Valorizzazione di biomasse residuali del settore agricolo
Author(s)
Alfano, Vincenzo
Date Issued
June 24, 2020
Type
Doctoral Thesis
Abstract
La ricerca di dottorato si inserisce in un contesto di transizione da modelli di economia lineare verso modelli di economia circolare, che prevedono il riutilizzo di sottoprodotti e scarti di produzione e dal contestuale sviluppo di diversi settori della bioeconomia che, in sostituzione di materie prime fossili, non rinnovabili, utilizzano risorse biologiche, nella produzione di svariati prodotti biobased, tra cui biomateriali, biochemicals, bioenergia ed alimenti.
La tesi ha avuto come oggetto l’analisi delle risorse di biomassa residuale del settore agricolo che risultano oggi scarsamente utilizzate, ma con un grosso potenziale sia in termini di disponibilità che di caratteristiche qualitative per molteplici destinazioni, e la valutazione sperimentale di tecniche di raccolta meccanizzata e di gestione logistica dei residui più promettenti, tra cui le potature, gli espianti di fine ciclo di vigneti e frutteti e i residui di trebbiatura.
La raccolta e la gestione logistica dei residui agricoli costituisce infatti una fase molto onerosa di una possibile filiera di valorizzazione, sia essa a scopo energetico o di bioraffineria, essendo questa tipologia di biomassa residuale caratterizzate da una bassa densità volumica e dispersione sul territorio. L’obbiettivo della tesi è stato quello di valutare le soluzioni meccaniche più innovative in grado di superare gli ostacoli legati alla fase di raccolta e logistica, che hanno, di fatto, frenato finora lo sviluppo di filiere basate sull’utilizzo dei residui agricoli.
La tesi è strutturata in una parte introduttiva, in cui si descrivono sintatticamente le attività realizzate nel corso del dottorato, con un rimando alle singole pubblicazioni originate da tali attività e presentate su riviste internazionali e in atti di convegno, allegate in appendice.
Nel primo capitolo si descrive il piano di attività e le finalità del progetto di dottorato. Il secondo capitolo è dedicato all’analisi del potenziale di biomasse residuali in Italia e alla presentazione di una nuova metodologia di stima sviluppata, in particolare, per le potature. Nei due capitoli successivi si descrivono, rispettivamente, le soluzioni meccaniche e logistiche finalizzate al recupero e trasporto, in un caso, delle potature ed espianti di fine ciclo e, nell’altro, dei residui di trebbiatura.
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Per quanto riguarda le potature, si presenta una review delle macchine attualmente disponibili per la raccolta convenzionale e si descrive l’attività sperimentale finalizzata alla valutazione tecnico-economica di un cantiere innovativo per la raccolta, stoccaggio e pellettizzazione direttamente in campo delle potature di vite, con abbattimento dei costi di trasporto. Accanto alle potature, si evidenzia l’enorme potenziale degli espianti di vigneti e frutteti a fine ciclo produttivo, attraverso la descrizione delle attività di valutazione di un innovativo sradicatore, in grado di abbattere i tempi di lavoro, garantendo al contempo una adeguata pulizia delle radici dal terreno adeso, condizione essenziale per il successivo trasporto e stoccaggio ottimale.
Tra i residui di trebbiatura l’attenzione è stata posta sui tutoli del mais e sulla pula dei cereali. Il crescente interesse verso tali risorse, per finalità energetiche o zootecniche, ha spinto diverse aziende agro-meccaniche alla costruzione di dispositivi applicabili alle mietitrebbiatrici per una raccolta contestuale o successiva alla trebbiatura.
Per quanto riguarda i tutoli del mais è stata valutata una soluzione meccanica ideata da una ditta italiana in grado di operare il recupero dei tutoli contestualmente alla trebbiatura, senza compromettere le prestazioni di raccolta. Per quanto riguarda la pula dei cereali, dopo aver presentato lo stato dell’arte delle soluzioni meccaniche in correlazione alle finalità di recupero, tra le quali la riduzione del carico dei semi delle erbe infestanti, come accade in Australia, si descrive nel dettaglio la sperimentazione condotta in due stagioni successive di raccolta utilizzando una tecnologia sviluppata da una ditta francese in grado di realizzare la raccolta della pula in due modalità, separatamente dalla paglia o insieme ad essa durante l’imballatura.
Infine, si descrive una valutazione tecnico-economica finalizzata alla identificazione della distanza limite rispetto al centro di stoccaggio, di convenienza economica nella scelta tra due cantieri alternativi per la raccolta di paglia e stocchi, composti rispettivamente da carro auto-caricante e da imballatrice più forca e pianale e relative trattrici.
The doctoral research was performed into a context characterized by the awareness of the need to adopt circular economy models, based on the re-use of residues and by-products replacing non-renewable fossil resources.
Availability assessment of agricultural residues currently not used introduces the experimental tests performed on mechanized collection systems for selected residues, such as pruning, end-of-cycle stumps and threshing residues.
The aim of the thesis was to evaluate the most innovative mechanical solutions able to overcome the obstacles linked to the collection and logistics. The harvesting and logistics of agricultural residues are the most expensive phases of a supply chain, both for energy and for biorefinery purposes. In fact, these types of biomass are characterized by low density and dispersion in the territory.
The thesis is structured in an introductory part, which describes the activities carried out during the doctorate, and a second part with the publications originated from such activities and submitted in international journals and in conference proceedings attached in the second part.
The first chapter describes the activity and the aims of the doctoral project. The second chapter is dedicated to the analysis of the potential of agricultural residues in Italy with a focus on a new estimation methodology developed for pruning. The two following chapters describe, respectively, the mechanical and logistic solutions aimed at recovering and transporting prunings and threshing residues.
Concerning the prunings, a review of the machines currently available for their collection is presented, such as the experimental activity aimed at the technical-economic evaluation of a mobile system for pelleting of vineyard pruning. In addition to pruning, the enormous potential of vineyards and orchards roots at the end of the life cycle is highlighted. An innovative root extractor able to reduce working times ensuring adequate root cleaning has been described.
Among the threshing residues the attention was placed on corn cobs and cereal chaff. The growing interest in these resources, for energy and zootechnical purposes, has led several
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agro-mechanical companies to develop devices applicable to the combine harvesters for a contextual or subsequent recovery.
Concerning corn cobs, a mechanical solution designed by an Italian company able to perform the recovery of the cobs at the same time as threshing, without affecting the collection performance, was evaluated. As regards the cereal chaff, the state of the art of mechanical solutions in correlation to the recovery purposes, including the reduction of weed seeds, has been presented. Moreover, the test conducted in two successive harvesting seasons using a technology developed by a French company able to carry out the collection of the chaff separately or together with the straw is described in detail.
Finally, a technical-economic evaluation aimed at identifying the threshold distance from the storage centre, from which it is more economically convenient to gather the wheat and corn residues in bales instead of using a self-loading wagon.
Additional information
Dottorato di ricerca in Engineering for energy and environment
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