Dipartimento di Scienze Agrarie (Dip.S.A.) – Università di Bologna

Donatella Banzato, Alessandro Ragazzoni

Produzione di energia

rinnovabile in agricoltura Il caso del biogas e le esperienze italiane

Parte 1

PREMESSA

Parte 3

IMPIANTO DI BIOGAS: DIMENSIONAMENTO AZIENDALE

Parte 4

RICAVI E COSTI PER GLI IMPIANTI BIOGAS

Indice della presentazione

Parte 2

BIOGAS: CARATTERISTICHE E SITUAZIONE IN EUROPA E IN ITALIA

Parte 5

ALCUNE RIFLESSIONI CONCLUSIVE

PREMESSA

Parte 1

- EFFICIENZA:Riduzione entro il 2020 del consumo

energetico del 20%

- PRODUZIONE: Raggiungimento di una quota pari al

20% di energia da FER (Fonti di Energia Rinnovabile) sul

consumo totale

- RIDUZIONE: Contenimento delle emissioni in atmosfera

ancora del 20%.

E’ il cosiddetto principio “20-20-20” da

raggiungere entro il 2020

Il recente “Piano d’azione Ue per l’efficienza energetica (2007-2012)”

fissa alcuni obiettivi per i Paesi dell’Unione Europea

EFFICIENZA

+ 20%

PRODUZIONE

+ 20%

RIDUZIONE

- 20%

Premessa

Negli ultimi anni, a livello mondiale, si è registrato un crescente interesse per la tutela dell’ambiente; preoccupa il destino

dell’azoto contenuto negli effluenti zootecnici.

Annualmente si producono circa 180 milioni di ton/a di liquami animali da una consistenza di circa 15/18 milioni di capi

bovini e suini

Foto: Emissioni di ammoniaca nella pianura padana

Premessa

Fonte: ESA ( European Space Agency)

MAGGIOR FONTE

EUROPEA DI

EMISSIONE DI

AMMONIACA

NELL’ATMOSFERA

Patrimonio bovino e bufalino in Italia: anno 2010

Il patrimonio bovino e bufalino italiano, è

concentrato principalmente in quattro regioni:

Lombardia, Veneto, Piemonte ed Emilia

Romagna, le cosidette regioni Padano- Venete.

Nell’insieme rappresentano il 61,3% dell’intera

popolazione bovina italiana, con al primo posto la

Lombardia con quasi il 25% dell’intero patrimonio

nazionale.

REGIONE Capi (n) % SAU Capi/ha

Piemonte 818.576 13,56 1.048.350,45 0,78

Valle d'Aosta 32.953 0,55 55.384,41 0,59

Lombardia 1.493.766 24,75 984.870,55 1,52

Liguria 14.192 0,24 43.033,35 0,33

Trentino Alto Adige 357.868 5,93 761.005,84 0,47

Veneto 828.960 13,73 806.319,31 1,03

Friuli Venezia Giulia 90.614 1,50 219.909,72 0,41

Emilia Romagna 559.616 9,27 1.066.773,17 0,52

Toscana 94.072 1,56 755.295,11 0,12

Umbria 60.926 1,01 327.868,41 0,19

Marche 60.270 1,00 473.063,85 0,13

Lazio 279.310 4,63 648.472,52 0,43

Abruzzo 78.669 1,30 449.988,65 0,17

Molise 48.612 0,81 196.527,69 0,25

Campania 443.372 7,35 547.464,53 0,81

Puglia 174.384 2,89 1.280.875,86 0,14

Basilicata 90.593 1,50 512.280,88 0,18

Calabria 99.250 1,64 551.404,94 0,18

Sicilia 337.115 5,58 1.384.043,04 0,24

Sardegna 252.071 4,18 1.152.756,54 0,22

TOTALE ITALIA 6.036.294 100,00 12.885.185,90 0,47

Regioni Padane 61,3%

Altre Regioni 38,7%

Fonte: Nostra elaborazione dati ISTAT 6 censimento generale dell’agricoltura

Situazione attuale nella Pianura Padano Veneta

Patrimonio suino in Italia: anno 2010

Il patrimonio suino italiano, è concentrato

anch’esso nelle quattro regioni padano-venete:

Lombardia, Veneto, Piemonte ed Emilia

Romagna.

Esse rappresentano l’84,76% dell’intera

popolazione suina italiana, e la sola Lombardia

ben il 50%.

Regioni Padane 84,76%

Altre Regioni 15,24%

REGIONE Capi (n) % SAU Capi/ha

Piemonte 1.108.894 11,49 1.048.350,45 1,06

Valle d'Aosta 212 0,002 55.384,41 0,004

Lombardia 4.854.797 50,32 984.870,55 4,93

Liguria 972 0,01 43.033,35 0,02

Trentino Alto Adige 20.238 0,21 761.005,84 0,03

Veneto 930.728 9,65 806.319,31 1,15

Friuli Venezia Giulia 252.116 2,61 219.909,72 1,15

Emilia Romagna 1.283.280 13,30 1.066.773,17 1,20

Toscana 147.771 1,53 755.295,11 0,20

Umbria 189.681 1,97 327.868,41 0,58

Marche 201.906 2,09 473.063,85 0,43

Lazio 77.171 0,80 648.472,52 0,12

Abruzzo 94.897 0,98 449.988,65 0,21

Molise 22.733 0,24 196.527,69 0,12

Campania 94.047 0,97 547.464,53 0,17

Puglia 24.457 0,25 1.280.875,86 0,02

Basilicata 84.838 0,88 512.280,88 0,17

Calabria 51.209 0,53 551.404,94 0,09

Sicilia 49.277 0,51 1.384.043,04 0,04

Sardegna 169.278 1,75 1.152.756,54 0,15

TOTALE ITALIA 9.648.383 100,00 12.885.185,90 0,75

Fonte: Nostra elaborazione dati ISTAT 6 censimento generale dell’agricoltura

Situazione attuale nella Pianura Padano Veneta

BIOGAS: CARATTERISTICHE E

SITUAZIONE IN EUROPA E IN ITALIA

Parte 2

Il biogas viene prodotto dalla biodegradazione della

sostanza organica presente nelle biomasse, in

condizioni di anaerobiosi (assenza di ossigeno).

Il processo coinvolge un consorzio di batteri

altamente specializzati, tra cui i batteri metanigeni,

che trasformano i composti generati nelle diverse

reazioni biologiche, in metano.

Le reazioni biologiche avvengono all’interno di un

digestore, dove sono ricreate le condizioni ottimali

per la buona riuscita dell’intero processo,

fondamentalmente:

• assenza di ossigeno (ambiente anaerobico)

• temperatura: 30-40°C (sistemi mesofili); 40-55°C

(sistemi termofili)

• ambiente neutro (pH compreso tra 6,7-7,4)

• elevata umidità del substrato (> 50%)

• rapporto carbonio/azoto compreso tra 20-40

• durata del processo digestivo:

- batteri mesofili = 15-40 giorni

-batteri termofili = 20-25 giorni

Come si produce il biogas

Le biomasse per la produzione di biogas

Le matrici impiegate per la produzione di biogas (substrati) sono biomasse ricche in sostanza organica.

Tradizionalmente i substrati utilizzati sono stati gli effluenti zootecnici. Oggi l’impiego anche di altre

biomasse (co-digestione) con una maggiore densità energetica, quali colture dedicate e residui organici,

consente di aumentare la produzione energetica e l’efficienza complessiva degli impianti.

Origine della biomassa

Colture agricole dedicate (insilato di mais, sorgo, triticale ecc.)

Reflui zootecnici (liquame e letame suino o bovino, pollina)

Sottoprodotti (reflui enologici, lattiero caseari, agro-alimentari ad alta concentrazione)

Frazione organica da Rifiuti Solidi Urbani (FORSU)

Colture agricole dedicate

Reflui zootecnici

Miscela di prodotti (colture dedicate e reflui)

Impianti in aree rurali

Le biomasse per la produzione di biogas

Effluenti zootecnici

Le biomasse per la produzione di biogas

Biomasse agricole

Le biomasse per la produzione di biogas

Sottoprodotti agro-alimentari

Tecnologie per la produzione di energia da biogas

Digestato

Colture

dedicate

Reflui

zootecnici

Cogenerazone

energia

elettrica e

termica

Biogas

Il processo di produzione energetica: similitudini

L’impiego del biogas

Produzione di biogas in Europa nel 2011

TOTALE EU:

10.086 ktep (118 TWh)

Fonte: CRPA

994 Impianti biogas

Circa 750 MWe installati

Impianti di biogas agro-zootecnici in Italia al 31/12/2012

Fonte: censimento CRPA

Solo effluenti zootecnici (liquame

suino e/o bovino)

Effluenti zootecnici + sottoprodotti

agroindustriali + colture dedicate

Effluenti zootecnici + colture dedicate

Effluenti zootecnici + sottoprodotti

agroindustriali

Colture dedicate e/o sottoprodotti

agroindustriali

Impianti di biogas agro-zootecnici in Italia al 31/12/2012

Fonte: censimento CRPA

Numero impianti Potenza elettrica (MW) kW/impianto

Abruzzo 13 1,3% 10,7 1,5% 822

Basilicata 6 0,6% 1,9 0,3% 318

Calabria 6 0,6% 3,2 0,5% 537

Campania 7 0,7% 5,4 0,8% 767

Emilia-Romagna 143 14,4% 110,2 15,9% 771

Friuli 69 6,9% 47,9 6,9% 694

Lazio 9 0,9% 6,6 1,0% 736

Lombardia 374 37,6% 271,0 39,0% 724

Marche 14 1,4% 10,3 1,5% 739

Piemonte 106 10,7% 75,4 10,9% 711

Puglia 6 0,6% 2,6 0,4% 437

Sardegna 12 1,2% 5,4 0,8% 454

Toscana 23 2,3% 18,9 2,7% 823

Umbria 14 1,4% 8,8 1,3% 632

Val d’Aosta 1 0,1% 0,1 0,0% 50

Veneto 151 15,2% 107,8 15,5% 714

Trentino Alto Adige 38 3,8% 5,7 0,8% 151

Molise 2 0,2% 2,0 0,3% 999

Non disponibile (stima) --- --- 62,4 -- ---

TOTALE

COMPLESSIVO 994 100,0% 756,4 100,0% 761

Impianti di biogas agro-zootecnici per età d’installazione

Fonte: dati CRPA

Andamento del numero di impianti costruiti per annualità: nel grafico sono stati riportati i dati ripartiti per

classe di potenza e totale.

Esempi di impianti a biogas per la produzione di energia elettrica

IMPIANTO DI BIOGAS:

DIMENSIONAMENTO AZIENDALE

Parte 3

Prima di intraprendere il complicato iter burocratico relativo alla realizzazione di un impianto di

Biogas in Italia, è importante eseguire una prima analisi sulle caratteristiche minime che deve

possedere l’azienda agro-zootecnica per poter avviare un impianto di digestione anaerobica

economicamente sostenibile, analizzando nel dettaglio:

- l’indice di conversione della biomassa in biogas ed energia elettrica;

- stima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrica (1 kW)

- stima dei capi necessari per l’installazione di 1 kW di potenza

Ai fini dello studio si è ritenuto di primaria importanza fornire delle linee guida utili per

inquadrare «l’azienda tipo» dove poter realizzare un impianto di biogas senza dover

aggiungere costi al bilancio aziendale per il reperimento della materia prima.

Scelta dell’azienda «tipo»

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

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

Indici di conversione delle principali fonti agro-zootecniche in biogas ed in energia elettrica

Fonti: Euromatic Energia, 2006

Scheda 1

FONTI AGRICOLE E ZOOTECNICHE Quantità biogas Energia elettrica Produzione Fabbisogno

(m3/capi/ha) (20 ore*350 giorni)

(m3) (kWh/t) (unità) (unità/kW)

Reflui zootecnici

LIQUAME SUINO 20,25 36,45 1,00 192,04

LIQUAME BOVINO 25,50 45,90 1,00 152,51

Prodotto di scarto agro-industria

RIFIUTI ORTOFRUTTICOLI 45,60 82,08 1,00 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 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

Stima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrica (1 kW)

Ton

Ton

Ettari

Fonti: Nostra elaborazione su dati Euromatic Energia, 2006

Scheda 2

Il numero di capi necessario per la gestione di 1 kW di potenza è molto variabile in relazione a:

- tipo di stabulazione;

- caratteristiche e destinazione dell’animale;

- tipo di dieta;

- concentrazione refluo.

Fonte: Nostra elaborazione

Stima dei capi necessari per l’installazione di 1 kW di potenza

Scheda 3

Esempio azienda A : 100 kW

1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA

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

Impianto a biogas con potenza nominale installata 100 kW

Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 100 kW el alimentato esclusivamente con

reflui zootecnici.

Esempio azienda B: 300 kW

1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA

Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (mais) 24,00

Numero di capi (bovini da carne) Circa 980

Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 22,161

Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa 21.718

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

Impianto a biogas con potenza nominale installata 300 kW

Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 300 kW el alimentato con reflui zootecnici

e mais (20% DEL TOTALE).

Esempio azienda C: 600 kW

1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA

Numero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari) 71,00

Numero di capi (bovini da latte) Circa 2.000

Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2

Produzione totale liquame bovino (t/anno Circa 20.400

Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 15,7

Produzione totale letame bovino (t/anno)

Circa 31.400

Impianto a biogas con potenza nominale installata 600 kW

Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 600 kW el alimentato con reflui zootecnici

e mais (30% DEL TOTALE).

RICAVI E COSTI PER GLI IMPIANTI

BIOGAS

Parte 4

INFORMAZIONI DI BASE TARIFFA INCENTIVANTE BASE

2013

PER 20 ANNI Tipologia di dieta utilizzata

Potenza

kW €/kWh

Prodotti di origine biologica

1<P≤300 0,180

301<P≤600 0,160

600<P≤1.000 0,140

1.000<P≤5.000 0,104

P>5.000 0,091

Sottoprodotti di origine biologica

1<P≤300 0,236

301<P≤600 0,206

600<P≤1.000 0,178

1.000<P≤5.000 0,125

P>5.000 0,101

Fonte: Nostra elaborazione dell’allegato 1 del D.M. 06 luglio 2012

Ricavi: Tariffe incentivanti

Per gli impianti entrati in esercizio fino al 31/12/2012, la tariffa incentivante prevista dallo Stato Italiano era fissata in

0,28€/kWh per 15 anni.

A partire dal 01/01/2013, a seguito del nuovo DM 7 luglio 2012 , le nuove tariffe incentivanti sono state distinte in base alla

potenza installata e alla tipologia di dieta utilizzata per alimentare l’impianto.

INFORMAZIONI DI BASE PREMI AGGIUNTIVI

Tipologia di dieta

utilizzata

Potenza

Cogeneratore ad

alto rendimento

(Art.8 c.8) (*)

Cogeneratore ad

alto rendimento

abbinato al

teleriscaldamento

(Art.8 c.8) (*)

Riduzione

delle emissioni

di gas a effetto

serra (**)

(Art. 8 c.6)

Riduzione delle

emissioni

inquinanti (***)

(Art.8 c.7)

kW €/kWh €/kWh €/kWh €/kWh

Prodotti di origine

biologica

1<P≤300 0,040 --- --- 0,030

301<P≤600 0,040 --- --- 0,030

600<P≤1.000 0,040 --- --- 0,030

1.000<P≤5.000 0,040 --- 0,010 0,030

P>5.000 0,040 --- --- 0,030

Sottoprodotti di

origine biologica

1<P≤300 0,010 0,040 --- 0,030

301<P≤600 0,010 0,040 --- 0,030

600<P≤1.000 0,010 0,040 --- 0,030

1.000<P≤5.000 0,010 0,040 0,010 0,030

P>5.000 0,010 0,040 --- 0,030

(*) Premi non cumulabili tra di loro

(**) L’esercizio degli impianti dà luogo ad una riduzione delle emissioni di gas a effetto serra rispetto a valori obiettivo, tali valori, così come le modalità

con cui verificarne il rispetto saranno individuate tramite un Decreto da emanare.

(***) Nell’art.281, comma 5 del D.Lgs 152/2006 sono stabilite le modalità con le quali le competenti agenzie Regionali e Provinciali verificano e

comunicano al Gse il rispetto delle condizioni per l’accesso al premio

Fonte: Nostra elaborazione dell’allegato 1 del D.M. 06 luglio 2012

Ricavi: Premi per efficienza energetica

In un processo

cosiddetto “umido”, la

fermentazione è eseguita

in presenza di una

matrice con circa il 10%

di solidi totali

FASE SOLIDA:

20%

FASE LIQUIDA:

80%

~ 15-20 ton/kW

TERRENI EXTRA AZIENDALI

FERTIRRIGAZIONE

Foto WAMGROUP

Trattamento del digestato: separazione solido-liquida delle fasi

Digestato: valorizzazione del potere fertilizzante

Digestato: valorizzazione del potere fertilizzante

VANTAGGI UTILIZZO SEPCOM PER IL DIGESTTO

•Vasta gamma di materiali e portate da trattare

•Alimentazione ottimizzata grazie al polmone

compensatore

•Diaframma di uscita solido in tecnopolimero anti-usura:

risparmio nei ricambi

•Pressione auto-equilibrata alla bocca di uscita del solido:

funzionamento costante e sicuro

•Vaglio autopulente: lunga durata e alto rendimento

continuato nel tempo

•Elica modulare e costruita in tecnopolimero anti-usura:

semplicità e rispamio nei ricambi

•Funzionamento continuo

•Rapido ritorno dell’iunvestimento

Foto WAMGROUP

Fino a 250 kW Tra 250 e 500 kW Oltre 500 kW

Fonti: ns. elaborazione da un campione di impianti di digestione anaerobica.

Componenti impianto Minimo Massimo Minimo Massimo Minimo Massimo

(euro/kW) (euro/kW) (euro/kW) (euro/kW) (euro/kW) (euro/kW)

- Opere civili 2.300 3.000 2.000 2.300 1.400 2.000

- Opere elettromecc. 2.000 2.500 1.500 2.000 1.000 1.500

- Cogeneratore 1.200 1.500 1.000 1.200 600 1.000

TOTALE: 5.500 7.000 4.500 5.500 3.000 4.500

Ipotesi assunte

0 200 400 600 800 1000

Potenza (kW)

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

Cost

o u

nit

ario

(eu

ro/k

W)

Impianti medio-piccoli

Dinamica dei costi di

impianto in base alla

potenza installata

Fonti:

- ARSIA

- Blu Energy Control

- Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara

- CRPA

- IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum

Costi di costruzione

B) Costi finanziari

(rqn)

---------

(qn – 1)

Coefficiente per la

determinazione della rata del

mutuo annuale

dove: n = numero di anni r = saggio di interesse q = (1 + r)

per cui la rata annuale risulta:

x = costo impianto • coefficiente

Ipotesi di costo

della rata

annuale del

mutuo (15 anni)

Capitoli di spesa

Potenza elevata ( 1MW) Minimo (euro/kWh)

Potenza ridotta (< 200 kW) Massimo (euro/kWh)

- Gestione e manutenzione ordinaria impianto 0,015 0,020

- Full service cogeneratore 0,020 0,040

TOTALE: 0,035 0,060

A) Costi ordinari

Costo

(euro/kW) 5,00% 5,50% 6,00% 6,50% 7,00% 7,50% 8,00%

4.000,0 0,048 0,050 0,051 0,053 0,055 0,057 0,058

Costi di gestione

La quota di ammortamento viene rapportata alle ore di funzionamento dell’impianto per ottenere un costo euro/kWh.

Utilizzando i valori ricavati precedentemente, è stato possibile impostare la dinamica del costo totale di gestione di

un impianto, senza considerare il costo della biomassa per l’alimentazione del digestore.

Fonte: ns elaborazione da indagine diretta in impianti per biogas

Costi TOTALI di gestione

ALCUNE RIFLESSIONI FINALI

POTENZA

IMPIANTO BIOMASSA

Strategia A Strategia B

COSTANTE L’imprenditore fissa una costante nel progetto:

a) la potenza da installare;

ovvero,

b) la disponibilità reale di biomassa in azienda.

BASSO ALTO

Reddito di impresa Reddito di impresa

POTENZA

IMPIANTO BIOMASSA

LIVELLO DI RISCHIO

VARIABILE In relazione della costante fissata (potenza o biomassa) l’imprenditore

deve impostare la filiera con gradi di rischio differenti:

a) reperimento della biomassa necessaria per il funzionamento della

potenza installata;

ovvero,

b) realizzare un impianto di potenza congrua alla disponibilità reale di

biomassa in azienda.

Strategie d’impresa

In conclusione si vogliono riassumere i principali vantaggi della digestione anaerobica:

produzione di energia da fonte rinnovabile;

miglioramento dell'economia delle aziende zootecniche e/o agricole;

minori emissioni di gas-serra;

migliore gestione delle emissioni in atmosfera

in Europa negli ultimi anni, si riscontra la tendenza ad avviare impianti di piccole dimensioni

(fino ai 300 kW) e ridurre la l’utilizzo di colture dedicate a favore dell’impiego di sottoprodotti

agricoli, grazie ad una migliore sfruttamento del potenziale energetico offerto da questi ultimi e

all’innovativo sistema incentivante che ne ripaga l’utilizzo

Vantaggi della digestione anaerobica

Grazie per la pazienza!!!!