Elementi di valutazione per lo studio di fattibilità per

impianti di biogas

Claudio Fabbri

Corso sulle filiere agro-energeticheSala Auditorium del Comune di Medicina (BO) 9-10 giugno 2010

I parametri di calcolo: caratteristiche dei substrati

Costi e RicaviN

substrato

Sostanza secca Sostanza organica

Resa in biogas/metano

Analisi economica

Analisi dimensionale

ed energetica 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 separatopH [-] 7,72 8,41

Solidi Totali (ST) [g/kg tq] 64,19 214,02

[g/kg tq] 48,65 187,7

[%ST] 76% 88%

[mg/kg tq] 2922 3585

[%ST] 4,6% 1,7%

[mg/kg tq] 1470 1117

[%NTK] 50% 31%

[mg/kg tq] 496 788

[%ST] 0,8% 0,4%

[mg/kg tq] 3271 2431

[%ST] 5,1% 1,1%

Fosforo

Potassio

Solidi Volatili (SV)

Azoto Totale Kjeldahl (NTK)

Azoto Ammoniacale (N-NH4)

Disponibilità di biomasse: effluenti bovini

Disponibilità di biomasse: escrezione ST da bovini

7,2

7,4

7,6

7,8

8

8,2

8,4

8,6

8,8

20 22 24 26 28 30 32 34

Produzione latte [kg/giorno]

Escr

ezio

ne d

i sos

tanz

a se

cca

[kg/

gior

no]

Disponibilità di biomasse: effluenti suini

Liquame Solido separatopH [-] 7,25 8,02Solidi Totali (ST) [g/kg tq] 38,86 211,46

[g/kg tq] 26,4 174,5[%ST] 68% 83%[mg/kg tq] 3118 6449[%ST] 8,0% 3,0%[mg/kg tq] 1897 1870[%NTK] 61% 29%[mg/kg tq] 916 4352[%ST] 2,4% 2,1%[mg/kg tq] 1785 2147[%ST] 4,6% 1,0%

Azoto Ammoniacale (N-NH4)

Fosforo

Potassio

Solidi Volatili (SV)

Azoto Totale Kjeldahl (NTK)

Disponibilità di biomasse: effluenti suini

Disponibilità di biomasse: escrezione ST da suini

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

4000

0 20 40 60 80 100 120 140 160 180

Peso vivo [kg]

Escr

ezio

ne (k

g/tp

v/a)

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) [g/kg tq] 574 ± 160 772 ± 76 649 ± 114 659 ± 89

Sostanza organica (SV) [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 Azoto totale (NTK)

[%ST] 5,9 ± 0,8 6,0 ± 0,7 5,9 ± 1,0 5,7 ± 0,6

[mg/kg tq] 5.798 ± 2.635 4.277 ± 1.626 5.392 ± 1.745 5.000 ± 1.235 Azoto ammoniacale (NH4) [%NTK] 19,8 ± 12,8 9,6 ± 3,9 15,5 ± 6,5 14,5 ± 5,2

[mg/kg tq] 27.607 ± 10.195 40.907 ± 4.978 30.836 ± 6.944 32.553 ± 5.744 Azoto organico (Norg) [%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

[-] 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

N-NH4+

pH

ST

SV

NTK

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

(Fonte: CRPA-Regione Emilia-Romagna – ProBio 2006)

(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

Disponibilità di biomasse: sottoprodotti vegetali

Fagiolini

Buccette pomodoro

Scarti di mais dolce

Pera

Disponibilità di biomasse: sottoprodotti animali

Polli morti

Uova rotte

Scarti di incubatoio

Disponibilità di biomasse: stagionalità dei sottoprodotti

Disponibilità di biomasse: colture dedicate

Fonte Monitoraggio Foraggi Pioneer 2005-2007

S i l o m a i s 1

S i l o m a i s 2

S i l o m a i s 3

S o r g o i n . s i l o

O r z o s i l o

L o i e s s a s i l o

S e g a l e s i l o

G i r a s o l e s i l o

t / h a t . q . 6 8 6 0 4 0 6 5 3 0 3 5 2 5 4 0s . s . % 3 3 3 1 3 0 2 2 3 5 3 0 3 3 3 0t / h a s . s . 2 2 1 9 1 2 1 4 1 1 1 1 8 1 2c e n e r i % s s 4 . 2 4 . 5 4 . 8 1 0 9 1 1 1 0 1 2t / h a s . o . 2 1 . 5 1 7 . 8 1 1 . 4 1 2 . 9 9 . 6 9 . 3 7 . 4 1 0 . 6P G . % s s 7 7 7 9 9 1 2 9 1 2N D F % s s 4 1 4 6 4 8 6 5 6 0 5 9 6 4 4 0 ( A D F )

E E % s s 2 . 5 2 . 5 2 . 5 1 . 5 2 1 . 5 1 . 5 1 0N S C 4 5 . 3 4 0 3 7 . 7 1 4 . 5 2 0 1 6 . 5 1 5 . 5 1 0

Disponibilità di biomasse: perdite di stoccaggio

I parametri di calcolo: analisi dimensionale

Analisi economica

Produzione biogas

Carico organico volumetrico

Volume gasometro

Digestore(volume, agitatori…

Dispersione calore

Analisi energetica

HRT

Co-digestione: i parametri essenziali di controllo processo

Biomasse Effluenti zootecnici Sottoprodotti

Indici di analisi produttiva

Carico organico volumetrico (kgSV/m3/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

Produzione volumetrica (m3CH4/m3digestore/giorno): produzione giornaliera

di metano per unità di volume utile di digestore per giorno

Produzione biometano (Nm3/kgSV): produzione specifica di metano in Riferimento alla sostanza organica caricata

A parità di portata idraulica e volume, quanto più è elevato il contenuto di SV del prodotto quanto più alto può essere il COV

•Carico organico volumetrico (COV) [kg SV/m3/d]

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

A parità di produzione di biogas il volume del A parità di produzione di biogas il volume del digestore è inversamente proporzionale al COVdigestore è inversamente proporzionale al COV

V=Q⋅ST⋅SVCOV

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 (m3)

•Effetto della sostituzione in peso di matrici a parità di V e HRT

Ese

mpi

o Q = 25 t/g silomaisST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

HRT = 60 ggCOV = 5,5 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Q1 = 15 t/g silomais ST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

Q2 = 10 t/g patateST = 22%SV = 90%STCH4 = 360 m3/tSV

Q = Q1 + Q2 = 25 t/gHRT = 60 ggCOV = 4,6 kgSV/m3/gCH4 = 2508 m3/g

Pe = 430 kWePe = 510 kWe

V = 1500 m3

Δ = - 15,7%

•Dimensione digestore e flessibilità impiantistica

Ese

mpi

o Q = 25 t/g silomaisST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

HRT = 100 ggCOV = 3,3 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Q1 = 15 t/g silomais ST = 35%SV = 95%STCH4 = 360 m3/tSV

Q2 = 18,5 t/g patateST = 22%SV = 90%STCH4 = 360 m3/tSV

Q = Q1 + Q2 = 33,5 t/gHRT = 75 ggCOV = 3,46 kgSV/m3/gCH4 = 2990 m3/g

Pe = 510 kWePe = 510 kWe

V = 2500 m3

Δ = 0%

Dimensionamento digestore: effetto della qualità delle matrici

10% 15% 20% 25% 30% 35%0

100

200

300

400

500

600

700

%SV sul tal quale

Volu

me

dige

stor

e (m

3)

A parità di potenza elettrica producibile per un A parità di potenza elettrica producibile per un prodotto ad alto SV serve un digestore più prodotto ad alto SV serve un digestore più piccolopiccolo!

Controllo di processo: regolarità di carico

0,0

0,5

1,0

1,5

2,0

2,5

3,0

3,5

4,0

1/8 1/9 1/10 1/11 1/12 1/1 1/2 1/3 1/4

Cari

co o

rgan

ico

volu

met

rico

(k

gSV/

m3/

gg)

0

5

10

15

20

25

Prod

uzio

ne en

ergi

a el

ettr

ica

[MW

h/gg

]

Carico organico volumetrico Produzione elettrica

Inizio carico SottoprodottiA basso ST

Problemi alla Problemi alla tramoggiatramoggia

Controllo di processo: la variabilità esogena degli impianti in all. suinicoli

La produzione di biogas dipende dal peso vivo presente!

60708090

100110120130140150

700 800 900 1000 1100 1200 1300 1400

Peso vivo mediamente presente [t]

Poten

za el

ettric

a pro

dotta

[kW

]

600

800

1000

1200

1400

1600

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

Peso

viv

o m

edia

men

te p

rese

nte

[t]

Controllo di processo: acidità volatile

0

1

2

3

4

5

6

7

1/8 31/8 30/9 30/10 29/11 29/12 28/1 27/2

CO

V [

kgSV

/m3.

gg]

e I

pV [

m3/

m3.

gg]

10

1.010

2.010

3.010

4.010

5.010

6.010

7.010

Aci

dità

tot

ale

(mg/

kg)

e po

tenz

a el

ettr

ica

(kW

)

COV IpV Acidità totale Potenza elettrica

Inizio crisiSovraccarico improvviso

Evidenza della crisi

Controllo di processo: rapporto acidità/alcalinità (FOS/TAC)

Confronto fra 3 casi monitorati

I parametri di calcolo: analisi energetica

Prezzo EE + CV Analisi economica

Produzione biogas

Rendimento elettrico

Potenzalorda

Produzione EE

Caratteristichedigestato

Rendimento termico

Produzione ET

Prezzo ET

I parametri di calcolo: caratteristiche digestato

Digestato

Quantità;

Concentrazione sostanza secca;

Concentrazione sostanza organica;

Concentrazione azoto

Solido separatoChiarificato Separazione S/L

Ricircolo?

Stoccaggi

I parametri di calcolo: analisi economica

Investimenti Costi/Ricavi annuali 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

Margine operativo lordo (MOL): ricavi - costi

Margine operativo netto (MON): MOL - ammortamenti

Reddito netto (RN): MON – oneri finanziari

Come incide il costo del denaro sul tempo di ritorno

Costo del denaro= 6%

05

1015202530

3 4 5 6 7 8 9 10

Tempo di ritorno semplice [anni]

Brea

k ev

en p

oint

[ann

i]

Azienda zootecnica + integrazione con insilati

2 digestore da 1500 m2 digestore da 1500 m33

Potenza elettrica 0,2 MWPotenza elettrica 0,2 MWCarico organico volumetrico: 2 kgCarico organico volumetrico: 2 kgSVSV/m/m33/d/dTempo di ritenzione: 53 giorniTempo di ritenzione: 53 giorniProduzione volumetrica: 1 mProduzione volumetrica: 1 m33biogas/mbiogas/m33reattore/dreattore/d

12,8 t/d liquame bovino2,9 t/d letame bovino25 t/d liquame suino

1 – Vasca di carico2 – Digestore3 – Vasca alimentazione separatore4 – Separatore S/L5 – Platea6 – Lagune digestato7 – Gasometro8 – Cogeneratore9 - Torcia

PPee = 0,1 MWe = 0,1 MWe

+8,3 t/d insilato mais

200 bovini da latte + rimonta + 3000 suini ingrassoE

sem

pio

1

Azienda zootecnica + integrazione con insilati

Opere civili27%

Cogeneratore19%

Silos per biomass9%

Vasca di stoccaggio aggiuntiva

3%

Platea per solido separato

1%

Opere elettromeccaniche

41%

Investimento totale 976.000 € (4.890 €/kWe installato)

Ese

mpi

o 1

Break even point: 6,1 anniValore attuale Netto (VAN): 808.700 €Tasso Interno Rendimento (TIR): 16,2%

Principali parametri di calcoloCosto insilato: 30 €/tEnergia elettrica: 280 €/MWhSaggio sconto: 5%

-1.200 -1.000

-800 -600 -400 -200

0200400600800

1.000

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Anni

VA

N (k

€)

5,0%

Azienda zootecnica + integrazione con insilati

Ese

mpi

o 1

4 digestori da 2200 m4 digestori da 2200 m33

Potenza elettrica 1 MWPotenza elettrica 1 MW

Carico organico volumetrico: 2,6 kgCarico organico volumetrico: 2,6 kgSVSV/m/m33/d/dTempo di ritenzione: 60 giorniTempo di ritenzione: 60 giorniProduzione voluemtrica: 1,4 mProduzione voluemtrica: 1,4 m33biogas/mbiogas/m33reattore/dreattore/d

12,8 t/d liquame bovino2,9 t/d letame bovino25 t/d liquame suino50 t/d insilato mais

Ese

mpi

o 2

Colture dedicate + effluenti zootecnici

Investimento totale 3.200.000 € (3.200 €/kWe installato)

Opere civili25%

Opere elettromeccaniche

35%

Platea per solido separato

2%

Vasca di stoccaggio aggiuntiva

6%Silos per biomasse12%

Cogeneratore20%

Colture dedicate + effluenti zootecnici

Ese

mpi

o 2

Break even point: 3,6 anniValore attuale Netto (VAN): 6.578.000 €

Tasso Interno Rendimento (TIR): 29,7%

Principali parametri di calcoloCosto insilato: 30 €/tEnergia elettrica: 280 €/MWhSaggio sconto: 5%

-4.000

-2.000

0

2.000

4.000

6.000

8.000

-1 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15

Anni

VA

N (k

€)

5,0%

Colture dedicate + effluenti zootecnici

Ese

mpi

o 2

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%

Azienda zootecnica + integrazione con insilati

Ese

mpi

o 1

Con un valore dell'energia di 28 c€/kWh e un TIR del 25% la valorizzazione del silomais massima è pari a 40 €/t

Ese

mpi

o 2

Colture dedicate + effluenti zootecnici

Valutare la redditivitàConfronto fra i due esempi

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!

Ese

mpi

o 1+

2

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

www.crpa.it/seqcure

Grazie per l'attenzioneElementi di valutazione per lo studio di

fattibilità per impianti di biogas

Corso sulle filiere agro-energeticheSala Auditorium del Comune di Medicina (BO) 9-10 giugno 2010