È sempre stata idea piuttosto comune che soluzioni di propulsione alternativa al classico motore a combustione, se potevano funzionare in ambito automotive, difficilmente avrebbero potuto essere impiegate sulle macchine agricole.
Fattori quali l'impennata dei prezzi del carburante, le problematiche ambientali e le leggi sempre più stringenti in termini di emissioni, hanno mischiato le carte e portato ad una spinta Nello studio e ricerca di soluzioni di questo tipo anche in ambito Agri.
Le soluzioni ibride, elettriche, a biogas, a biometano e anche ad idrogeno sono entrate ormai nel linguaggio comune delle macchine agricole e in alcuni casi, anche nel listino prodotti di molte case costruttrici. La domanda che ci siamo posti è: queste soluzioni alternative sono davvero sostenibili?
Gasolio agricolo ma quanto costi?
Fattore 1: l'aumento del prezzo. Una concomitanza di cause ben note, ha spinto negli ultimi mesi il prezzo del petrolio a livelli record. Mostrando un andamento del tutto simile, i prezzi dei prodotti derivati - compreso il gasolio agricolo - sono schizzati alle stelle.
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Se in questo momento dell'anno il prezzo del petrolio è tornato a valori simili a quelli registrati nel 2021, quello del carburante agricolo, seppur diminuito, è ancora molto elevato e vive una maggiorazione media del 40-50% sullo scorso anno. Il gap è ancora maggiore se paragonato al 2020. Se non fossero stati attivati interventi di sostegno ad opera delle Istituzioni, l'intero comparto agricolo sarebbe a rischio.
Variazione del prezzo del gasolio agricolo in Lombardia da dicembre 2020 a dicembre 2022
(Fonte foto: Clal)
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L’Europa dice stop alle emissioni inquinanti
Fattore 2: le norme più rigide. A livello globale, l'agricoltura ha un forte impatto sulle emissioni di gas serra. Secondo il più recente report del Gruppo intergovernativo sul cambiamento climatico dell'Onu, circa il 23% delle emissioni di gas serra di origine umana a livello globale, proviene da agricoltura, silvicoltura e altri usi del suolo. In Europa, come riporta uno studio dell'associazione dei costruttori europei di macchine agricole Cema, questa percentuale scende al 10% che diventa 11% se includiamo le emissioni generate dall'uso di macchinari agricoli.
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Le emissioni dirette generate dalle macchine agricole provengono principalmente dei gas di scarico dei motori. Questi, alimentati a gasolio producono una serie di inquinanti tra cui il Particulate Matter PM, il Particulate Number PN e Ossidi di Azoto NOx.
L'Unione Europea ha fissato l'obiettivo di raggiungere la completa neutralità dal punto di vista delle emissioni di carbonio entro il 2050. Tra i principali obiettivi delle politiche energetiche globali, europee e nazionali per ridurre le emissioni aumentando l'efficienza energetica e raggiungere l'indipendenza dai combustibili fossili, è quindi l'impiego di veicoli elettrici o ibridi e carburanti verdi alternativi.
Motori a combustione ed emissioni in agricoltura
Tuttavia, prima di concentrarsi sulle proposte alternative è importante ricordare che quanto fatto fin'ora per ridurre le emissioni dei motori diesel, che ricordiamo quotano l'1% delle emissioni totali di gas effetto serra a livello europeo, non è da trascurare. Per spingere i costruttori a sviluppare motori che riducessero le emissioni inquinanti, a partire dal 1996 sono stati introdotti limiti alle emissioni (Stage) sempre più restrittivi. Ad esempio, per il valore di PM emesso dai motori tra i 100 e i 175 cavalli (75-129 chilowatt), si è passati da un limite massimo di 0,70 grammi per chilowatt dello Stage I a 0,01 grammi per chilowatt dello Stage V. Una riduzione complessiva del 98,6%.
Di anno in anno i nuovi standard hanno ridotto ulteriormente le emissioni rispetto ai livelli precedenti
(Fonte foto: Lubrizol360)
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Oggi gli standard europei giunti allo Stage V e al Tier 4 Final negli Stati Uniti, richiedono la presenza sui motori di dispositivi ad hoc per il trattamento dei gas di scarico. Ma i componenti per l'abbattimento delle emissioni aumentano il costo dei propulsori e li redono più ingombranti, un problema soprattutto per la fascia di trattori stretti o specializzati.
Se in futuro venisse richiesta una ulteriore riduzione delle emissioni, i costruttori dovrebbero scontrarsi con grandi difficoltà progettuali in particolare per i mezzi più piccoli e i trattori specializzati.
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Sostenibile vs economico
L'implementazione di soluzioni di propulsione elettrica o di carburanti alternativi potrebbe essere una soluzione vantaggiosa in termini di efficienza energetica e di funzionalità. Non mancano tuttavia criticità come l'elevato costo di produzione e di smaltimento delle batterie, l'assenza di infrastrutture adeguate e, fino a poco tempo fa, l'ampia disponibilità di combustibili fossili a prezzi convenienti.
Il nuovo contesto che si è andato definendo negli ultimi anni, sta orientando con sempre maggiore convinzione i produttori di macchine agricole verso lo sviluppo di sistemi alternativi e a basso impatto ambientale.
Ad Eima International 2022 numerose aziende hanno presentato prototipi elettrici
Ma quanto sono sostenibili queste soluzioni? I fattori da considerare per valutare l'impatto economico e ambientale sono molti.
Dalla culla alla tomba
Il Life circle assessment (Lca), è un sistema di valutazione utile a misurare l’impatto ambientale di qualsiasi attività produttiva, ampiamente utilizzato in molti settori.
L'analisi Lca verifica in modo oggettivo, tramite un protocollo standardizzato, le prestazioni ambientali di un prodotto o processo. L'intero ciclo di vita è preso in analisi e ne vengono considerate tutte le fasi: dalla produzione delle materie prime allo smaltimento dei rifiuti generati, includendo processi, trasporti e uso.
Le fasi considerate durante un'analisi Lca coprono l'intero ciclo di vita di un prodotto o processo
(Fonte foto: AgroNotizie)
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Si può misurare la sostenibilità delle filiere agricole?
Sebbene nato e sviluppato per processi industriali, il sistema è applicabile all'agricoltura. Nella maggior parte dei casi condurre un analisi Lca completa è estremamente complesso. Per questo spesso viene "spacchettata" in passaggi più piccoli e facilmente studiabili. Non si analizza più l'intera filiera ma solo alcune fasi fino ad arrivare ai singoli elementi.
Nella meccanizzazione agricola, ad esempio, può concentrarsi sulle singole filiere come la produzione del grano, sui singoli processi come la semina, sulle singole macchine come il trattore, o addirittura, su alcuni suoi componenti. Nel nostro caso il motore.
Anche in questo modo non è sempre facile condurre l'analisi, principalmente a causa della carenza dei dati necessari alla corretta valutazione. Sono comunque molti gli studi che si sono concentrati sull'elettrificazione come alternativa ai combustibili fossili convenzionali.
Batterie tradizionali o ad idrogeno?
Già nel 2011, in tempi non sospetti, uno studio iraniano(1) ha analizzato le prestazioni di un prototipo di trattore ibrido plug-in elettrico solare. I risultati hanno mostrato che le emissioni per l'intero ciclo di vita erano pari a solo 72,8 tonnellate di CO2 eq rispetto alle 420 tonnellate di un trattore con motore endotermico. Lo studio evidenzia come principale voce di costo del trattore elettrico, le batterie e alla loro sostituzione: rappresentano circa il 52% del prezzo totale del veicolo.
Un'alternativa alle batterie agli ioni di litio tradizionali sono le celle a idrogeno, soluzione più efficiente adatta alle macchine più potenti sia per durata che per velocità di ricarica. Come dimostra uno studio francese(2), anche le prestazioni sono migliori: seppur con alcuni limiti operativi questi sistemi in versione ibrida sono in grado di ridurre il consumo di carburante di quasi un terzo rispetto ad un veicolo con motore diesel puro.
Schema di funzionamento di una batteria agli ioni di litio e una cella a combustibile (idrogeno) a confronto
(Fonte foto: AgroNotizie)
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Analisi Lca: vince l'elettrico con qualche ma
La più recente analisi Lca condotta da alcuni ricercatori della Swedish University of Agricultural Sciences nel 2021(3), ha confrontato un trattore elettrico con un ipotetico trattore dotato di motore a combustione da 300 cavalli e massa di circa 10 mila chilogrammi.
Considerando l'intero ciclo di vita, il veicolo elettrico ha un impatto del 72% inferiore rispetto al trattore tradizionale. In particolare, le emissioni di CO2 prodotte nell'arco di un anno si attestano in media su 102 chilogrammi per ettaro, ovvero il 35% in meno rispetto ai 293 chilogrammi a ettaro del trattore diesel. I risultati mostrano però che il trattore elettrico ha avuto un impatto maggiore durante la fase di produzione. Anche in questo caso la produzione delle batterie la fa da padrone.
La fase di campo è stata per entrambi i mezzi la più impattante. Qui il mix energetico utilizzato per la ricarica del trattore elettrico è decisiva: l'impiego di energia idroelettrica ha determinato un impatto di 45 chilogrammi di CO2 per ettaro all'anno che sale a 445 chilogrammi di CO2 per ettaro all'anno con l'uso di carbone fossile. In quest'ultimo caso, superiamo il valore di 293 chilogrammi di CO2 a ettaro prodotti del trattore con motore diesel e quindi perdiamo la convenienza ambientale del trattore a propulsione alternativa.
Mix energetico EU: composizione delle fonti energetiche primarie usate per produrre energia elettrica nel 2020
(Fonte foto: Ispi)
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Non tutti i trattori sono uguali
In ultimo, ma non per importanza, è da considerare la convenienza economica della transizione verso l'elettrico. Da uno studio italiano(4) del 2022 emerge che "L'elettrificazione del propulsore dei trattori ad alta potenza dovrebbe essere evitata, mentre potrebbe essere vantaggiosa per i trattori specializzati". Lo studio mostra come i risparmi sui costi operativi (costo totale di proprietà) in frutteto sono pari a circa l'8%, mentre nelle colture di pieno campo per impieghi medi scendono al 3% e allo 0,5% per impieghi gravosi.
Risparmi sui costi operativi dei trattore ibridi rispetto a uno tradizionale nelle diverse operazioni in frutteto/vigneto. A confronto due diverse tipologie di veicoli ibridi (Hyb. 1 e Hyb. 2). Nell'ultima colonna le performance migliori delle due soluzioni
(Fonte foto: Beligoj et al. 2022)
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L'elettrico è la soluzione?
L'elettrificazione delle macchine agricole può effettivamente ridurre il consumo di carburanti fossili e l'emissione di gas climalteranti. Il ricorso a propulsioni alternative apre inoltre la strada alla nascita di veicoli compatti, autonomi e connessi, che potranno migliorare anche la qualità del lavoro e incrementare l'operatività delle aziende.
Dal punto di vista del beneficio ambientale, va ricordato che il suo raggiungimento è vincolato alla modalità di produzione dell'energia elettrica che deve essere ottenuta da fonti a basse emissioni. Ad esempio, la produzione in loco di energia rinnovabile tramite impianti agrovoltaici o a biometano, aumenterà i benefici sia in termini di minori emissioni complessive sia dal punto di vista economico grazie alla possibile indipendenza energetica delle aziende agricole.
Bibliografia
(1) Hossein M, Alireza K, Arzhang J, Hossein M, Karen A, Ahmad S, Life-cycle assessment of a Solar Assist Plug-in Hybrid electric Tractor (SAPHT) in comparison with a conventional tractor. Energy Conversion and Management, Volume 52, Issue 3, 2011, Pages 1700-1710.
(2) P. Tritschler, S. Bacha, E. Rullière, and G. Husson, Energy management strategies for an embedded fuel cell system on agricultural vehicles. The XIX International Conference on Electrical Machines - ICEM 2010, 2010, Pages 1-6.
(3) Lagnelöv O, Larsson G, Larsolle A, Hansson P-A. Life Cycle Assessment of Autonomous Electric Field Tractors in Swedish Agriculture. Sustainability, 2021, 13(20):11285.
(4) Beligoj M, Scolaro E, Alberti L, Renzi M, Mattetti M, Feasibility Evaluation of Hybrid Electric Agricultural Tractors Based on Life Cycle Cost Analysis. IEEE Access, Volume 10, 2022, Pages 28853-28867.
