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
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
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)
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] 48,65 2922 1470 496 3271 187,7 3585 1117 788 2431 [% ST] [% ST] [% NTK] [% ST] [% ST] 76% 4,6% 50% 0,8% 5,1% 88% 1,7% 31% 0,4% 1,1%
Disponibilità di biomasse: effluenti bovini
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 7,2 20 22 24 26 28 30 32 34 Produzione latte [kg/giorno]
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] 26,4 3118 1897 916 1785 174,5 6449 1870 4352 2147 [%ST] [%ST] [%NTK] [%ST] [%ST] 68% 8,0% 61% 2,4% 4,6% 83% 3,0% 29% 2,1% 1,0%
Disponibilità di biomasse: effluenti suini
Disponibilità di biomasse: escrezione ST da suini Escrezione (kg/tpv/a) 4000 3500 3000 2500 2000 1500 1000 500 0 0 20 40 60 80 100 120 140 160 180 Peso vivo [kg]
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 ± 160 772 ± 76 649 ± 114 659 ± 89 [g/kg tq] 459 ± 125 632 ± 73 509 ± 93 546 ± 78 [mg/kg tq] 33.406 ± 8.266 45.184 ± 4.440 36.228 ± 6.366 37.394 ± 4.973 [%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0,6 Azoto ammoniacale [mg/kg tq] 5.798 ± 2.635 4.277 ± 1.626 5.392 ± 1.745 5.000 ± 1.235 (NH 4 ) [%NTK] 19,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2 Azoto organico [mg/kg tq] 27.607 ± 10.195 40.907 ± 4.978 30.836 ± 6.944 32.553 ± 5.744 (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)
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±4047 36980±6755 [%ST] 6,4±0,4 5,1±0,4 [mg/kg tq] 2946±529 2175±997 [%NTK] 14±3,2 6±4 Produzione sostanza secca: 10,5 kg ST/posto/anno (25-30% ceneri, 70-75% SV)
Disponibilità di biomasse: potenzialità comparto vegetale (Fonte: CRPA-Regione Emilia-Romagna ProBio 2006)
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)
Disponibilità di biomasse: sottoprodotti vegetali Scarti di mais dolce Fagiolini Buccette pomodoro Pera
Disponibilità di biomasse: sottoprodotti animali Scarti di incubatoio Polli morti Uova rotte
Disponibilità di biomasse: stagionalità dei sottoprodotti
Disponibilità di biomasse: colture dedicate 2 2 1 9 1 2 1 4 1 1 1 1 8 1 2 4. 2 4. 5 4. 8 1 0 9 1 1 1 0 1 2 2 1. 5 1 7. 8 1 1. 4 1 2. 9 9. 6 9. 3 7. 4 1 0. 6 7 7 7 9 9 1 2 9 1 2 4 1 4 6 4 8 6 5 6 0 5 9 6 4 4 0 ( A D F ) 2. 5 2. 5 2. 5 1. 5 2 1. 5 1. 5 1 0 4 5. 3 4 0 3 7. 7 1 4. 5 2 0 1 6. 5 1 5. 5 1 0 Fonte Monitoraggio Foraggi Pioneer 2005-2007
Disponibilità di biomasse: perdite di stoccaggio
I parametri di calcolo: analisi dimensionale Produzione biogas HRT Carico organico volumetrico Volume gasometro Digestore (volume, agitatori Analisi economica Dispersione calore Analisi energetica
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
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
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
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
Dimensionamento digestore: effetto della qualità delle matrici 700 600 Volum e digestore (m 3) 500 400 300 200 100 0 10% 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!
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 1/4 25 20 15 10 5 0 Produzione energia elettrica [MWh/gg] Carico organico volumetrico Produzione elettrica
Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli 1600 Potenza elettrica prodotta [kw] 150 140 130 120 110 100 90 80 70 60 700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400 Peso vivo mediamente presente [t] Peso vivo mediamente presente [t] 1400 1200 1000 800 600 1/12 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!
Controllo di processo: acidità volatile 7 COV [kgsv/m3.gg] e IpV [m3/m3.gg] 6 5 4 3 2 Inizio crisi Sovraccarico improvviso 7.010 6.010 5.010 4.010 3.010 2.010 Acidità totale (mg/kg) e potenza elettrica (kw) 1 Evidenza della crisi 1.010 0 1/8 31/8 30/9 30/10 29/11 29/12 28/1 27/2 10 COV IpV Acidità totale Potenza elettrica
Controllo di processo: rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC)
Confronto fra 3 casi monitorati
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
I parametri di calcolo: caratteristiche digestato Digestato Chiarificato Separazione S/L Solido separato Quantità; Concentrazione sostanza secca; Ricircolo? Concentrazione sostanza organica; Concentrazione azoto Stoccaggi
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
Come incide il costo del denaro sul tempo di ritorno Break even point [anni] 30 25 20 15 10 5 0 3 4 5 6 7 8 9 10 Tempo di ritorno semplice [anni] Costo del denaro= 6%
Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio 1 200 bovini da latte + rimonta + 3000 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
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 976.000 (4.890 /kwe installato)
Azienda zootecnica + integrazione con insilati Esempio 1 VAN (k ) 1.000 800 600 400 200 0-200 -400-600 -800-1.000-1.200-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 Anni 5,0% Break even point: 6,1 anni Valore attuale Netto (VAN): 808.700 Tasso Interno Rendimento (TIR): 16,2% Principali parametri di calcolo Costo insilato: 30 /t Energia elettrica: 280 /MWh Saggio sconto: 5%
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
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 3.200.000 (3.200 /kwe installato)
Colture dedicate + effluenti zootecnici Esempio 2 VAN (k ) 8.000 6.000 4.000 2.000 0-2.000-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15-4.000 Anni 5,0% Break even point: 3,6 anni Valore attuale Netto (VAN): 6.578.000 Tasso Interno Rendimento (TIR): 29,7% Principali parametri di calcolo Costo insilato: 30 /t Energia elettrica: 280 /MWh Saggio sconto: 5%
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%
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
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!
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
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 www.crpa.it/seqcure