PARTE PRIMA. Elementi e caratteristiche dei piccoli impianti

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1 Dipartimento di Economia e Ingegneria agrarie Marco Arruzza Alessandro Ragazzoni Convenienza economica e fattibilità tecnica di piccoli impianti: alcuni casi di studio

2 PARTE PRIMA Elementi e caratteristiche dei piccoli impianti

3 SITUAZIONE DI RIFERIMENTO IN ITALIA Da un indagine del CRPA (Centro Ricerche Produzioni Animali di Reggio Emilia) del maggio 2011 risultano 521 impianti a biogas, in ambito agro-zootecnico, di cui 130 in costruzione. Evoluzione del numero di impianti a biogas in ambito agro-zootecnico 521 Numero impianti Anno Fonte: Piccinini S. Il biogas: situazione e prospettive in Italia Workshop, Lodi CRPA 21 giugno 2011

4 Numero di impianti agro-zootecnici per potenza elettrica installata (maggio 2011) Classe di potenza elettrica installata (kwel) Impianti (Numero) Impianti (%) > , , ,2 < ,4 Altre tecnologie o non disponibile 49 9,4 TOTALE ,0 Più del 55% degli impianti a biogas in ambito agricolo hanno una potenza elettrica installata tra i 501 e i 999 kwel; l incremento percentuale del numero di questa tipologia di impianti dal 2010 al 2011 è pari al 189%. Fonte: Piccinini S. Il biogas: situazione e prospettive in Italia Workshop, Lodi CRPA 21 giugno 2011

5 PERCHE PICCOLI IMPIANTI? L elevata richiesta di colture energetiche per alimentare impianti a biogas (spesso concentrati in aree ristrette) può provocare le seguenti ripercussioni negative sul territorio: Estrema variabilità del mercato dei cereali; Incremento del costo e dell affitto dei terreni agricoli; Difficoltà di reperimento della biomassa con conseguente blocco degli impianti, elevati costi di trasporto di substrati da aree extra aziendali o cambi repentini della dieta ; Problematiche legate allo smaltimento del digestato in base alla normativa sui nitrati (DM 7 aprile 2006). Ripartizione % del numero e della potenza di impianti per tipologia di alimentazione Fonte: Piccinini S. Il biogas: situazione e prospettive in Italia Workshop, Lodi CRPA 21 giugno 2011

6 L utilizzo esclusivo, o prevalente, di reflui zootecnici e sottoprodotti agroindustriali come substrato di fermentazione, può rappresentare una soluzione in grado di mitigare gli effetti negativi precedentemente analizzati? Impianti a biogas di piccola-media taglia alimentati esclusivamente con scarti o reflui zootecnici sono sostenibili economicamente? Per rispondere adeguatamente a queste domande è necessario analizzare i seguenti aspetti: Individuazione di aree con maggiore concentrazione di allevamenti zootecnici Analisi del potere energetico dei reflui e adeguato dimensionamento degli impianti Valutazioni economiche specifiche per i piccoli impianti Casi di studio reali (peculiarità e problematiche)

7 Aziende zootecniche e capi allevati nelle Regioni italiane BOVINI SUINI REGIONI Aziende con bovini (numero) Capi totali (numero) Aziende con più di 100 bovini da latte (numero) Aziende con suini (numero) Capi totali (numero) Aziende con più di suini (numero) Lombardia Piemonte Emilia Romagna Veneto n.d n.d. ITALIA Più del 38% delle aziende zootecniche con bovini si trovano in queste quattro regioni con il 72% circa di capi allevati sul totale. Il 26% delle aziende suinicole, con oltre l 84 % dei capi allevati, sono concentrate in queste quattro regioni. Fonte: Istat 6 Censimento generale dell agricoltura Dati provvisori di 16 Regioni ad alta partecipazione 2011

8 QUALE RICETTA UTILIZZARE? Applicabilità della digestione anaerobica a matrici agricole e zootecniche: PRODOTTI e SOTTOPRODOTTI Liquami zootecnici: soluzione ottimale con tenori di s.s. superiori al 5% Substrati ad elevato contenuto organico: (cereali in particolare) Reflui enologici, lattiero caseari, agro-alimentari ad alta concentrazione Frazione organica da Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) E possibile pensare a 3 vie principali agricole REFLUI E SCARTI ORGANICI MIX DI PRODOTTI: - REFLUI E SCARTI - COLTURE DEDICATE COLTURE DEDICATE

9 POTERE ENERGETICO DELLA BIOMASSA (A) Indici di conversione delle principali fonti agro-zootecniche in biogas ed in energia elettrica FONTI AGRICOLE E ZOOTECNICHE Reflui zootecnici Sostanza secca Incidenza s.s.o. Biogas Quantità biogas Energia elettrica (%) (%) (m3/kg SSO) (m3) (KWh/t) LIQUAME SUINO 5,00% 90,00% 0,45 20,25 36,45 LIQUAME BOVINO 7,50% 85,00% 0,40 25,50 45,90 REFLUO AVICOLO 15,00% 75,00% 0,50 56,25 101,25 Prodotto di scarto agro-industria RIFIUTI ORTOFRUTTICOLI 15,00% 76,00% 0,40 45,60 82,08 SIERO DI LATTE 5,00% 86,00% 0,70 30,10 54,18 SCARTI DI MACELLAZIONE 14,00% 90,00% 0,80 100,80 181,44 Prodotto dedicato PAGLIA 85,00% 75,00% 0,35 223,13 401,63 INSILATO D'ERBA 33,00% 95,00% 0,58 181,83 327,29 INSILATO DI SORGO 30,00% 90,00% 0,60 162,00 291,60 INSILATO DI MAIS 32,00% 95,00% 0,60 182,40 328,32 Rifiuti organici comunali FANGHI BIOLOGICI 12,00% 70,00% 0,50 42,00 75,60 Fraz. Org. Rifiuti Solidi Urbani 20,00% 80,00% 0,50 80,00 144,00 Fonti: Euromatic Energia, 2006

10 Stima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrica (1 kw) (B) Tipologia di materia prima Quantità biogas Energia elettrica Produzione (m3/capi/ha) Fabbisogno (20 ore*350 giorni) (m3) (kwh/t) (unità) (unità/kw) Reflui zootecnici LIQUAME SUINO 20,25 36,45 1,00 Ton 192,04 LIQUAME BOVINO 25,50 45,90 1,00 152,51 Prodotto di scarto agro-industria RIFIUTI ORTOFRUTTICOLI 45,60 82,08 1,00 Ton 85,28 POLPA DI PATATE 66,83 120,29 1,00 58,20 SCARTI DI MACELLAZIONE 100,80 181,44 1,00 38,58 Prodotto dedicato da colture agricole PAGLIA (circa il 70% della granella) 223,13 401,63 2,10 Ettari 8,30 INSILATO D'ERBA 181,83 327,29 40,00 0,53 INSILATO DI SORGO 162,00 291,60 45,00 0,53 INSILATO DI MAIS 182,40 328,32 55,00 0,39 Rifiuti organici comunali Ton FANGHI BIOLOGICI 42,00 75,60 1,00 92,59 Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) 80,00 144,00 1,00 48,61

11 Stima dei capi necessari per l installazione di 1 kw di potenza (C) Il numero di capi necessario per la gestione di 1 kw di potenza installa è molto variabile in relazione a: - Tipo di stabulazione e grigliatura; - Caratteristiche e destinazione dell animale; - Tipo di dieta; - Concentrazione refluo. Reflui zootecnici Materia prima Concentrazione Peso Vivo Refluo annuale Capi (t/kw) (% S.O.) (kg p.v.) (t/anno/capo) (numero) LIQUAME SUINO 192,04 - Magroncello (50 kg) 5, , Magrone (70 kg) 5, , Adulto da macello (100 kg) 5, , LIQUAME BOVINO 152,51 - Vitello (100 kg) 7, , Vitellone (300 kg) 7, , Adulto (500 kg) 7, ,161 7

12 Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: il caso dei bovini Dimensione allevamento Vitelli 100 kg/capo ENERGIA ELETTRICA Vitelloni 300 kg/capo ENERGIA ELETTRICA Adulti 500 kg/capo Grado di concentrazione (7,0%) Resa refluo (kwh/t) (7,0%) Resa refluo (kwh/t) (7,0%) ENERGIA ELETTRICA Resa refluo (kwh/t) Produzione unitaria (kg/capo/anno) , , ,90 (numero) (t/anno) (kw) installato (t/anno) (kw) installato (t/anno) (kw) installato , , , , , , , , , , , ,7 (D) Bovini , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,4

13 Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: il caso dei suini Suini Dimensione allevamento SUINI (50 kg/capo) ENERGIA ELETTRICA SUINI (70 kg/capo) Grado di concentrazione (5,0%) Resa refluo (kwh/t) (5,0%) ENERGIA ELETTRICA SUINI (100 kg/capo) Resa refluo (kwh/t) (5,0%) ENERGIA ELETTRICA Resa refluo (kwh/t) Produzione unitaria (kg/capo/anno) , , ,45 (numero) (t/anno) (t/anno) (t/anno) (kw) installato , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , , ,7 (E)

14 Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati (F) Bovini Suini 150,0 250,0 Vitello (100 kg/capo) Vitellone (300 kg/capo) Adulto (500 kg/capo) Magroncello (50 kg/capo) Magrone (70 kg/capo) Adulto da macello (100 kg/capo) Potenza installata (kw) 100,0 50,0 Impianto di 50kW Capi di 300 kg: > 650 Capi di 500 kg: > 350 Potenza installata (kw) 200,0 150,0 100,0 Impianto di 50kW 50,0 0,0 0, Capi di 50 kg: > Capi di 70 kg: > Capi di 100 kg: > Capi allevati Capi allevati

15 ALCUNE VALUTAZIONI ECONOMICHE (A) Costo unitario per impianti a potenza crescente Costo unitario di investimento (euro/kw) Fonti: Potenza installata (kwe) -ARSIA - Blu Energy Control - Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara -CRPA - IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum

16 (B) Costo totale per impianti a potenza crescente Costo totale impianto (000 euro) Potenza installata (kwe) Fonti: -ARSIA - Blu Energy Control - Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara -CRPA - IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum

17 PARTE SECONDA Alcuni casi di studio

18 CASI DI STUDIO Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 250 kw el alimentato esclusivamente con reflui zootecnici. 1) CARATTERISTICHE DELL AZIENDA Sito costruttivo Reggio Emilia Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari) 0,00 Numero di capi (suini) Circa Produzione media liquame da suino adulto (t/capo/anno) 3,0 Produzione totale liquame suino (t/anno) Circa Numero di capi (bovini da latte) Circa Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2 Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 13,2 Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa

19 2) BIOMASSA E RICETTA Tipo di substrato Quantità Quantità Sostanza secca Sostanza organica secca [t/anno] [t/giorno] [%] [% S.S.] Liquame suino Liquame bovino Letame bovino 1 Letame bovino 2 Scarti di cereali TOTALE ,30 Media pesata = 8, ,32 2,5 73, ,40 9,0 82, ,59 20,0 72, ,44 16,0 80, ,55 87,0 97,0 Media pesata = 76,5

20 3) PARAMETRI OPERATIVI Produzione totale lorda annua d'energia elettrica Produzione totale lorda annua d'energia termica Produzione annuale netta d'energia elettrica Produzione annuale netta d'energia termica Auto-consumo elettrico Produzione annuale di calore richiesta dall'impianto Calore in eccesso Rendimento operativo cogeneratore Rendimento elettrico medio del cogeneratore kwh kwh kwh kwh 6,5 % circa kwh kwh 92 % circa 223 kw

21 Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 100 kw el alimentato esclusivamente con reflui zootecnici. 1) CARATTERISTICHE DELL AZIENDA Sito costruttivo Modena Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari) 0,00 Numero di capi (bovini da latte) Circa 480 Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2 Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 15,7 Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa 7.536

22 2) BIOMASSA E RICETTA Tipo di substrato Quantità Quantità Sostanza secca Sostanza organica secca [t/anno] [t/giorno] [%] [% S.S.] Liquame bovino Letame bovino TOTALE ,70 Media pesata = 11, ,15 7,0 81, ,55 15,0 81,0 Media pesata = 81,0

23 3) PARAMETRI OPERATIVI Produzione totale lorda annua d'energia elettrica Produzione totale lorda annua d'energia termica Produzione annuale netta d'energia elettrica Produzione annuale netta d'energia termica Auto-consumo elettrico Produzione annuale di calore richiesta dall'impianto Calore in eccesso Rendimento operativo cogeneratore Rendimento elettrico medio del cogeneratore kwh kwh kwh kwh 6,5 % circa kwh kwh 92 % circa 94 kw

24 QUADRO CONCLUSIVO LIMITI E PROSPETTIVE PERCHE PICCOLI IMPIANTI? VANTAGGI SVANTAGGI Valorizzazione di biomasse di scarto come reflui zootecnici Produzione energetica indipendente da colture dedicate Approvvigionamento della biomassa esclusivamente aziendale Spandimento del digestato coincidente con le normali operazioni di spandimento dei reflui zootecnici Impianti piccoli gestibili dal singolo imprenditore con possibilità di formare un consorzio di piccole aziende in un determinato territorio Costi di impianto elevati rispetto a impianti di taglie maggiori Necessità di quantitativi di biomassa adeguati Normativa di riferimento sui reflui zootecnici spesso poco chiara e diversa da Regione a Regione

25 Sistema integrato territoriale per la gestione di reflui e scarti i organici LEGENDA: A: Refluo/scarto pre-trattato in allevamento/azienda; B: Fanghi di depurazione; C: FORSU frazione solida rifiuti solidi urbani; D: Scarti di lavorazione animale e/o vegetale. Flusso di scarto/refluo Allevamento zootecnico Allevamento zootecnico A A CONSORZIO TRATTAMENTO REFLUI E SCARTI AGRO-ZOOTECNICI A Azienda agricola A Azienda agricola Flusso di energia Flusso di compost fertiliz. Flusso di biogas DIGESTORE ANAEROBICO Compost fertilizzante D IMPIANTO COGENERAZIONE Biogas Agro industria ENERGIA TERMICA ENERGIA ELETTRICA Azienda agricola Fonti: ns. elaborazioni

26 GRAZIE PER L ATTENZIONEL