassificazione potrebbe essere operato in modalità poligenerativa, cioè per la produzione di almeno tre prodotti: energia termica, energia elettrica e biochar. Al fine di valutare questa possibilità, il presente lavoro si è posto come obiettivo quello di analizzare lo stato dell’arte della diffusione in Alto Adige della tecnologia di gassificazione a piccola scala, caratterizzando qualitativamente e quantitativamente i flussi di char prodotti dagli impianti, confrontando i parametri chimicofisici dei char con i limiti normativi imposti sugli ammendanti e, infine, valutando preliminarmente la fattibilità tecnico-economica di adeguare gli esistenti impianti per renderli poligenerativi.

x L’attività antimicrobica degli estratti di Picea abies, ottenuti con due diverse tecnologie di estrazione Sohxlet ed anidride carbonica supercritica, è stata valutata sulla crescita di Enterococcus faecalis e Streptococcus thermophilus. La calorimetria isoterma è stata utilizzata come tecnica per valutare l’effetto antimicrobico. Il fitting delle curve del flusso di calore della crescita microbica è stato effettuato con l’equazione di Gompertz modificata per ottenere i parametri relativi al tempo di ritardo ed alla velocità di crescita microbica. Inoltre, i composti fenolici responsabili dell’attività antimicrobica sono stati identificati con la spettrometria di massa. I risultati hanno mostrato che, indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, entrambi gli estratti hanno attività antimicrobica simile. Tuttavia, tra i due ceppi S. thermophilus ha mostrato una maggiore resistenza all’azione antimicrobica dell’estratto rispetto ad E. faecalis. I principali composti fenolici responsabili di tale effetto sono stati la catechina, la diidroquercitina, l’astringina e l’isorapontina. I risultati hanno mostrato le potenzialità dell’estratto di Picea abies da utilizzare come antimicrobico naturale ottenuto da fonti sostenibili alternativo agli attuali conservanti artificiali.

x WOOD-UP è un progetto di ricerca applicata, che mira a produrre risultati concreti e spendibili con ricadute positive sui settori chiave (quali, agricoltura, energia ed ambiente) dell'economia dell’Alto Adige. I recenti risultati conseguiti nell’ambito del presente lavoro di ricerca hanno suggerito che il char, uno dei sottoprodotti del processo di gassificazione, ottenuto a partire dalla biomassa legnosa, potrebbe rappresentare una risorsa preziosa, qualora fosse utilizzato in campo agricolo come ammendante del suolo. Tuttavia, attualmente le caratteristiche del char prodotto in Alto Adige sono appena parzialmente note e la sua capacità di migliorare la fertilità del suolo è in pratica ancora sconosciuta. In questo contesto, l’obiettivo di tale studio è stato fondamentalmente indirizzato a valutare la potenziale fitotossicità dei char prodotti in Alto Adige. A tale scopo, i char sono stati prima caratterizzati dal punto di vista chimico. In seguito, è stato studiato l'effetto dell'applicazione del char sul suolo, attraverso l’utilizzo di specie vegetali come bioindicatori in prove di fitotossicità e di germinazione.

x L’utilizzo del carbone pirogenico (o biochar) in agricoltura ha origini antiche: nel corso dei secoli venne quasi dimenticato, e solo di recente è stato riscoperto. Il suo impiego ha lo scopo di migliorare la fertilità dei suoli, modificandone le proprietà chimiche e fisiche grazie all’interazione del biochar con i substrati con esso ammendati. In Alto Adige gli impianti di gassificazione del legno vengono utilizzati principalmente per il teleriscaldamento e generano come sottoprodotto una discreta quantità (1300 t/anno) di biochar. Esso presenta differenti caratteristiche a seconda della tipologia di impianto e delle biomasse utilizzate; ad oggi purtroppo non è utilizzato, pertanto viene smaltito in discarica. Il progetto “WoodUp”, finanziato dal Fondo Europeo di Sviluppo Regionale (FESR), è stato avviato allo scopo di caratterizzare il biochar prodotto localmente, e verificarne l’idoneità ad un suo riutilizzo agricolo, in particolare nella frutti/viticoltura locale. Viene qui di seguito presentata quest’ultima parte del progetto. Lo studio ha messo in evidenza alcuni effetti interessanti dell’applicazione del biochar tra cui: l’apporto di minerali e l’aumento del pH e del carbonio organico nei suoli, l’aumento della produttività frutticola e una qualità dei vini pressoché inalterata. L’utilizzo di biochar o di biochar arricchito con compost in viticoltura, senza ulteriori concimazioni azotate, non ha modificato significativamente la disponibilità di azoto nel terreno né il comportamento produttivo e qualitativo delle viti. Dunque, un’aggiunta di biochar può essere utile per correggere il pH del terreno, aumentarne la capacità di assorbimento e ritenzione idrica e fissare carbonio a lungo termine, non alterando produttività e qualità viticole.

x L'impiego di biochar come ammendante dei suoli rappresenta un'interessante pratica di mitigazione ambientale (sequestro stabile di carbonio nel suolo), nonché di potenziale miglioramento della fertilità chimico-fisica dei suoli trattati. Allo stato attuale le evidenze scientifiche sulle proprietà agronomiche dell'ammendante biochar non sono però del tutto acquisite e, in ogni caso, appaiono fortemente influenzate da vari aspetti riconducibili alla natura del biochar impiegato, alle caratteristiche del processo di produzione, nonché alle proprietà di partenza del terreno ammendato. In questo capitolo si riportano i principali risultati ottenuti da una serie di esperimenti condotti in ambiente controllato e su piante di vite in vaso volti a determinare: i) l'effetto dell'impiego di biochar come ammendante sul ciclo dell'azoto interno alla pianta di vite; ii) le eventuali modifiche introdotte dall'uso del biochar sulle caratteristiche idriche dei terreni e sui potenziali aumenti o riduzioni delle perdite di azoto per lisciviazione; iii) la condizione fisiologica di piante di vite in crescita su substrato contenente biochar sottoposte a livelli crescenti di stress idrico. Per quanto attiene al ciclo interno alla pianta dell'azoto, l'impiego di un fertilizzante azotato marcato con l'isotopo 15N ha permesso di evidenziare come la presenza di biochar nel substrato non modifichi in modo significativo l'assorbimento ed allocazione nei vari organi della pianta di vite dell'azoto. Il biochar modifica invece le capacità di ritenzione idrica del suolo, determinando un positivo aumento dell'acqua disponibile per le piante. In virtù della migliore disponibilità idrica, in condizioni di stress idrico indotto, le piante di vite in crescita su substrato ammendato con biochar hanno mantenuto migliori performance fisiologiche come indicato da livelli di potenziale idrico fogliare meno negativi e da una maggiore attività fotosintetica. L'aggiunta di biochar al substrato come ammendante, quando non "attivato" con compost, aumenta le quantità di azoto perse a seguito di lisciviazione. Questo risultato appare una conseguenza dei livelli di umidità più elevati mantenuti nel suolo conseguenti all'apporto di biochar e dei successivi maggiori volumi di soluzione lisciviata raccolta a seguito di abbondanti apporti idrici. In conclusione, gli esiti di alcune prove condotte su piante di vite in vaso hanno consentito di evidenziare come, in condizioni di scarsi apporti idrici al suolo, il biochar possa aumentarne la riserva di acqua disponibile per le piante, riducendone quindi il livello di stress idrico. Particolare attenzione deve essere invece posta in suoli con umidità elevata alla gestione delle fertilizzazioni azotate in quanto la presenza di biochar nel terreno può comportare un aumento delle perdite per lisciviazione.

x In Alto-Adige esistono una quarantina di impianti a gassificazione e pirolisi che ogni anno producono circa 1250 t di carbone vegetale. Quest’ultimo viene attualmente smaltito come rifiuto, rappresentando un costo per i gestori. Se il carbone vegetale rispettasse determinati parametri di legge (G.U. 186 12.08.2015) potrebbe essere definito “biochar” e distribuito nei terreni agricoli al fine di migliorarne le qualità e le rese delle colture. Inoltre, grazie all’alto contenuto di carbonio (C) e alla stabilità della sua struttura chimica, il biochar può contribuire a sequestrare C nel suolo in maniera duratura in un’ottica di mitigazione del cambiamento climatico. Tuttavia, l’ampia variabilità nei risultati pubblicati rende necessaria una verifica delle possibili condizioni di impiego specifiche dell’Alto-Adige. Nel presente capitolo si riportano i risultati di un esperimento realizzato in un vigneto nei pressi di Merano, dove si è valutata l’effettiva stabilità nel suolo di biochar prodotto a partire da cippato di legno e il suo effetto sulle emissioni di gas serra, per due anni e mezzo. Il suolo del vigneto è stato ammendato con due dosi di biochar (25 e 50 t/ha), singolarmente o in associazione con compost (45 t/ha), e confrontato con suolo di controllo non ammendato. La stabilità del biochar nel suolo è stata valutata a diversi tempi dalla distribuzione degli ammendanti (tre settimane, un anno e due anni) con due diverse metodologie: il bilancio di massa isotopico e la quantificazione degli Acidi Policarbossilici Aromatici (BPCA), marcatori molecolari del carbone. Le emissioni di gas serra (CO2, CH4, N2O) dal suolo sono state misurate attraverso un analizzatore di gas con tecnologia cavity ring-down spectroscopy (CRDS) e un sistema di camere chiuse dinamiche. I risultati hanno mostrato che il biochar ha contribuito a una riduzione delle emissioni di N2O del suolo e ad un aumento di quelle di CO2 in maniera significativa, ma limitata nel tempo e di lieve entità, mentre non ha avuto nessun effetto sulle emissioni di CH4. La stima della stabilità del biochar nel suolo è risultata influenzata dal metodo utilizzato e caratterizzata da ampia incertezza. Il metodo del bilancio di massa isotopico ha messo in evidenza una degradazione significativa del biochar soltanto nel trattamento B1 (25 t/ha), con un tempo medio di permanenza (MRT) nel suolo di 2,7 anni. Il metodo dei BPCA non ha evidenziato una degradazione significativa del biochar nel suolo per entrambe le dosi applicate. Sulla base dei risultati di questo esperimento di campo, di medio termine, si può concludere che l’impiego del biochar da gassificazione come ammendante agricolo non ha controindicazioni sull’emissione di gas serra dal suolo e contribuisce ad un aumentare il contenuto di C del terreno. Tuttavia ulteriori sperimentazioni sarebbero necessarie al fine di valutare l’efficacia di questo metodo per la mitigazione dei cambiamenti climatici a lungo termine.]

x Attraverso l’analisi di ciclo di vita (LCA) si sono valutati i consumi energetici e le emissioni di gas serra associati alla produzione e all’impiego del biochar da gassificazione nei terreni agrari alto-atesini. Ad oggi in Alto Adige esistono una quarantina di impianti di gassificazione che impiegano dieci tecnologie distinte. Nessuna di queste consente la produzione di biochar idoneo all’utilizzo in agricoltura, quindi i gestori devono smaltirlo come rifiuto. La filiera risulta avere un impatto ambientale positivo con emissioni di gas serra e consumi energetici negativi. Infatti la gassificazione del legno è una tecnologia energetica ad emissioni zero che può essere impiegata per sostituire fonti energetiche fossili, più impattanti. Il progetto Wood-Up propone diverse modalità di valorizzazione della filiera attuale. In primis, dalla biomassa legnosa si possono estrarre olii essenziali, prima della gassificazione. L’estrazione è un procedimento con alti consumi energetici, ma gli impatti non sono tali da cambiare il segno del bilancio netto della filiera. Secondariamente, il biochar può essere impiegato come ammendante agricolo, se rispetta determinati parametri di legge. A tal fine il progetto Wood-Up propone l’utilizzo di una tecnologia “migliorata” che permetta la produzione di un biochar idoneo all’utilizzo in agricoltura. Secondo l’analisi LCA, l’impiego della nuova tecnologia migliora il bilancio netto della filiera e la distribuzione del biochar nel suolo ne aumenta gli stock di carbonio e permette di ridurre l’impiego di fertilizzanti di sintesi e acqua a fini irrigui, portando un ulteriore miglioramento del bilancio netto. In Alto Adige tuttavia al momento si producono annualmente 1250 t di biochar, una quantità sufficiente ad ammendare 50 ettari ipotizzando una dose di 25 t/ha nella distribuzione in campo. Questa superficie è assai ridotta se confrontata con la superficie totale dei vigneti (5.500 ha) e dei meleti (19.000 ha). Ne consegue che per sostenere un impiego diffuso del biochar in agricoltura sarebbe necessario ricorrere all’importazione del biochar stesso, o aumentare il numero degli impianti di gassificazione. Inoltre, l’impiego delle nuove tecnologie comporterebbe un fabbisogno di biomassa circa doppio rispetto alle tecnologie attuali a parità di biochar prodotto. Ne consegue che l’implementazione di questi scenari, può realizzarsi solo attraverso una pianificazione e un sostegno politico a livello provinciale.