Convenienza economica e fattibilitConvenienza economica e fattibilitààtecnica di tecnica di ““piccolipiccoli”” impianti: impianti:

alcuni casi di studioalcuni casi di studio

Marco Arruzza – Alessandro Ragazzoni

Dipartimento di Economia e Ingegneria agrarie

PARTE PRIMAPARTE PRIMA

Elementi e caratteristiche dei Elementi e caratteristiche dei ““piccolipiccoli”” impiantiimpianti

SITUAZIONE DI RIFERIMENTO IN ITALIASITUAZIONE DI RIFERIMENTO IN ITALIA

Evoluzione del numero di impianti a biogas in ambito agro-zootecnico

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.

Fonte: Piccinini S. – Il biogas: situazione e prospettive in Italia – Workshop, Lodi – CRPA – 21 giugno 2011

Num

ero

impi

anti

Anno

521

Numero di impianti agro-zootecnici per potenza elettrica installata (maggio 2011)

Classe di potenza elettrica installata(kWel)

Impianti(Numero)

Impianti(%)

> 1.000 24 4,6501 – 999 289 55,5100 – 500 105 20,2< 100 54 10,4Altre tecnologie o non disponibile 49 9,4TOTALETOTALE 521521 100,0100,0

Fonte: Piccinini S. – Il biogas: situazione e prospettive in Italia – Workshop, Lodi – CRPA – 21 giugno 2011

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%.

Ripartizione % del numero e della potenza di impianti per tipologia di alimentazione

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).

Fonte: Piccinini S. – Il biogas: situazione e prospettive in Italia – Workshop, Lodi – CRPA – 21 giugno 2011

PERCHEPERCHE’’ PICCOLI IMPIANTI?PICCOLI IMPIANTI?

L’utilizzo esclusivo, o prevalente, di reflui zootecnici e sottoprodotti agroindustrialicome 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)

REGIONI

BOVINIBOVINI SUINISUINI

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 942Piemonte 13.228 815.564 378 1.200 1.108.894 334Emilia Romagna 7.359 558.602 661 1.217 1.283.280 271Veneto 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.

Fonte: Istat – 6° Censimento generale dell’agricoltura – Dati provvisori di 16 Regioni ad alta partecipazione – 2011

Il 26% delle aziende suinicole, con oltre l’84 % dei capi allevati, sono concentrate in queste quattro regioni.

Aziende zootecniche e capi allevati nelle Regioni italiane

ApplicabilitApplicabilitàà della digestione anaerobica a matrici agricole e zootecniche:della digestione anaerobica a matrici agricole e zootecniche:

PRODOTTI e SOTTOPRODOTTILiquami 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 concentrazioneFrazione organica da Rifiuti Solidi Urbani (FORSU)

E’ possibile pensare a 3 vie principali “agricole”

REFLUI E SCARTI REFLUI E SCARTI ORGANICIORGANICI

MIX DI PRODOTTI:MIX DI PRODOTTI:- REFLUI E SCARTI- COLTURE DEDICATE

COLTURE DEDICATECOLTURE DEDICATE

QUALE RICETTA UTILIZZARE?QUALE RICETTA UTILIZZARE?

FONTI AGRICOLE E ZOOTECNICHESostanza

seccaIncidenza

s.s.o. Biogas Quantitàbiogas Energia elettrica

(%) (%) (m3/kg SSO) (m3) (KWh/t)

Reflui zootecnici

LIQUAME SUINO 5,00% 90,00% 0,45 20,25 36,45LIQUAME BOVINO 7,50% 85,00% 0,40 25,50 45,90REFLUO 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% 0,60 162,00 291,60INSILATO DI MAIS 32,00% 95,00% 0,60 182,40 328,32Rifiuti 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

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

Fonti: Euromatic Energia, 2006

POTERE ENERGETICO DELLA BIOMASSAPOTERE ENERGETICO DELLA BIOMASSA (A)

Tipologia di materia primaQuantitàbiogas Energia elettrica

Produzione (m3/capi/ha)

Fabbisogno(20 ore*350

giorni)(m3) (kWh/t) (unità) (unità/kW)

Reflui zootecniciLIQUAME SUINO 20,25 36,45 1,00 192,04LIQUAME BOVINO 25,50 45,90 1,00 152,51Prodotto di scarto agro-industriaRIFIUTI ORTOFRUTTICOLI 45,60 82,08 1,00 85,28POLPA DI PATATE 66,83 120,29 1,00 58,20SCARTI DI MACELLAZIONE 100,80 181,44 1,00 38,58Prodotto dedicato da colture agricolePAGLIA (circa il 70% della granella) 223,13 401,63 2,10 8,30INSILATO D'ERBA 181,83 327,29 40,00 0,53INSILATO DI SORGO 162,00 291,60 45,00 0,53INSILATO DI MAIS 182,40 328,32 55,00 0,39Rifiuti organici comunaliFANGHI BIOLOGICI 42,00 75,60 1,00 92,59Frazione Organica Rifiuti Solidi Urbani (FORSU) 80,00 144,00 1,00 48,61

Stima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrStima dei fabbisogni unitari per la produzione di energia elettrica (1 ica (1 kWkW))

Ton

Ton

Ton

Ettari

(B)

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 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

(C)

Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: il caso dei boviniil caso dei bovini

Bovini

Dimensione allevamentoVitelli

100 kg/capoENERGIA

ELETTRICAVitelloni

300 kg/capoENERGIA

ELETTRICAAdulti

500 kg/capoENERGIA

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

(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

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

(D)

Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: Stima della potenza installabile in relazione ai capi allevati: il caso dei suiniil caso dei suini

Suini

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) (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 allevatiStima della potenza installabile in relazione ai capi allevati

BoviniBovini SuiniSuini

50 100

150

200

250

300

350

400

450

500

550

600

650

700

750

800

850

900

950

1.00

0

Capi allevati

0,0

50,0

100,0

150,0

Pote

nza

inst

alla

ta (k

W)

Vitello (100 kg/capo)Vitellone (300 kg/capo)

Adulto (500 kg/capo)

500

1.00

01.

500

2.00

02.

500

3.00

03.

500

4.00

04.

500

5.00

0

5.50

06.

000

6.50

07.

000

7.50

08.

000

8.50

09.

000

9.50

010

.000

Capi allevati

0,0

50,0

100,0

150,0

200,0

250,0

Pote

nza

inst

alla

ta (k

W)

Magroncello (50 kg/capo)Magrone (70 kg/capo)

Adulto da macello (100kg/capo)

Capi di 50 kg:> 4.000

Capi di 70 kg:> 3.000

Capi di 100 kg:> 2.000

Capi di 300 kg:> 650

Capi di 500 kg:> 350

Impianto di 50kWImpianto di 50kWImpianto di 50kWImpianto di 50kW

(F)

Fonti:- ARSIA- Blu Energy Control- Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara- CRPA- IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum

0 100 200 300 400 500 600 700 800Potenza installata (kWe)

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000C

osto

uni

tario

di i

nves

timen

to (e

uro/

kW)

ALCUNE VALUTAZIONI ECONOMICHEALCUNE VALUTAZIONI ECONOMICHE (A)

Costo unitario per impianti a potenza crescente

Fonti:- ARSIA- Blu Energy Control- Dipartimento di Ingegneria - Università di Ferrara- CRPA- IBBK - Internationales Biogas und Bioenergie Kompetenzzentrum

0 50 100 150 200 250 300 350 400 450 500 550

Potenza installata (kWe)

0

250

500

750

1.000

1.250

1.500

1.750

2.000

2.250

2.500

Cos

to to

tale

impi

anto

(000

eur

o)

(B)Costo totale per impianti a potenza crescente

PARTE SECONDAPARTE SECONDA

Alcuni casi di studioAlcuni casi di studio

1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA

Sito costruttivo Reggio EmiliaNumero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari) 0,00Numero di capi (suini) Circa 6.000Produzione media liquame da suino adulto (t/capo/anno) 3,0Produzione totale liquame suino (t/anno) Circa 18.000Numero di capi (bovini da latte) Circa 1.000Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa 10.200Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 13,2Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa 13.200

Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a 250 kWel alimentato esclusivamente con reflui zootecnici.

CASI DI STUDIOCASI DI STUDIO

Tipo di substrato

Quantità QuantitàSostanza

seccaSostanza

organica secca[t/anno] [t/giorno] [%] [% 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

TOTALE 37.700 103,30 Media pesata =8,4

Media pesata =76,5

2) BIOMASSA E “RICETTA”

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 kWhAuto-consumo elettrico 6,5 % circa

Produzione annuale di calore richiesta dall'impianto

1.598.820 kWh

Calore in eccesso 474.704 kWh

Rendimento operativo cogeneratore 92 % circa

Rendimento elettrico medio del cogeneratore 223 kW

3) PARAMETRI OPERATIVI

1) CARATTERISTICHE DELL’AZIENDA

Sito costruttivo ModenaNumero di ettari dedicati alla produzione energetica (ettari) 0,00Numero di capi (bovini da latte) Circa 480Produzione media liquame da bovino adulto (t/capo/anno) 10,2Produzione totale liquame bovino (t/anno) Circa 4.896Produzione media letame da bovino adulto (t/capo/anno) 15,7Produzione totale letame bovino (t/anno) Circa 7.536

Impianto a biogas con potenza nominale installata pari a100 kWel alimentato esclusivamente con reflui zootecnici.

Tipo di substrato

Quantità QuantitàSostanza

seccaSostanza

organica secca[t/anno] [t/giorno] [%] [% 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

2) BIOMASSA E “RICETTA”

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 kWhAuto-consumo elettrico 6,5 % circa

Produzione annuale di calore richiesta dall'impianto

554.082 kWh

Calore in eccesso 475.102 kWh

Rendimento operativo cogeneratore 92 % circa

Rendimento elettrico medio del cogeneratore 94 kW

3) PARAMETRI OPERATIVI

PERCHEPERCHE’’ PICCOLI IMPIANTI?PICCOLI IMPIANTI?

VANTAGGIVANTAGGI

SVANTAGGISVANTAGGI

Valorizzazione di biomasse di scarto come reflui zootecniciProduzione energetica indipendente da colture dedicateApprovvigionamento della biomassa esclusivamente aziendaleSpandimento del digestato coincidente con le normali operazioni di spandimento dei reflui zootecniciImpianti 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 maggioriNecessità di quantitativi di biomassa adeguatiNormativa di riferimento sui reflui zootecnici spesso poco chiara e diversa da Regione a Regione

QUADRO CONCLUSIVO QUADRO CONCLUSIVO –– LIMITI E PROSPETTIVELIMITI E PROSPETTIVE

Aziendaagricola

Allevamentozootecnico

Agroindustria

IMPIANTOCOGENERAZIONE

CONSORZIOTRATTAMENTO

REFLUI E SCARTIAGRO-ZOOTECNICI

A

A A

A

DIGESTOREANAEROBICO

D

Allevamentozootecnico

Aziendaagricola

ENERGIAELETTRICA

ENERGIATERMICA

Aziendaagricola

Biogas

Compostfertilizzante

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

Flusso di energiaFlusso di compost fertiliz.

LEGENDA:

Flusso di biogas

Sistema integrato territoriale per la gestione di reflui e scartSistema integrato territoriale per la gestione di reflui e scarti organicii organici

Fonti: ns. elaborazioni

GRAZIE PER LGRAZIE PER L’’ATTENZIONEATTENZIONE