biomasse per lacombustione direttain caldaie

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biomasse per lacombustione direttain caldaie
T
ECNICA
MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
di Marco Bentini
e Matteo Zucchelli
FEEDING FURNACES: BIOMASS
HARVEST EQUIPMENT
by Marco Bentini
and Matteo Zucchelli
iomass for direct combustion in boiler furnaces can
come from herbaceous
crops or the products of short rotation forestry. In the northern Italian
plains, the annual or perennial
crops originate from the sub-tropical belt, for example, fibre sorghum
(Sorghum bicolor), miscanthus
grass (Miscanthus giganteus), kenaf (Ibiscus cannabinus), hemp
(Cannabis sativa) and switchgrass
(Panicum virgatum). Identified more
recently as another potential biomass crop is Arundo donax, the giant reed, hitherto considered a simple weed in the zone. Studies are
currently under way to define which
varieties and agronomic techniques will give the highest productivity from the chosen species.
Compared to annuals, the perennials offer a number of advantages. They can guarantee raw
material for the biomass industry
over a period of years, and they
also provide a longer amortisation period for the energy and
economic costs of tilling the land,
fertilising it and planting. The
main characteristics required of
crops for biomass must in fact include high production capacity,
low production cost, low humidity when harvested, high calorie
potential, low emission of pollutants during burning and a low
ash content.
The main trees used for biomass
are poplars, willow, robinia and eucalyptus, and the principal cropping technique is short rotation
forestry (SRF), on an annual or
two-yearly cycle. In experimental
B
32 – MMW n. 1/2008
BIOMASSE
PER LACOMBUSTIONE
DIRETTAIN CALDAIE
a produzione di biomassa per l’alimentazione diretta delle caldaie può essere eseguita utilizzando sia colture erbacee
sia colture arboree a breve
rotazione (Short Rotation
Forestry). Le colture erbacee annuali e perenni introdotte per gli ambienti di pianura del Nord Italia sono
quelle della fascia subtropicale, come il sorgo da fibra
(Sorghum bicolor), il miscanto (Miscanthus giganteus), il kenaf (Ibiscus cannabinus), la canapa (Cannabis sativa) ed il panico (Panicum virgatum). Si è poi individuata come coltura di possibile utilizzazione anche
l’Arundo donax o canna comune, che fino a poco tempo fa nelle nostre zone era
considerata esclusivamente
un’infestante. Attualmente
sono in via di studio e definizione le varietà e le tecniche agronomiche atte ad
esaltare la capacità produttiva delle specie individuate.
Le specie perenni rispetto
alle annuali presentano van-
L
La filiera per la combustione diretta è quella che
attualmente pone i maggiori problemi. Se in futuro ci
sarà un aumento delle superfici coltivate la
meccanizzazione dovrà orientarsi su macchine
specializzate soprattutto per quanto riguarda le
operazioni di taglio e sfibratura del prodotto
Harvesting biomass for direct combustion in boilers
remains one of the trickiest areas in biomass
production and use. Further research is needed to
create specialised equipment when biomass gets
mechanised
taggi quali la possibilità di
garantire all’industria la disponibilità di materia prima
per più anni e di ammortizzare su un periodo più lungo
la spesa energetica ed economica delle lavorazioni del
terreno, della concimazione
e dell’impianto. Le caratteristiche qualitative principali
che devono essere possedute
dalle specie destinate alla
produzione di biomassa sono: alta capacità produttiva;
basso costo di produzione;
basso contenuto di umidità
al momento della raccolta;
alto potere calorifico; qua-
lità del materiale (basso
contenuto di ceneri, di silice,
di cloro ecc.); ridotte emissioni di inquinanti.
Le colture arboree energetiche principalmente utilizzate
sono il pioppo, il salice, la robinia e l’eucalipto. La principale tecnica di coltivazione
utilizzata con queste specie
è la Short Rotation Forestry
(SRF) annuale o biennale
che a livello sperimentale ha
dimostrato di produrre nell’arco di breve tempo quantitativi elevati di biomassa.
Nella meccanizzazione della
filiera per la produzione di
MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
In apertura e a lato: coltivazione di
canapa. Sotto: falcia-trincia-caricatrice
per la raccolta del sorgo da
fibra/Openings and beside: hemp
cultivation. Below: mower cum
chopper and loader for fibre sorghum
biomassa, di colture erbacee
o arboree da utilizzare direttamente come combustibile
per l’alimentazione delle
caldaie, i maggiori problemi
si sono riscontrati nella fase
di raccolta.
Nella raccolta delle colture
erbacee le due linee principali sono la trinciatura del
prodotto tal quale (umidità
che varia dal 50% al 70% a
seconda se la raccolta viene
fatta in periodo invernale o
estivo) e l’imballatura del
prodotto essiccato in campo
(umidità inferiore al 30%).
Nel primo caso il prodotto
può essere conservato tramite insilamento mentre nel
secondo caso il prodotto
secco imballato può essere
stoccato e conservato tal
quale. Se valutiamo i vantaggi e gli svantaggi di queste
due tipologie di raccolta
possiamo osservare che nella
linea di trinciatura si utilizzano falcia-trincia-caricatrici che possono montare anche una testata universale.
Abbiamo però un prodotto
con una bassa massa volumica (60 kg/m3 sulla sostanza
secca), dovuta all’alta percentuale di umidità (60%),
che porta ad un costo elevato di trasporto. Si può supporre che l’operazione sia
anti-economica per distanze
superiori ai 25 km e che perciò i campi di produzione
debbano essere nei pressi
dello stabilimento di trasformazione. L’insilamento del
prodotto porta poi ad occupare con i sili a platea ampie
superfici coltivabili. Il prodotto trinciato inoltre deve
essere utilizzato in caldaia in
miscela con altri prodotti
(es. paglia) che presentino
una bassa umidità, in modo
da ottenere una miscela con
una percentuale d’acqua
non superiore al 40% che è il
limite del buon rendimento
delle attuali caldaie. Questa
linea di raccolta ha il vantaggio che si può intervenire in
qualunque momento dell’anno, sia in estate sia in inverno, non essendo legati all’essiccamento in campo del
prodotto.
Nella linea di imballatura i
maggiori problemi sono riscontrabili alla raccolta, che
projects, this approach has been
shown to produce high quantities
of biomass within a short period of
time. When designing equipment
for herbaceous biomass or from
trees for direct combustion, the
main problems arise in harvesting
in which the main choice is between two main approaches:
chopping when humidity can vary
from 50% to 70% according to
whether it is summer or winter;
and on-field baling of the dried
crop with less than 30% of humidity. Chopped material can be preserved in silos, while bales can be
warehoused in the normal way.
The two approaches have different
advantages and disadvantages.
Choppers combine a mower with
the chopping device and a loader
and may also use a universal cutting head. Yet the final product has
a low volume mass (60 kg/m3)
thanks to the high humidity (60%),
which means high transport costs.
It is reasonable to think that the
operation ceases to be economically viable at distances of over 25
km, so cropping areas have to be
near processing plant. Silos will also occupy extensive areas that
could otherwise be cultivated.
Chopped biomass must also be
used in a mixture with other material such as straw. This should
have low humidity so that the percentage is no higher than 40%,
the limit for a good yield from boilers of the current design. The advantage of this approach is that
harvesting is possible in summer
or winter since it requires no onfield drying of the crop.
The main issues in the second
approach concern harvesting
techniques – cutting, windrowing, baling – of plants which in
many dedicated crop cycles may
grow as high as 2-4 meters with a
diameter of more than 2 cm. In
these cases, it is impossible, as
some would like to suggest, to
use traditional forage mowers
and mower-conditioners. One
limitation on the approach is onfield drying which reduces the
harvesting season. In northern
Italy, this cannot be prolonged
beyond mid-September and,
where large areas are under cultivation, should be started after
the first ten days of August, a
time of year when many biomass
crops are, however, still not fully
developed. Winter harvesting
with the crop left in the ground to
dry offers a partial solution of the
problems, but keeps the crop
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MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
Falcia-condizionatrice per la sfibratura
del sorgo da fibra/ Mower-conditioner
for cutting and softening fibre
sorghum
area under cultivation for long
periods and, in the case of
sorghum for fibre, often results in
the plants turning to manure.
Turning and windrowing may also dirty the crop with soil.
The advantages of the approach
lie after the harvest, in transport,
storage and low humidity, so that
the crop can be fed directly into
the furnace. The volume mass of
the bales and their shape are also
appropriate for transport over
large distances. As regards bale
form, whether round or rectangular, giant rectangular bales have
greater volume mass and they
are better suited to transport and
storage since a truck and trailer
can hold 20-35% more crop. But
the bales cannot be left in the
field for long because they get
impregnated with rain. Round
bales can be left out in the open
for a couple of months, which reduces the logistical problems.
deve avvenire in più fasi (taglio della pianta, ranghinatura del prodotto, imballatura)
su piante, in molte colture
dedicate, di dimensioni elevate (dai 2 ai 4 metri di altezza con fusti di diametro anche superiore ai 2 cm). In
questi casi non si possono
utilizzare, come alcuni ipotizzano, le classiche falciatrici e
falcia-condizionatrici da foraggio. L’elemento limitante
di questa linea di raccolta è
l’essiccamento in campo che
riduce il periodo utile di intervento e sconsiglia di proBaling fibre sorghum
trarlo, nel Nord Italia, oltre il
Sorghum for fibre can be har- 15 di settembre. Con elevate
vested with a combine harvester superfici da raccogliere l’ocorn husking head for the cutting perazione dovrebbe iniziare
and a flail mower-conditioner
subsequently. The husker whose
rollers are fitted with blades
crush the stems, inflicting deep
discontinuous cuts across them.
The mower completes the job by
cutting the stalks left standing,
and the conditioner conditions all
the harvested material. An alternative to the mower-conditioner
is a stalk crusher working with its
rear casing open, although this
results in more energetic treatment of the stems and in greater
loss of the crop, some of which
is missed by the baler’s pickup.
In good weather, drying may be
complete in two to three days in
northern Italy if harvesting is in
August or the first ten days of
September. A rake must be used
on the harvest at least once during drying. The bales can be giant rectangles or round.
Work rates depend on the equipment and, in any case, baling excluded, come out at over a
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dopo la prima decade di agosto, un periodo in cui però
molte colture da biomassa
non si sono completamente
sviluppate. La raccolta invernale con essiccamento della
coltura in piedi risolve in
parte i problemi della raccolta ma impegna i campi per
un lungo periodo di tempo e
spesso porta, come nel caso
del sorgo da fibra, all’allettamento delle piante. Le fasi di
rivoltamento e andanatura
del prodotto aumentano poi
il pericolo di inquinamento
del prodotto dalla terra.
I vantaggi di questa linea
Trinciastocchi per la sfibratura del
sorgo da fibra/Stem chopper for fibre
sorghum fibres
d’intervento sono da ricercare nelle fasi successive alla
raccolta e cioè nel trasporto,
nello stoccaggio del prodotto e nel basso livello di umidità del prodotto che può
essere utilizzato direttamente per l’alimentazione delle
caldaie. La massa volumica
delle balle e la loro forma
permette il trasporto anche
su distanze rilevanti.
Per quanto riguarda la forma (cilindrica o parallelepipeda), le balle parallelepipede giganti hanno una
maggiore massa volumica e
la loro forma si presta meglio al trasporto e allo stoccaggio, su un autotreno può
essere caricato dal 20 al
35% in più di prodotto, ma
non possono essere lasciate
in campo a lungo perché
durante le piogge si impregnano di acqua. Le rotoballe invece possono venire
conservate, anche per qualche mese, all’aperto ponendo minori problemi alla logistica dell’operazione.
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Rotoimballatrice in lavoro sul sorgo da
fibra/ Fibre sorghum round baler at work
Linea di imballatura del
sorgo da fibra (Sorghum bicolor)
Per quanto riguarda la raccolta del sorgo da fibra, si
può utilizzare per il taglio
una testata spannocchiatrice da mietitrebbia ed in successione una falcia-condizionatrice a flagelli.
La testata spannocchiatrice,
con rulli emungitori dotati
di lame, esegue lo schiacciamento del fusto recando
profonde fessurazioni trasversali discontinue. La falcia-condizionatrice completa il lavoro tagliando gli
stocchi che sporgono dal
terreno ed esegue il condizionamento di tutto il prodotto. In alternativa alla falcia-condizionatrice si può
utilizzare un trinciastocchi
fatto lavorare con il carter
posteriore aperto che però
ha un’azione più energica
sui fusti e induce maggiori
perdite per prodotto non
raccolto dal pick-up dell’imballatrice. L’essiccamento
può completarsi in 2 o 3
giorni di tempo sereno, se la
raccolta viene eseguita in
agosto o nella prima decade
di settembre. Nella fase di
essiccazione è necessario almeno un intervento con il
ranghinatore. L’imballatura
hectare an hour. Currently, the
main problems are harvest losses
of over 10% and dirtying of the
crop with soil. Various tests of the
proposed harvesting method have
been carried out by Bologna University’s agrarian engineering department as part of projects funded by Emilia Romagna’s regional
government and coordinated by
the CRPC, the Vegetable Production Research Centre.
Baling kenaf and hemp
Tests carried out as part of research into harvesting fibre and
cellulose crops under the aegis of
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MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
Rotoballa di panico
Switchgrass bale
the Italian ministry for agriculture
have shown that problems arise
above all because the fibres tend
to get wrapped round rotating
parts of the equipment and may
also cause greater combustion
problems than other crops, which
with equal biomass produced, it
is thus wiser to consider.
But the two plants can be harvested in winter or summer. Winter harvesting has advantages
but also disadvantages compared to the summer. The advantages are: flexibility in when harvesting is possible since there is
an ample period when the crop
will not deteriorate; rapid harvesting, since the crop is at an ideal
25-30% humidity for storing, no
conditioning is needed, and the
harvest phases can follow one after the other without any interval;
less mass to be treated since the
crop has already been dried; less
crop loss; lower harvesting costs
because there is less crop to be
handled and no conditioning is
needed. The disadvantages include the longer period the crop
is required to remain in the field,
up until March-April and the need
for quick harvesting since the
crop will only enjoy lower humidity if it is brought in during the hotter part of the day.
Baling giant reed
Giant reed is a perennial which
grows back after each harvest.
Nobili from Molinella near Bologna
has made a special stem chopper
to harvest the plant, front-mounted on a tractor and including the
functions of a windrower.
No other type of machine can be
used because the crop quickly
covers spaces between the
rows. The plant’s single rhizome
quickly spreads to form a deeply
rooted mat, invading an exten-
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del prodotto può essere eseguita formando sia balle
parallelepipede giganti sia
rotoballe.
Le capacità operative delle
fasi del cantiere variano a
seconda delle macchine impiegate, e comunque si attestano, a parte l’imballatura,
su valori superiori all’ettaro
all’ora.
Al momento attuale i problemi che devono essere ancora
risolti sono quelli delle perdite che superano il 10% e
quelli dell’inquinamento del
prodotto dalla terra. Diverse
prove con questa linea di rac-
colta sono state svolte dal
Deiagra dell’Università di
Bologna nell’ambito di progetti finalizzati della regione
Emilia-Romagna e coordinati dal Crpv (Centro Ricerche
produzioni vegetali)
Linea di imballatura del kenaf ( Ibiscus cannabinus) e
della cana pa (Cannabis sativa)
Prove effettuate nell’ambito di ricerche sulla raccolta
di colture da fibra e cellulosa (Citeca del Cnr, Prisca
del Mipaf, Tisen del Mipaf,
ecc.) hanno evidenziato una
maggiore difficoltà ad eseguire questa operazione a
causa soprattutto dell’avvolgimento delle fibre sugli
organi in rotazione. A parità di biomassa prodotta
sarebbe meglio orientarsi
verso altre tipi di colture
anche perché, sempre a
causa delle fibre, vi sono
maggiori problemi di combustione in caldaia.
Queste piante possono essere raccolte sia in estate sia in
inverno. La raccolta invernale comporta alcuni vantaggi ed alcuni fattori limitanti rispetto a quella estiva.
Per quanto riguarda i vantaggi possiamo elencare:
flessibilità nel periodo di
raccolta cioè possibilità di
eseguire l’operazione in un
periodo utile ampio, senza
che il prodotto si degradi; rapidità nell’esecuzione della
raccolta (il prodotto si trova nelle condizioni ideali
per la conservazione – 25Prototipo di trinciastocchi per il taglio e
andanatura dell’arundo/Prototype
stem chopper for cutting and
windrowing giant reed
MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
30% di umidità – perciò le
fasi d’intervento sono sequenziali senza intervalli,
inoltre non è necessaria la
fase di condizionamento);
minore quantità di massa
trattata, essendo il prodotto
già essiccato; minori perdite di prodotto, minori costi
di raccolta, sia perché si lavora su una minore quantità di prodotto sia perché
non si condiziona.
Gli aspetti negativi sono legati alla maggiore permanenza in campo della coltura, fino a marzo-aprile, e la
necessità di interventi tempestivi dovendo raccogliere
nelle ore più calde della
giornata per avere minore
umidità della pianta.
Linea di imballatura della
canna comune (Arundo donax)
L’arundo è una pianta perenne che dopo ogni raccolta ricaccia e si sviluppa nuovamente. Per la raccolta dell’arundo è stato costruito,
dalla ditta Nobili di Molinella (BO), un apposito trinciastocchi montato anteriormente al trattore e capace di
mettere già in andana il prodotto sfibrato.
Non si sono potute utilizzare altre tipologie di macchine perché lo sviluppo della
coltura porta ad una rapida
occupazione delle interfile.
Infatti la pianta da un unico
rizoma emette diversi culmi
che negli anni successivi
tendono ad allargarsi e ad
invadere l’intera superficie.
Per evitare un eccessivo
sminuzzamento del prodotto, siccome non si poteva
lavorare con il carter mobile aperto perché la macchina era montata anteriormente, si è dovuto riprogettarla aumentando la distanza fra il carter fisso ed i flagelli.Anteriormente è stato
poi predisposto un elemento abbattitore-convogliatore, necessario per inclinare
la pianta nella direzione
d’avanzamento in modo da
facilitarne l’ingresso verso
l’apparato (le piante avevano alla raccolta un’altezza
superiore ai tre metri). In
sive surface area. With the machine in question, the mobile
casing could not be kept open
while at work because it was
front-mounted, so it had to be redesigned to increase the distance between the flails and the
fixed casing, thus avoiding excessive chopping of the plants. A
device to beat down and channel
the crop was introduced at the
front, bending the plants forward
so they enter the machine more
easily, even though the plants
being harvested were over three
meters high. The prototype registered a low work rate of 0.4
hectares an hour, primarily because its working width was only
2 meters.
The crop already in rows was
baled by a chain round baler a
day after harvesting. This type of
machine was chosen because
the points at which the stem
broke produced cutting surfaces
capable of damaging the rubber
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MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
Rotoimballatrice in lavoro sull’arundo
Round baler at work on giant reed
lavoro il prototipo ha fatto
registrare una bassa capacità operativa (0,4 ha/h) doBaling switchgrass
vuta soprattutto alla limitata
There are no particular problems in larghezza di lavoro (2 m).
belts of the more common round
balers.
harvesting switchgrass for biomass since the crop is relatively
low, with small, hollow stems that
are easy to dry and bale. Tests over
a number of years by Bologna University have shown that switchgrass can be harvested with traditional forage mower and conditioners, rotary rakes and round or giant
rectangular balers. The same machines have also been tested on
hilly, steep land.
punti di frattura del fusto
generavano superfici taglienti capaci di intaccare le
cinghie di gomma delle più
comuni rotoimballatrici.
Raccolta di colture forestali
Falcia-condizionatrice per lo sfalcio
del panico/Mower-conditioner
for switchgrass mowing
Harvesting forest crops
Short rotation forestry is used on
plantations for an annual or twoyearly cycle. Machines to cut and
chip the trunks over a number of
rows have been available for years.
The biggest problems under Italian
conditions are how to store the
chips and transport costs.
The current trend is to drop annual cultivation cycles because
the crop produces too much bark
and to extend the cycle to two
years or more. In this case, the
choice should fall on forestry,
rather than modified farm equipment. Self-propelled, large-capacity equipment for extensive
plantations on flat areas of land
is already available.
Conclusions
Biomass crops for direct combustion currently pose the major problems for the harvest and later handling. If the crop is chopped, it is
difficult to store, and the high humidity may make burning problematic, but if the crop is baled with a
humidity right for storage, the harvest is only possible in the summer,
at least in northern Italy, but many
biomass plants have at that time
not yet achieved maturity. Modified
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Il prodotto già in andana è
stato imballato dopo un
giorno di permanenza in
campo con una rotoimballatrice a catene.
Questa tipologia di macchina è stata scelta perché i
Imballatrice in lavoro sul panico
Switchgrass baler at work
fusti esili e cavi all’interno e
perciò facilmente essiccabili
ed imballabili. Prove pluriennali eseguite dal Dista
dell’Università di Bologna
hanno messo in evidenza che
questa coltura può essere
raccolta con le tradizionali
macchine da fienagione falcia-condizionatrici, ranghinatori rotativi e imballatrici
sia per balle parallepipede
giganti sia per rotoballe.
Queste macchine sono state
fatte lavorare anche in zone
collinari con terreni declivi.
Linea di imballatura del panico ( Panicum virgatum)
Il panico da biomassa non
pone particolari problemi alla raccolta essendo una pianta relativamente bassa, con
Le colture forestali a breve
rotazione SRF possono essere a ciclo annuale e biennale.
Per la raccolta sono in commercio già da anni macchine
che lavorano su più file che
eseguono il taglio e la cippatura dei fusti. I maggiori problemi nel nostro clima sono
legati alla conservazione del
cippato e ai costi di trasporto.
La tendenza attuale è quella
di abbandonare il ciclo annuale, perché nel prodotto vi
è un’eccessiva presenza di
corteccia,ed allungarlo anche
oltre i due anni. In questo caso la scelta si dovrebbe orientare verso macchine forestali
e non su macchine agricole
modificate. Per il ciclo biennale sono state studiate e già
in commercio macchine semoventi a grande capacità
MECCANIZZAZIONE PER LE BIOMASSE • MECHANIZATION FOR BIOMASS • MECCANIZZAZIONE
Coltivazione di pioppi
Poplar trees cultivation
operativa orientate verso coltivazioni estese di pianura.
Conclusioni
La filiera per la combustione
diretta è quella che attualmente pone i maggiori problemi. Infatti se il prodotto
viene trinciato è difficile da
conservare e l’alto grado di
umidità pone problemi di
combustione, invece se il
prodotto viene imballato, all’umidità di conservazione,
può essere raccolto solo in
estate quando molte piante
da biomassa dedicate non
hanno ancora raggiunto la
maturità fisiologica. In questa filiera si possono utilizzare raccoglitrici dedicate alla
raccolta di altre colture con
opportuni adattamenti (ag-
giunta di spartitori,abbattitori, convogliatori ecc.). Le superfici coltivate attualmente
sono ancora limitate ed il
contenimento dei costi di
raccolta può essere perseguito cercando di utilizzare i
cantieri già presenti sul mercato. Se in futuro ci sarà un
aumento delle superfici coltivate la meccanizzazione dovrà orientarsi su macchine
specializzate soprattutto per
quanto riguarda l’operazione
di taglio e sfibratura del prodotto. La sperimentazione
deve perciò proseguire con la
collaborazione di enti di ricerca, agricoltori, aziende
agro-meccaniche, costruttori
di macchine ed industrie di
trasformazione.
Marco Bentini
Matteo Zucchelli
harvesters designed for other crops
can often be used, with the addition of devices to separate rows,
beat down the plants, channel the
stems into the machine and so on.
Only limited areas have so far been
cultivated with biomass crops in
Italy, and costs can still be contained by making use of what is already on the market. If the cultivated areas increases in the future,
specialised equipment will be
needed, especially to cut the crops
and soften the fibres. Further testing
is thus needed in cooperation with
research bodies, farmers, agricultural equipment manufacturers and
the crop processing industry.
Marco Bentini
Matteo Zucchelli
MMW n. 1/2008 – 39