Costi ed impatto sul territorio dello sfruttamento
della biomassa a scopi energetici:
un’analisi GIS based
Ing. L. Nibbi, ETA – Energie Rinnovabili
Workshop – 29 Settembre 2003
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Sommario
• GIS – Note Introduttive
• Filiera Energia-Biomassa
• Descrizione metodologia
• Implementazione algoritmo su base GIS
• Esempi
• Conclusioni
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GIS - Note introduttive
Geographic Information System
In Italiano
Sistema Informativo Territoriale (SIT)
Si definisce GIS un sistema informatico
progettato in modo da permettere all’utente
di raccogliere, gestire ed analizzare grandi
quantità di dati georeferenziati, ivi compresi
gli archivi associati
Nel senso più esteso del termine, si può definire GIS un qualunque
sistema informativo integrato che includa componenti geografici
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Filiera energia-biomassa (1)
La filiera energia-biomassa
•produzione ed approvvigionamento della biomassa;
•stoccaggio intermedio e finale;
•conversione della biomassa in biocombustibile solido o liquido;
•consegna della biomassa all'impianto;
•produzione dell'energia.
Ogni segmento di tale filiera dipende in misura maggiore o minore
dalla collocazione geografica del processo.
E' ormai dimostrato che se ciascun comparto della filiera non è
ottimizzato, il costo finale dell'energia prodotta dall'impianto può
risultare non competitivo in confronto col combustibile tradizionale.
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Filiera energia-biomassa (2)
Per raggiungere una competitività della biomassa nel
settore energetico,è indispensabile quindi un'analisi
economica su larga scala che si avvalga anche di
strumenti GIS per la stima dei costi di localizzazione.
Un approccio del genere consente di ottimizzare la
collocazione geografica di ogni segmento della filiera, e
la scelta della tipologia di biomassa idonea, valutando
e possibilmente minimizzando l'effetto di ciascun
fattore sul costo finale dell'energia prodotta.
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Metodologia (1)
Scopo dell’indagine
Eseguire un'analisi di dettaglio sui singoli bacini di
approvvigionamento con lo scopo di:
• calcolare il costo marginale della biomassa consegnata
all'impianto;
• evidenziare il percorso stradale interessato dal trasporto
della biomassa;
• quantificare e localizzare le emissioni correlate al
trasporto della biomassa.
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Metodologia (2)
Area in esame
selezionata in
precedenza
sulla base di
un’analisi GIS;
omogenea dal
punto di vista
agronomico o forestale.
Bacino di approvvigionamento
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Nell’area esistono
zone a vocazione
industriale o
centri di raccolta
potenziali
Esiste una
produttività annua
di biomassa
sufficiente ad
alimentare un
impianto di
conversione
energetica
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Metodologia (3)
Localizzazioni potenziali
Localizzazioni potenziali
per l’installazione di
un impianto di
conversione
MW
t/anno
energetica, un
Y
X
impianto di
2Y
1.95X
pellettizzazione
….
….
oppure un centro
di raccolta.
Le localizzazioni sono
il risultato di un’analisi
territoriale sulla base di vincoli
sulle caratteristiche dell’area interessata
(area industriale, accessibilità etc.)
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Analisi dettagliata su
di ogni singola
localizzazione
potenziale
Per ciascuna
localizzazione
posso considerare
un set di taglie
di impianto diverse,
cui corrispondono
diversi quantitativi
di biomassa in ingresso
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Metodologia (4)
Rete di trasporto
L’area oggetto di
analisi è percorsa
da un network di
trasporto
al quale si collega
la localizzazione
potenziale in
esame
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Metodologia (5)
Biomassa
produttività
Per l’area oggetto di
analisi conosco la
localizzazione delle
aree di produzione
della biomassa…
costi di produzione
costi di raccolta
costi di esbosco
…..
… e per ciascuna
zona di produzione
conosco un set di
informazioni circa la produttività
ed i costi ad essa correlati quali quelli dovuti ad esempio alla
raccolta/esbosco della biomassa
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Metodologia (6)
Biomassa
La localizzazione delle
aree di produzione
della biomassa…
… e la mappa del
network dei
trasporti…
… mi consentono
di individuare
i punti di accesso
della biomassa alla
rete di trasporto
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Metodologia (7)
Posso adesso
considerare il
trasporto della
biomassa da
ciascuna zona di
produzione
alla localizzazione
potenziale in esame
…sono quindi in grado
di calcolare un set di
informazioni riferite al
trasporto circa costi,
emissioni etc.
costo di trasporto
numero di viaggi
Il collegamento avviene
attraverso il minimo percorso
che unisce i due punti, individuato
attraverso algoritmi di ottimizzazione (Dijkstra’s
shortest path algorithm)
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emissioni CO2
emissioni NOX
….
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Metodologia (8)
costi di produzione
Proseguo nella raccolta
della biomassa alla
localizzazione
potenziale.
Per ogni stock di
biomassa posso
conoscere il
costo totale e le
emissioni correlate
al trasporto.
costo di trasporto
emissioni
costi di raccolta
costi di esbosco
…..
costo totale della biomassa
consegnata all’impianto
emissioni
….
…..
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Metodologia (9)
La biomassa viene
raccolta in ordine
crescente di costo
fino a che non si
raggiunge il
quantitativo di
materiale in grado
di soddisfare il
bisogno dell’impianto.
Alcune produttività non
saranno considerate
poiché….
…in altri casi il costo di
trasporto eccessivo
porterà all’esclusione
della relativa
produttività.
…in alcuni casi
un costo di
produzione troppo
elevato inciderà
negativamente sul costo totale…
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Metodologia (10)
Ho quindi individuato
le aree da cui
approvvigionare
di biomassa la
localizzazione
potenziale
Ho inoltre indicazioni
circa l’andamento
del costo della biomassa
consegnata all’impianto man
mano che questa viene raccolta
(curva di accumulazione relativa alla localizzazione ed alla taglia
d’impianto prescelta)
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Metodologia (11)
TIPO
Ho inoltre localizzato
le strade interessate
dal traffico
veicolare dovuto
al trasporto della
biomassa verso
la localizzazione
potenziale…
…e le conseguenti emissioni
dei principali inquinanti in
ton annue per km cui sono sottoposte.
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ton/anno/km
CO2
A
CO
B
NOX
C
HC
D
…
…..
numero di viaggi
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Implementazione (1)
Implementazione della Metodologia
E’ stato quindi realizzato un algoritmo su base GIS che ricalca la
metodologia appena illustrata. Lo si è implementato nella forma di un
eseguibile utilizzabile al di fuori di una qualsiasi specifica applicazione
GIS
I dati GIS, sia in ingresso che in uscita dal programma, sono salvati in
formati liberi standard, così da rendere possibile l'utilizzo del
programma in combinazione con un qualsiasi ambiente software GIS.
Per ciascuna taglia di impianto considerata e per ciascuna
localizzazione potenziale, si calcola il costo di produzione e di
trasporto per approvvigionare l'impianto con la necessaria quantità di
biomassa; si quantificano e localizzano inoltre le emissioni associate al
trasporto.
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Implementazione (2)
Parameters
FORTRAN90
Maps
OUTPUT
INPUT
Formati “Open”
Prodotto di Software GIS
generico
Formati “Open”
Analizzabili tramite Software GIS
generico
Algorithm
Raster
Maps
Data
ambiente GIS
GIS environment
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Esempio (1)
Esempio di applicazione
Si mostra adesso l’applicazione della metodologia, tramite
l’algoritmo di calcolo, ad un bacino di approvvigionamento
ed i risultati del calcolo per un impianto di piccola taglia:
• costo marginale della biomassa consegnata all'impianto e
curva di accumulazione;
• percorso stradale interessato dal trasporto della
biomassa ed emissioni correlate;
• localizzazione delle aree di produzione di biomassa da
cui l’impianto si rifornisce
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Esempio (2)
Input – area analizzata
Area sottoposta
ad un’analisi
approfondita
attraverso
l’algoritmo di
calcolo su base
GIS.
Area selezionata
tramite
un’analisi
effettuata su
base GIS.
Due
localizzazioni
potenziali per
l’installazione
dell’impianto di
conversione
sono
selezionate
tramite
un’analisi su
base
territoriale.
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Esempio (3)
Input – risorsa biomassa
Si considera il recupero
degli scarti delle potature
da frutteto, oliveto e
vigneto.
Ad ogni pixel corrisponde
una produttività, un costo
di produzione/esbosco ed
un contenuto energetico
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Esempio (4)
Input - rete di trasporto
La rete dei trasporti
consente il calcolo dei
costi di trasporto e delle
emissioni associate e la
loro localizzazione
geografica
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Esempio (5)
Output – costo biomassa
Curva di accumulazione
Impianto 1MW
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Esempio (6)
Output – percorsi, emissioni e biomassa
La mappa evidenzia i
percorsi interessati dal
trasporto della biomassa,
con emissioni correlate
(giallo->rosso).
Si individuano inoltre le
aree da cui si
approvvigionerà l’impianto
per la taglia in analisi
(1MW).
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Conclusioni
Conclusioni
•Se ciascun comparto della filiera biomassa-energia non è ottimizzato,
il costo finale dell'energia prodotta dall'impianto rischia di non essere
competitivo se confrontato col combustibile tradizionale.
• Dal momento che ogni segmento della filiera dipende in varia misura
dalla sua collocazione geografica, il raggiungimento di tale
competitività passa per un'analisi economica su larga scala che si
avvalga anche di strumenti GIS per la stima dei costi di localizzazione.
• La stima, sempre condotta su base geografica, delle emissioni
connesse al trasporto della biomassa aiuta inoltre a valutare
quantitativamente i benefici effettivi del suo uso a scopi energetici.
• La metodologia sviluppata è assolutamente indipendente dalla zona
in esame, e può esser facilmente replicata ad altre aree, previa la
raccolta di un set sufficiente di dati georeferenziati.
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