Elementi di valutazione per lo studio di fattibilità per impianti di biogas

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1 Corso sulle filiere agro-energetiche Sala Auditorium del Comune di Medicina (BO) 9-10 giugno 2010 Elementi di valutazione per lo studio di fattibilità per impianti di biogas Claudio Fabbri

2 I parametri di calcolo: caratteristiche dei substrati Sostanza secca Sostanza organica Resa in biogas/metano Costi e Ricavi Analisi economica Analisi dimensionale ed energetica N substrato Bilancio azoto

3 Disponibilità di biomasse PRODUZIONI ZOOTECNICHE (EFFLUENTI) TRASFORMAZIONE DELLE PRODUZIONI ANIMALI - industria del latte - macellazione (bovini, suini, avicoli) - produzione di salumi (prosciutto crudo) PREPARAZIONE ORTOFRUTTA PER CONSUMO FRESCO TRASFORMAZIONE DELLE PRODUZIONI VEGETALI (pomodoro, ortaggi e frutta)

4 Disponibilità di biomasse: effluenti bovini Liquame Solido separato ph [-] 7,72 8,41 Solidi Totali (ST) [g/kg tq] 64,19 214,02 Solidi Volatili (SV) Azoto Totale Kjeldahl (NTK) Azoto Ammoniacale (N-NH4) Fosforo Potassio [g/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] 48, , [% ST] [% ST] [% NTK] [% ST] [% ST] 76% 4,6% 50% 0,8% 5,1% 88% 1,7% 31% 0,4% 1,1%

5 Disponibilità di biomasse: effluenti bovini

6 Disponibilità di biomasse: escrezione ST da bovini 8,8 Escre zione di sostanz a secca [kg/giorno] 8,6 8,4 8,2 8 7,8 7,6 7,4 7, Produzione latte [kg/giorno]

7 Disponibilità di biomasse: effluenti suini Liquame Solido separato ph [-] 7,25 8,02 Solidi Totali (ST) [g/kg tq] 38,86 211,46 Solidi Volatili (SV) Azoto Totale Kjeldahl (NTK) Azoto Ammoniacale (N-NH4) Fosforo Potassio [g/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] [mg/kg tq] 26, , [%ST] [%ST] [%NTK] [%ST] [%ST] 68% 8,0% 61% 2,4% 4,6% 83% 3,0% 29% 2,1% 1,0%

8 Disponibilità di biomasse: effluenti suini

9 Disponibilità di biomasse: escrezione ST da suini Escrezione (kg/tpv/a) Peso vivo [kg]

10 Disponibilità di biomasse: lettiere avicoli da carne Parametro Unità di misura Corsia di abbeverata Corsia di alimentazione Corsia di smistamento Media ph [-] 7,7 ± 1,0 7,8 ± 0,6 8,0 ± 0,7 7,9 ± 0,5 Sostanza secca (ST) Sostanza organica (SV) Azoto totale (NTK) [g/kg tq] 574 ± ± ± ± 89 [g/kg tq] 459 ± ± ± ± 78 [mg/kg tq] ± ± ± ± [%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0,6 Azoto ammoniacale [mg/kg tq] ± ± ± ± (NH 4 ) [%NTK] 19,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2 Azoto organico [mg/kg tq] ± ± ± ± (N org ) [%NTK] 80,1 ± 12,8 90,3 ± 3,9 84,4 ± 6,5 85,5 ± 5,1 Produzione sostanza secca, compresa lettiera standard : 5,5 kg ST/posto/anno (17% ceneri 83% SV)

11 Disponibilità di biomasse: pollina ovaiole Parametro Unità misura Nastro non ventilato Tunnel essiccazione ph ST SV NTK N-NH4+ [-] 7,1±0,2 7,7±0,7 [g/kg tq] 347±74 730±151 [%tq] 35±7,4 73±15,1 [g/kg tq] 243±48 503±103 [%ST] 70±2,1 69±2 [mg/kg tq] 22151± ±6755 [%ST] 6,4±0,4 5,1±0,4 [mg/kg tq] 2946± ±997 [%NTK] 14±3,2 6±4 Produzione sostanza secca: 10,5 kg ST/posto/anno (25-30% ceneri, 70-75% SV)

12 Disponibilità di biomasse: potenzialità comparto vegetale (Fonte: CRPA-Regione Emilia-Romagna ProBio 2006)

13 Disponibilità di biomasse: potenzialità comparto animale (1) A basso rischio igienico-sanitario (2) Sono esclusi i SOA di categoria 1 e 2 (3) Rapporto percentuale tra peso morto e peso vivo (Fonte ISTAT 2004): valore medio regionale (Fonte: CRPA-Regione Emilia-Romagna ProBio 2006)

14 Disponibilità di biomasse: sottoprodotti vegetali Scarti di mais dolce Fagiolini Buccette pomodoro Pera

15 Disponibilità di biomasse: sottoprodotti animali Scarti di incubatoio Polli morti Uova rotte

16 Disponibilità di biomasse: stagionalità dei sottoprodotti

17 Disponibilità di biomasse: colture dedicate ( A D F ) Fonte Monitoraggio Foraggi Pioneer

18 Disponibilità di biomasse: perdite di stoccaggio

19 I parametri di calcolo: analisi dimensionale Produzione biogas HRT Carico organico volumetrico Volume gasometro Digestore (volume, agitatori Analisi economica Dispersione calore Analisi energetica

20 Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti Carico organico volumetrico (kg SV /m 3 /gg): quantità di sostanza organica Caricata giornalmente per unità di volume utile di digestore e per giorno Tempo di ritenzione idraulica (giorni): permanenza dei substrati all interno del digestore Rendimento elettrico (%): permette di definire la potenza elettrica installabile Indici di analisi produttiva Produzione volumetrica (m3 CH4 /m3 digestore /giorno): produzione giornaliera di metano per unità di volume utile di digestore per giorno Produzione biometano (Nm3/kg SV ): produzione specifica di metano in Riferimento alla sostanza organica caricata

21 Carico organico volumetrico (COV) [kg SV/m 3 /d] V = Q ST SV COV Q = carico giornaliero (t/d) ST = percentuale di Solidi Totali (%tq) SV = percentuale di Solidi Volatili (%ST) COV = carico organico volumetrico (kg SV/m3/g) V = volume digestore (m 3 ) A parità di produzione di biogas il volume del digestore è inversamente proporzionale al COV A parità di portata idraulica e volume, quanto più è elevato il contenuto di SV del prodotto quanto più alto può essere il COV A parità di HRT la sostituzione in peso di un prodotto ad alto contenuto di SV con uno a basso contenuto di SV riduce il COV

22 Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT Esempio Q = 25 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv V = 1500 m 3 Q1 = 15 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q2 = 10 t/g patate ST = 22% SV = 90%ST CH4 = 360 m 3 /tsv HRT = 60 gg COV = 5,5 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Q = Q1 + Q2 = 25 t/g HRT = 60 gg COV = 4,6 kgsv/m 3 /g CH4 = 2508 m 3 /g Pe = 510 kwe Δ = - 15,7% Pe = 430 kwe

23 Dimensione digestore e flessibilità impiantistica V = 2500 m 3 Esempio Q = 25 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q1 = 15 t/g silomais ST = 35% SV = 95%ST CH4 = 360 m 3 /tsv Q2 = 18,5 t/g patate ST = 22% SV = 90%ST CH4 = 360 m 3 /tsv HRT = 100 gg COV = 3,3 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Q = Q1 + Q2 = 33,5 t/g HRT = 75 gg COV = 3,46 kgsv/m 3 /g CH4 = 2990 m 3 /g Pe = 510 kwe Δ = 0% Pe = 510 kwe

24 Dimensionamento digestore: effetto della qualità delle matrici Volum e digestore (m 3) % 15% 20% 25% 30% 35% %SV sul tal quale A parità di potenza elettrica producibile per un prodotto ad alto SV serve un digestore più piccolo!

25 Controllo di processo: regolarità di carico Carico organico volumetrico (kgsv/m3/gg) 4,0 3,5 3,0 2,5 2,0 1,5 1,0 0,5 0,0 Inizio carico Sottoprodotti A basso ST Problemi alla tramoggia 1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 1/1 1/2 1/3 1/ Produzione energia elettrica [MWh/gg] Carico organico volumetrico Produzione elettrica

26 Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli 1600 Potenza elettrica prodotta [kw] Peso vivo mediamente presente [t] Peso vivo mediamente presente [t] /12 31/12 31/1 1/3 1/4 1/5 1/6 1/7 1/8 31/8 1/10 31/10 1/12 31/12 La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

27 Controllo di processo: acidità volatile 7 COV [kgsv/m3.gg] e IpV [m3/m3.gg] Inizio crisi Sovraccarico improvviso Acidità totale (mg/kg) e potenza elettrica (kw) 1 Evidenza della crisi /8 31/8 30/9 30/10 29/11 29/12 28/1 27/2 10 COV IpV Acidità totale Potenza elettrica

28 Controllo di processo: rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC)

29 Confronto fra 3 casi monitorati

30 I parametri di calcolo: analisi energetica Caratteristiche digestato Produzione biogas Rendimento elettrico Potenza lorda Rendimento termico Produzione EE Produzione ET Prezzo EE + CV Analisi economica Prezzo ET

31 I parametri di calcolo: caratteristiche digestato Digestato Chiarificato Separazione S/L Solido separato Quantità; Concentrazione sostanza secca; Ricircolo? Concentrazione sostanza organica; Concentrazione azoto Stoccaggi

32 I parametri di calcolo: analisi economica Investimenti Costi/Ricavi annuali Oneri finanziari Margine operativo lordo (MOL): ricavi - costi Margine operativo netto (MON): MOL - ammortamenti Reddito netto (RN): MON oneri finanziari Indici di analisi finanziaria Break even point: tempo di ritorno compreso oneri finanziari Valore attuale Netto (VAN): flusso di cassa attualizzato al netto dell investimento Tasso Interno Rendimento (TIR): saggio di sconto che rende nullo il VAN

33 Come incide il costo del denaro sul tempo di ritorno Break even point [anni] Tempo di ritorno semplice [anni] Costo del denaro= 6%

34 Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio bovini da latte + rimonta suini ingrasso P e = 0,1 MWe 12,8 t/d liquame bovino 2,9 t/d letame bovino 25 t/d liquame suino + 8,3 t/d insilato mais 1 Vasca di carico 2 Digestore 3 Vasca alimentazione separatore 4 Separatore S/L 5 Platea 6 Lagune digestato 7 Gasometro 8 Cogeneratore 9 - Torcia 2 digestore da 1500 m 3 Potenza elettrica 0,2 MW Carico organico volumetrico: 2 kg SV /m 3 /d Tempo di ritenzione: 53 giorni Produzione volumetrica: 1 m 3 biogas/m 3 reattore/d

35 Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio 1 Silos per biomass 9% Vasca di stoccaggio aggiuntiva 3% Platea per solido separato 1% Opere civili 27% Cogeneratore 19% Opere elettromeccaniche 41% Investimento totale (4.890 /kwe installato)

36 Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio 1 VAN (k ) Anni 5,0% Break even point: 6,1 anni Valore attuale Netto (VAN): Tasso Interno Rendimento (TIR): 16,2% Principali parametri di calcolo Costo insilato: 30 /t Energia elettrica: 280 /MWh Saggio sconto: 5%

37 Colture dedicate + effluenti zootecnici Esempio 2 12,8 t/d liquame bovino 2,9 t/d letame bovino 25 t/d liquame suino 50 t/d insilato mais 4 digestori da 2200 m 3 Potenza elettrica 1 MW Carico organico volumetrico: 2,6 kg SV /m 3 /d Tempo di ritenzione: 60 giorni Produzione voluemtrica: 1,4 m 3 biogas/m 3 reattore/d

38 Colture dedicate + effluenti zootecnici Esempio 2 Silos per biomasse 12% Vasca di stoccaggio aggiuntiva 6% Platea per solido separato 2% Opere civili 25% Cogeneratore 20% Opere elettromeccaniche 35% Investimento totale (3.200 /kwe installato)

39 Colture dedicate + effluenti zootecnici Esempio 2 VAN (k ) Anni 5,0% Break even point: 3,6 anni Valore attuale Netto (VAN): Tasso Interno Rendimento (TIR): 29,7% Principali parametri di calcolo Costo insilato: 30 /t Energia elettrica: 280 /MWh Saggio sconto: 5%

40 Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio 1 Con un valore dell'energia di 28 c /kwh e un TIR del 20% la valorizzazione del silomais massima è pari a 23 /t, aumenta 33 /t se l'imprenditore ritiene remunerativo un TIR del 15%

41 Colture dedicate + effluenti zootecnici Esempio 2 Con un valore dell'energia di 28 c /kwh e un TIR del 25% la valorizzazione del silomais massima è pari a 40 /t

42 Valutare la redditività Confronto fra i due esempi Esempio 1+2 Tasso Interno Rendimento (TIR): 15% A parità di TIR l'impianto da 1 MWe può valorizzare il silomais a 52 /t, l'impianto da 200 kw a 33 /t!

43 Costi e ricavi del biogas ADEcoTec DSS, un software del CRPA per gli studi di fattibilità ADEcoTec DSS valuta la redditività al variare di: costo/ricavo delle matrici del saggio di sconto bancario del prezzo dei certificati verdi del prezzo di vendita dell'energia elettrica della quota di incentivo in conto capitale

44 Corso sulle filiere agro-energetiche Sala Auditorium del Comune di Medicina (BO) 9-10 giugno 2010 Grazie per l'attenzione Elementi di valutazione per lo studio di fattibilità per impianti di biogas