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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
Numero impianti
521
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)
> 1.000
Impianti
(Numero)
Impianti
(%)
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
521
100,0
TOTALE
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
REGIONI
Aziende con
bovini
(numero)
Capi totali
(numero)
SUINI
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
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
Emilia Romagna
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
(A)
POTERE ENERGETICO DELLA BIOMASSA
Indici di conversione delle principali fonti agro-zootecniche in biogas ed in energia elettrica
FONTI AGRICOLE E ZOOTECNICHE
Sostanza
secca
Incidenza
s.s.o.
Biogas
Quantità
biogas
Energia elettrica
(%)
(%)
(m3/kg SSO)
(m3)
(KWh/t)
Reflui zootecnici
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
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
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
12,00%
70,00%
0,50
42,00
75,60
20,00%
80,00%
0,50
80,00
144,00
Prodotto di scarto agro-industria
Prodotto dedicato
Rifiuti organici comunali
FANGHI BIOLOGICI
Fraz. Org. Rifiuti Solidi Urbani
Fonti: Euromatic Energia, 2006
(B)
Stima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrica (1 kW)
Tipologia di materia prima
Quantità
biogas
(m3)
Energia elettrica
Produzione
(m3/capi/ha)
Fabbisogno
(20 ore*350
giorni)
(kWh/t)
(unità)
(unità/kW)
Reflui zootecnici
Ton
LIQUAME SUINO
20,25
36,45
1,00
192,04
LIQUAME BOVINO
25,50
45,90
1,00
RIFIUTI ORTOFRUTTICOLI
45,60
82,08
1,00
POLPA DI PATATE
66,83
120,29
1,00
58,20
100,80
181,44
1,00
38,58
PAGLIA (circa il 70% della granella)
223,13
401,63
2,10
INSILATO D'ERBA
181,83
327,29
40,00
INSILATO DI SORGO
162,00
291,60
45,00
0,53
INSILATO DI MAIS
182,40
328,32
55,00
0,39
152,51
Prodotto di scarto agro-industria
SCARTI DI MACELLAZIONE
Ton
85,28
Prodotto dedicato da colture agricole
Rifiuti organici comunali
FANGHI BIOLOGICI
42,00
75,60
1,00
Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani (FORSU)
80,00
144,00
1,00
Ettari
Ton
8,30
0,53
92,59
48,61
(C)
Stima dei capi necessari per l’installazione di 1 kW di potenza
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
LIQUAME SUINO
Materia
prima
Concentrazione
Peso Vivo
Refluo annuale
Capi
(t/kW)
(% S.O.)
(kg p.v.)
(t/anno/capo)
(numero)
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
- 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
LIQUAME BOVINO
152,51
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
ENERGIA
ELETTRICA
Grado di concentrazione
(7,0%)
Resa refluo (kWh/t)
(7,0%)
Resa refluo (kWh/t)
(7,0%)
Resa refluo
(kWh/t)
Produzione unitaria
(kg/capo/anno)
3.911
45,90
12.514
45,90
22.161
45,90
(t/anno)
(kw) installato
(t/anno)
(kw) installato
(t/anno)
(kw) installato
(numero)
Bovini
(D)
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
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
(E)
Dimensione
allevamento
SUINI
(50 kg/capo)
ENERGIA
ELETTRICA
SUINI
(70 kg/capo)
ENERGIA
ELETTRICA
SUINI
(100 kg/capo)
ENERGIA
ELETTRICA
Grado di
concentrazione
(5,0%)
Resa refluo (kWh/t)
(5,0%)
Resa refluo
(kWh/t)
(5,0%)
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)
(kw) installato
(t/anno)
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
(F)
Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati
Bovini
Suini
250,0
150,0
Vitello (100 kg/capo)
Vitellone (300 kg/capo)
Magroncello (50 kg/capo)
Magrone (70 kg/capo)
Adulto (500 kg/capo)
200,0
Impianto di 50kW
Capi di 50 kg:
> 4.000
Potenza installata (kW)
Capi di 300 kg:
> 650
Capi di 500 kg:
> 350
150,0
Capi di 70 kg:
> 3.000
Capi di 100 kg:
> 2.000
100,0
50,0
50,0
0,0
Capi allevati
Capi allevati
9.500
10.000
9.000
8.500
8.000
7.500
7.000
6.500
6.000
5.500
5.000
4.500
4.000
3.500
3.000
2.500
2.000
1.500
500
1.000
950
1.000
900
800
850
700
750
650
500
550
600
400
450
350
250
300
150
200
100
0,0
50
Potenza installata (kW)
Impianto di 50kW
100,0
Adulto da macello (100
kg/capo)
(A)
ALCUNE VALUTAZIONI ECONOMICHE
Costo unitario per impianti a potenza crescente
Costo unitario di investimento (euro/kW)
8.000
7.000
6.000
5.000
4.000
3.000
0
100
200
Fonti:
- ARSIA
- Blu Energy Control
- Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara
- CRPA
- IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum
300
400
500
Potenza installata (kWe)
600
700
800
(B)
Costo totale per impianti a potenza crescente
2.500
Costo totale impianto (000 euro)
2.250
2.000
1.750
1.500
1.250
1.000
750
500
250
0
0
50
100
150
200
250
300
350
Potenza installata (kWe)
Fonti:
- ARSIA
- Blu Energy Control
- Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara
- CRPA
- IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum
400
450
500
550
PARTE SECONDA
Alcuni casi di studio
CASI DI STUDIO
Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a
250 kWel alimentato esclusivamente con reflui zootecnici.
1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA
Sito costruttivo
Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari)
Numero di capi (suini)
Produzione media liquame da suino adulto (t/capo/anno)
Produzione totale liquame suino (t/anno)
Numero di capi (bovini da latte)
Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno)
Produzione totale liquame bovino (t/anno)
Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno)
Produzione totale letame bovino (t/anno)
Reggio Emilia
0,00
Circa 6.000
3,0
Circa 18.000
Circa 1.000
10,2
Circa 10.200
13,2
Circa 13.200
2) BIOMASSA E “RICETTA”
Tipo di
substrato
Quantità
Quantità
Sostanza
secca
[t/anno]
[t/giorno]
[%]
Sostanza
organica secca
[% S.S.]
Liquame
suino
18.000
49,32
2,5
73,0
Liquame
bovino
10.000
27,40
9,0
82,0
Letame
bovino 1
3.500
9,59
20,0
72,0
Letame
bovino 2
6.000
16,44
16,0
80,0
Scarti di
cereali
200
0,55
87,0
97,0
103,30 Media pesata =
8,4
Media pesata =
TOTALE
37.700
76,5
3) PARAMETRI OPERATIVI
Produzione totale lorda annua d'energia elettrica
2.014.800 kWh
Produzione totale lorda annua d'energia termica
2.137.654 kWh
Produzione annuale netta d'energia elettrica
1.954.356 kWh
Produzione annuale netta d'energia termica
2.073.524 kWh
Auto-consumo elettrico
Produzione annuale di calore richiesta
dall'impianto
Calore in eccesso
Rendimento operativo cogeneratore
Rendimento elettrico medio del cogeneratore
6,5 % circa
1.598.820 kWh
474.704 kWh
92 % circa
223 kW
Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a
100 kWel alimentato esclusivamente con reflui zootecnici.
1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA
Sito costruttivo
Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari)
Numero di capi (bovini da latte)
Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno)
Produzione totale liquame bovino (t/anno)
Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno)
Produzione totale letame bovino (t/anno)
Modena
0,00
Circa 480
10,2
Circa 4.896
15,7
Circa 7.536
2) BIOMASSA E “RICETTA”
Tipo di
substrato
Quantità
Quantità
Sostanza
secca
[t/anno]
[t/giorno]
[%]
Sostanza
organica secca
[% S.S.]
Liquame
bovino
4.800
13,15
7,0
81,0
Letame
bovino
7.500
20,55
15,0
81,0
TOTALE
12.300
33,70 Media pesata =
11,88
Media pesata =
81,0
3) PARAMETRI OPERATIVI
Produzione totale lorda annua d'energia elettrica
849.720 kWh
Produzione totale lorda annua d'energia termica
1.061.014 kWh
Produzione annuale netta d'energia elettrica
824.228 kWh
Produzione annuale netta d'energia termica
1.029.184 kWh
Auto-consumo elettrico
6,5 % circa
Produzione annuale di calore richiesta
dall'impianto
554.082 kWh
Calore in eccesso
475.102 kWh
Rendimento operativo cogeneratore
Rendimento elettrico medio del cogeneratore
92 % circa
94 kW
QUADRO CONCLUSIVO – LIMITI E PROSPETTIVE
PERCHE’ PICCOLI IMPIANTI?
VANTAGGI
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
SVANTAGGI
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 organici
Allevamento
zootecnico
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.
Allevamento
zootecnico
Azienda
agricola
A
A
Flusso di scarto/refluo
A
CONSORZIO
TRATTAMENTO
REFLUI E SCARTI
AGRO-ZOOTECNICI
A
Azienda
agricola
Flusso di energia
Flusso di compost fertiliz.
Flusso di biogas
DIGESTORE
ANAEROBICO
Compost
fertilizzante
D
Biogas
IMPIANTO
COGENERAZIONE
Agro
industria
Fonti: ns. elaborazioni
ENERGIA
TERMICA
ENERGIA
ELETTRICA
Azienda
agricola
GRAZIE PER L’ATTENZIONE