Dipartimento di Economia e Ingegneria agrarie Marco Arruzza Alessandro Ragazzoni Convenienza economica e fattibilità tecnica di piccoli impianti: alcuni casi di studio
PARTE PRIMA Elementi e caratteristiche dei piccoli impianti
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
Numero di impianti agro-zootecnici per potenza elettrica installata (maggio 2011) Classe di potenza elettrica installata (kwel) Impianti (Numero) Impianti (%) > 1.000 24 4,6 501 999 289 55,5 100 500 105 20,2 < 100 54 10,4 Altre tecnologie o non disponibile 49 9,4 TOTALE 521 100,0 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
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
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)
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 1.000 suini (numero) Lombardia 14.700 1.483.557 1.980 2.639 4.854.797 942 Piemonte 13.228 815.564 378 1.200 1.108.894 334 Emilia Romagna 7.359 558.602 661 1.217 1.283.280 271 Veneto 13.131 825.739 n.d. 1.765 930.728 n.d. ITALIA 124.341 5.077.963 3.514 26.114 9.648.383 1.760 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
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
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
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
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) 5,00 50 2,296 84 - Magrone (70 kg) 5,00 70 3,214 60 - Adulto da macello (100 kg) 5,00 100 4,591 42 LIQUAME BOVINO 152,51 - Vitello (100 kg) 7,00 100 3,911 39 - Vitellone (300 kg) 7,00 300 12,514 12 - Adulto (500 kg) 7,00 500 22,161 7
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) 3.911 45,90 12.514 45,90 22.161 45,90 (numero) (t/anno) (kw) installato (t/anno) (kw) installato (t/anno) (kw) installato 50 196 1,2 626 3,9 1.108 6,9 100 391 2,4 1.251 7,8 2.216 13,8 150 587 3,7 1.877 11,7 3.324 20,8 200 782 4,9 2.503 15,6 4.432 27,7 (D) Bovini 250 978 6,1 3.129 19,5 5.540 34,6 300 1.173 7,3 3.754 23,4 6.648 41,5 350 1.369 8,5 4.380 27,4 7.756 48,4 400 1.564 9,8 5.006 31,3 8.864 55,4 450 1.760 11,0 5.631 35,2 9.972 62,3 500 1.955 12,2 6.257 39,1 11.080 69,2 550 2.151 13,4 6.883 43,0 12.188 76,1 600 2.346 14,7 7.509 46,9 13.296 83,0 650 2.542 15,9 8.134 50,8 14.404 90,0 700 2.738 17,1 8.760 54,7 15.513 96,9 750 2.933 18,3 9.386 58,6 16.621 103,8 800 3.129 19,5 10.011 62,5 17.729 110,7 850 3.324 20,8 10.637 66,4 18.837 117,6 900 3.520 22,0 11.263 70,3 19.945 124,6 950 3.715 23,2 11.889 74,2 21.053 131,5 1.000 3.911 24,4 12.514 78,2 22.161 138,4
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) 2.296 36,45 3.214 36,45 4.591 36,45 (numero) (t/anno) (t/anno) (t/anno) (kw) installato 500 1.148 5,7 1.607 8,0 2.296 11,4 1.000 2.296 11,4 3.214 15,9 4.591 22,8 1.500 3.444 17,1 4.821 23,9 6.887 34,2 2.000 4.591 22,8 6.428 31,9 9.183 45,5 2.500 5.739 28,5 8.035 39,8 11.479 56,9 3.000 6.887 34,2 9.642 47,8 13.774 68,3 3.500 8.035 39,8 11.249 55,8 16.070 79,7 4.000 9.183 45,5 12.856 63,8 18.366 91,1 4.500 10.331 51,2 14.463 71,7 20.661 102,5 5.000 11.479 56,9 16.070 79,7 22.957 113,8 5.500 12.626 62,6 17.677 87,7 25.253 125,2 6.000 13.774 68,3 19.284 95,6 27.549 136,6 6.500 14.922 74,0 20.891 103,6 29.844 148,0 7.000 16.070 79,7 22.498 111,6 32.140 159,4 7.500 17.218 85,4 24.105 119,5 34.436 170,8 8.000 18.366 91,1 25.712 127,5 36.731 182,2 8.500 19.514 96,8 27.319 135,5 39.027 193,5 9.000 20.661 102,5 28.926 143,4 41.323 204,9 9.500 21.809 108,2 30.533 151,4 43.619 216,3 10.000 22.957 113,8 32.140 159,4 45.914 227,7 (E)
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 0,0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 600 650 700 750 800 850 900 950 1.000 500 1.000 1.500 2.000 2.500 3.000 3.500 4.000 4.500 5.000 5.500 6.000 6.500 7.000 7.500 8.000 8.500 9.000 9.500 10.000 Capi di 50 kg: > 4.000 Capi di 70 kg: > 3.000 Capi di 100 kg: > 2.000 Capi allevati Capi allevati
ALCUNE VALUTAZIONI ECONOMICHE (A) Costo unitario per impianti a potenza crescente 8.000 Costo unitario di investimento (euro/kw) 7.000 6.000 5.000 4.000 3.000 0 100 200 300 400 500 600 700 800 Fonti: Potenza installata (kwe) -ARSIA - Blu Energy Control - Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara -CRPA - IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum
(B) Costo totale per impianti a potenza crescente 2.500 2.250 Costo totale impianto (000 euro) 2.000 1.750 1.500 1.250 1.000 750 500 250 0 0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550 Potenza installata (kwe) Fonti: -ARSIA - Blu Energy Control - Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara -CRPA - IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum
PARTE SECONDA Alcuni casi di studio
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 6.000 Produzione media liquame da suino adulto (t/capo/anno) 3,0 Produzione totale liquame suino (t/anno) Circa 18.000 Numero di capi (bovini da latte) Circa 1.000 Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2 Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa 10.200 Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 13,2 Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa 13.200
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 37.700 103,30 Media pesata = 8,4 18.000 49,32 2,5 73,0 10.000 27,40 9,0 82,0 3.500 9,59 20,0 72,0 6.000 16,44 16,0 80,0 200 0,55 87,0 97,0 Media pesata = 76,5
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 2.014.800 kwh 2.137.654 kwh 1.954.356 kwh 2.073.524 kwh 6,5 % circa 1.598.820 kwh 474.704 kwh 92 % circa 223 kw
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 4.896 Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 15,7 Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa 7.536
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 12.300 33,70 Media pesata = 11,88 4.800 13,15 7,0 81,0 7.500 20,55 15,0 81,0 Media pesata = 81,0
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 849.720 kwh 1.061.014 kwh 824.228 kwh 1.029.184 kwh 6,5 % circa 554.082 kwh 475.102 kwh 92 % circa 94 kw
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
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
GRAZIE PER L ATTENZIONEL