Energia solare per l'irrigazione del grano: un confronto tra diesel e fotovoltaico

Il grano rappresenta una delle colture più importanti per l'Egitto, contribuendo a circa un terzo dell'apporto energetico giornaliero della popolazione e fornendo circa il 45% delle proteine consumate, principalmente attraverso il pane piatto (baladi) largamente diffuso e sovvenzionato. Con un consumo nazionale annuo di circa 18,5 milioni di tonnellate e un consumo pro capite di 196 kg all'anno, la domanda è in costante crescita, spingendo il governo a includere l'espansione della coltivazione del grano tra gli obiettivi strategici di "Egitto Vision 2030".

Tuttavia, la produzione agricola moderna dipende profondamente da input energetici intensivi. Nel 2021, il settore agricolo egiziano ha consumato 681 kt di elettricità e 803 kt di gasolio. L'irrigazione, in particolare, rappresenta una delle voci di consumo più significative, specialmente nelle aree dove l'acqua viene estratta da falde profonde attraverso pompe sommerse.

Lo studio qui presentato, pubblicato su Environment, Development and Sustainability, ha analizzato due scenari alternativi per l'irrigazione del grano su terreni sabbiosi nel Delta del Nilo:

• Sc-I: sistema di irrigazione alimentato da generatore diesel da 150 kW

• Sc-II: sistema di irrigazione alimentato da pannelli fotovoltaici da 41,2 kW

La ricerca ha coinvolto 181 aziende agricole (150 con sistema diesel e 31 con sistema fotovoltaico) durante la stagione 2022-2023, utilizzando la metodologia Life Cycle Assessment (LCA) dal "cradle to farm gate", con unità funzionale di 1 kg di grano prodotto.

Consumi energetici a confronto: il fotovoltaico vince nettamente

I risultati mostrano una differenza sostanziale nei consumi energetici tra i due sistemi. Il sistema diesel richiede un input energetico totale di 108.506,97 MJ per ettaro, mentre il sistema fotovoltaico scende a 38.480,04 MJ per ettaro, con una riduzione complessiva del 64,5%.

La produzione di energia (output) è risultata di 153.735,55 MJ/ha per lo Sc-I e 144.192,30 MJ/ha per lo Sc-II. Questa differenza nell'output è dovuta al rendimento leggermente superiore del grano irrigato con diesel (6.969 kg/ha contro 6.664 kg/ha), ma il vantaggio in termini di efficienza energetica rimane nettamente a favore del fotovoltaico.

Composizione dei consumi energetici

Nello scenario diesel, il carburante per l'irrigazione rappresenta la quota predominante, pari al 63,2% del totale, seguito dai fertilizzanti (17,3%). L'elevato consumo è dovuto all'estrazione dell'acqua da pozzi profondi 150-200 metri in terreni sabbiosi che richiedono irrigazioni frequenti.

Nello scenario fotovoltaico, invece, i fertilizzanti diventano la voce principale (44,7%), seguiti dall'acqua (24%). L'energia solare elimina completamente il consumo di diesel per il pompaggio, ridistribuendo il peso degli input energetici verso i fattori produttivi tradizionali.

Indicatori di efficienza energetica

L'efficienza energetica (rapporto output/input) passa da 1,42 per il sistema diesel a 3,75 per il sistema fotovoltaico, un miglioramento notevole che indica una produzione di grano molto più efficiente dal punto di vista energetico.

Anche l'energia specifica (MJ necessari per kg di grano) diminuisce drasticamente: da 15,57 MJ/kg a 5,77 MJ/kg, con una riduzione del 63%. L'energia netta (output meno input) aumenta da 45.228 MJ/ha a 105.712 MJ/ha, con un incremento del 58%.

Impatto ambientale: minori emissioni e maggiore sostenibilità

L'analisi del ciclo di vita ha valutato 11 categorie di impatto ambientale, evidenziando come il sistema fotovoltaico riduca significativamente la maggior parte degli indicatori rispetto al sistema diesel.

Emissioni di gas serra (GWP)

Il dato più significativo riguarda il Global Warming Potential: il sistema diesel emette 1,09 kg di CO₂ equivalente per kg di grano, mentre il sistema fotovoltaico si ferma a 0,19 kg CO₂ eq/kg, con una riduzione dell'83%.

Nel sistema diesel, il carburante bruciato per il pompaggio rappresenta il 76,83% delle emissioni totali, seguito dal mercato del diesel (7,99%) e dai fertilizzanti minerali (5,2%). Nel sistema fotovoltaico, invece, le emissioni sono principalmente attribuibili ai fertilizzanti minerali (30,7%) e al combustibile bruciato nei trattori per le operazioni agricole (15,8%).

Altri impatti ambientali

Il sistema fotovoltaico mostra riduzioni sostanziali in quasi tutte le categorie di impatto:

• Acidificazione (AC): riduzione dell'88%

• Eutrofizzazione (EP): riduzione del 77%

• Deplezione di combustibili fossili (ADF): riduzione del 90%

• Ossidazione fotochimica (PO): riduzione del 83%

Unica eccezione è rappresentata dalla deplezione abiotica (AD) e dalla ecotossicità acquatica d'acqua dolce (FE), che mostrano lievi incrementi dovuti alla produzione dei pannelli fotovoltaici, che richiede materiali come silicio, metalli e componenti elettronici.

Impatto delle operazioni agricole

Analizzando separatamente le operazioni agricole (lavorazione del terreno, semina, fertilizzazione, irrorazione, raccolta e imballaggio), il sistema fotovoltaico mostra riduzioni ancora più marcate: il 98% per la deplezione di combustibili fossili, il 97% per l'acidificazione e l'eutrofizzazione, il 96% per le emissioni di gas serra.

Nello scenario fotovoltaico, l'irrorazione (spraying) diventa l'operazione con il maggior impatto relativo, contribuendo al 21% delle emissioni di gas serra, mentre la raccolta incide per il 23,5% sulla deplezione abiotica.

Il ruolo strategico del fotovoltaico per l'agricoltura sostenibile

Lo studio dimostra che i sistemi di pompaggio fotovoltaici rappresentano una soluzione concreta e vantaggiosa per ridurre l'impatto ambientale della produzione di grano in Egitto, contribuendo agli obiettivi di sostenibilità del paese.

I benefici ambientali osservati sono in linea con studi condotti in altri paesi:

• In Bangladesh, i sistemi fotovoltaici hanno evitato 900 kg di CO₂ per ettaro

• In Spagna, un sistema fotovoltaico per un uliveto di 13,4 ettari ha evitato 1,2 tonnellate di CO₂

• Un sistema fotovoltaico progettato per l'Egitto con capacità di 200-500 m³/giorno può compensare 86.511 kg di CO₂ all'anno

• Nelle Filippine, la sostituzione del diesel con il fotovoltaico ha ridotto le emissioni di GHG di 199,78 kg CO₂ eq/ha/anno

Limiti e sfide

Nonostante i vantaggi evidenti, il fotovoltaico presenta alcune limitazioni:

1. Costi iniziali più elevati rispetto ai sistemi diesel

2. Efficienza inferiore per applicazioni ad alta prevalenza

3. Dipendenza dalla radiazione solare, che richiede sistemi di accumulo o fonti integrative

4. Accumulo di polvere sui pannelli, che riduce le prestazioni

5. Competenze tecniche limitate in Egitto per la progettazione, installazione e manutenzione

Incentivi raccomandati

Per superare queste barriere, lo studio suggerisce un pacchetto di misure di incentivazione:

• Sussidi diretti e indiretti da parte del governo

• Finanziamenti a basso interesse per gli agricoltori

• Promozione della produzione locale di componenti fotovoltaici

• Riduzione dei dazi doganali sui componenti

• Formazione tecnica per agricoltori e tecnici locali

• Possibilità di vendere l'energia in eccesso alla rete

Implicazioni per le politiche agricole

I risultati dello studio offrono indicazioni chiare per i decisori politici:

1. Promuovere l'irrigazione fotovoltaica come priorità nelle strategie energetiche e agricole nazionali, semplificando le procedure autorizzative.

2. Indirizzare sussidi e incentivi finanziari verso i sistemi fotovoltaici, specialmente per le aziende di piccole e medie dimensioni, che rappresentano il segmento più vulnerabile.

3. Incorporare l'LCA nella pianificazione delle politiche agricole, valutando gli impatti ambientali lungo l'intero ciclo di vita delle tecnologie.

4. Sostenere la produzione locale di pannelli fotovoltaici e programmi di riciclaggio, riducendo la dipendenza dalle importazioni e migliorando il bilancio ambientale complessivo.

5. Integrare le energie rinnovabili nelle strategie di sicurezza alimentare, stabilizzando i costi di produzione e riducendo la vulnerabilità alle fluttuazioni del prezzo dei combustibili.

Conclusioni

Lo studio conferma che l'adozione di sistemi di pompaggio fotovoltaici per l'irrigazione del grano in Egitto rappresenta una scelta vantaggiosa sia dal punto di vista energetico che ambientale. La riduzione del 64% dei consumi energetici e dell'83% delle emissioni di CO₂ dimostra il potenziale di questa tecnologia per contribuire alla sostenibilità del settore agricolo.

La ricerca, sebbene limitata dalla disponibilità di aziende con impianti fotovoltaici e dall'esclusione delle fasi di manutenzione e fine vita dei pannelli, fornisce evidenze solide a sostegno della transizione energetica in agricoltura. Studi futuri potranno estendere l'analisi ad altre colture, valutare gli aspetti economici e considerare configurazioni ibride o connesse alla rete elettrica.

Nel contesto egiziano, caratterizzato da elevata irradiazione solare, crescente pressione sulle risorse idriche e necessità di garantire la sicurezza alimentare, i sistemi fotovoltaici per l'irrigazione si configurano come una soluzione concreta, scalabile e sostenibile per il futuro dell'agricoltura.