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Capitolo 5: Analisi di fattibilità tecnico-economica
5.1 Studio di fattibilità tecnico-economica del processo di produzione del biodiesel
L’elevato costo del biodiesel è, attualmente, la più alta barriera da superare per la sua commercializzazione. Esso risulta essere superiore al prezzo del diesel derivato dal petrolio di circa 1,5 volte. Il problema principale si ha con il costo delle materie prime, poiché generalmente questo rappresenta tra l’80 e il 95%
dei costi totali di produzione (Zhang et al., 2003).
Le prime spese da affrontare per la costruzione dell’impianto è l’acquisto delle apparecchiature, ossia il CAPEX (Capital Expenditure). Risulta dunque essere il capitale investito per la realizzazione dell’impianto. Il calcolo e il valore sono descritti nella tabella 9.
Il CAPEX è dato dalla somma del Capitale Circolante e dei costi fissi. Per il calcolo di queste due voci è necessario conoscere il costo di ogni apparecchiatura relativo all’anno di acquisto (2020), il quale varia in base alla dimensione e al materiale con cui viene realizzato. Il costo delle singole apparecchiature è stato stimato con l’ausilio di ”Equipment Costs” di Peter et al. Essendo l’Equipment Costs relativo all’anno 2002, il costo è stato attualizzato al 2020 tramite l’indice di attualizzazione.
La tabella 9 mostra anche l’elenco delle apparecchiature utilizzate e le rispettive dimensioni.
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Tabella 9 Calcolo CAPEX
(*) i numeri utilizzati sono specifici per il processo esaminato
Essendo l’intero impianto suddiviso in tre sezioni, la figura 25 mostra il costo di investimento per ciascuna sezione. In questo modo è possibile agire singolarmente sulle sezioni, valutando quale ha bisogno di un miglioramento poiché risulta essere troppo dispendiosa.
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Figura 25 Diagramma costo di investimento per ciascuna sezione.
Dal diagramma appare chiaro come la sezione di reazione risulti essere la sezione che necessita di un investimento maggiore sulle apparecchiature.
Quando si parla di valutazione economica di un impianto è necessario considerare le Operating Expense (OPEX), ovvero le spese operative. Questa voce racchiude tutte le spese di gestione e manutenzione di un bene, come per esempio le materie prime, oppure gli utilities e il prezzo del personale.
Le materie prime, rappresentano uno dei costi più sostanziosi che bisogna sostenere per la realizzazione dell’impianto ed è anche il motivo principale del prezzo di vendita elevato del biodiesel rispetto a diesel/gasolio. Nella tabella 10 sono elencate le materie prime con i rispettivi prezzi di vendita, espressi in €/kg.
Considerando l’arco temporale di un anno, sono elencati anche i costi, in k€, da affrontare in questo periodo di tempo per l’acquisto delle materie prime.
Tabella 10 Costo annuo materie prime
44%
38%
18%
Sezione Reazione
Sezione Purificazione Biodiesel
Sezione Purificazione Glicerolo
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I prezzi di vendita provengono da alcune aziende che producono le materie prime necessarie all’impianto, mentre altri, come per esempio quello dell’acqua, sono stati presi dal database del simulatore SuperPro Designer. Dalla figura 26 è evidente che l’olio è responsabile del 93% dei costi totali relativi alle materie prime.
Figura 26 Costo materie prime
Altro dato da considerare sono le utilities, ovvero, i servizi necessari al funzionamento dell’impianto. Nel seguente caso, oltre che l’elettricità, sono necessari anche acqua di servizio e vapore. Entrambi sono utilizzati per effettuare degli scambi termici, sia negli scambiatori di calore, sia nelle colonne di distillazione (condensatori e kettle).
Per l’elettricità è stato considerato un costo di 0,15 € al kWh, un dato reale del mercato italiano. Per l’acqua (20°C) utilizzata per raffreddare le correnti, il prezzo è di 0,038 €/m3, mentre per il vapore (152 °C) si considera un prezzo di 9,9 € a tonnellata. Entrambi i prezzi sono stati ottenuti consultando il database di SuperPro Designer.
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Figura 27 Costo Utilities k€/anno
Appare evidente come il costo delle utilities (97.610 €/anno) sia quasi interamente dovuto al costo del vapore necessario allo scambiatore H-1 (78.410
€/anno)
L’unico scarto che si ottiene dell’intero processo di produzione è il sale che si forma nel reattore R-2, nella sezione di purificazione glicerolo, il fosfato di sodio (tabella 11). Per stabilire il prezzo di vendita è stato preso in considerazione il prezzo reale di un’azienda produttrice di tale sale. Il glicerolo non è presente tra gli scarti poiché ha raggiunto le specifiche di vendita.
Tabella 11 Scarti dell’impianto k€/anno
Il costo del personale, così come i ripari e le manutenzioni rientrano nei lavori operativi. Il costo del personale è stato calcolato considerando un costo di 50 €/h compreso di tasse. Tenendo presente che l’impianto esaminato lavora per 24 ore e vengono effettuati tre turni di lavoro con due operai per ogni turno, il costo
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giornaliero del personale risulta essere 2400 €, ottenendo un costo annuale di 792 k€/anno. I ripari e le manutenzioni (16,33 k€/anno), invece, viene calcolato in base al valore dei FCI; corrisponde al 3% del totale dei costi fissi,
Avendo i valori delle singole voci che compongono le spese operative dell’impianto, è possibile dunque calcolare l’OPEX.
La figura 28 mostra il diagramma del lavoro operativo. Come previsto, le materie prime risultano la spesa più elevata da sostenere annualmente. Proprio per questo motivo sono in via di sviluppo studi che propongono alternative per abbattere, almeno in parte, questi costi.
Figura 28 Diagramma OPEX (k€/anno)
Per valutare il costo totale annuo dell’impianto bisogna considerare l’ammortamento. Non essendo immediati i costi dell’impianto relativi al Capex, viene predisposto un ammortamento delle spese, ovvero una procedura contabile che permette di estinguere in un dato numero di anni (10 anni) l’investimento relativo al lancio sul mercato di un nuovo prodotto. Il tasso di interesse annuale nel seguente caso è 5%. Considerando 7920 ore lavorative in un anno, si ottiene un indice di ammortamento pari a 7,7. Di conseguenza il valore annuale dell’investimento risulta essere 81,1 k€/annuo, come mostra la tabella 12.
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Tabella 12 Costo annuo ammortamento
Avendo dunque considerato ogni aspetto è possibile calcolare la spesa annua e le voci da tener presente annualmente. La figura 29 mostra le voci e i relativi costi che bisogna sostenere per la realizzazione e il mantenimento dell’impianto di produzione di biodiesel esaminato.
Il costo capitale (capital cost) rappresenta i costi indiretti di produzione. È dato dalla somma dell’ammortamento, il quale corrisponde al 10% dei costi totali fissi (FCI= 544,45 k€, tabella 9) e assicurazioni e tasse (2% di FCI), per un totale di 6,2 €/m3 di feedstock.
La voce “Chemical” racchiude tutte le materie prime utilizzate nel processo.
Senza dubbio risulta essere la voce più rilevante di tutto il grafico, con un valore di 694 €/m3.
L’operating labor corrisponde al prezzo del personale (792 k€/anno).
L’operating supervision è il 5% dell’operating labor. Le manutenzioni rappresentano il 3% del costo fisso.
Nella voce “Utilities” (9,31 € per ogni m3 di feedstock) sono compresi i servizi necessari al funzionamento dell’impianto. Nel “Waste disposal” (smaltimento rifiuti) il fosfato di sodio (Na3PO4) uscente dal reattore di neutralizzazione del catalizzatore.
Il costo dei rifornimenti operativi (operating supplies) viene calcolato in base al costo delle manutenzioni poiché rappresenta il 15 % di quest’ultimo. Per le spese riguardanti la voce “laboratory charges” (laboratori) si fa riferimento al 10 % del lavoro operativo. Tutte le voci appena descritte fanno parte dei costi diretti di produzione dell’impianto.
I costi generali dell’impianto (plant overhead costs) rappresentano il 30% della somma del lavoro operativo e della supervisione. L’ultima voce da considerare riguarda le spese generali dell’impianto. Con questo termine si indicano le spese
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amministrative (25% dei costi generali dell’impianto), le spese che riguardano la distribuzione e la vendita del prodotto (6% di NPC: annual net treatment cost) e le spese per la sezione ricerca e sviluppo (3% di NPC).
Figura 29 Costi annuali (€/m3 di materie prime)
Ancora più evidente dalla figura 29 come abbattere il costo delle materie prime significhi una diminuzione dei osti totali annui e un aumento del profitto.
Per verificare, dunque, se effettivamente l’impianto può essere realizzato dal punto di vista economico, bisogna considerare il ricavo. Il prodotto principale è, ovviamente, il biodiesel. L’impianto rappresentato in figura 19 produce 7.863,87 tonnellate l’anno di biodiesel. Contemporaneamente si ha la produzione di glicerolo, pari a 827,64 ton/anno. Considerando i costi di vendita di entrambi i prodotti, si ottiene la tabella 13, la quale mostra i ricavi annui. Per il glicerolo è stato valutato il prezzo di vendita online di un’azienda farmaceutica (Farmacondo) ed è stato poi paragonato ad al prezzo di vendita di altre aziende.
Per il biodiesel è stato considerata anche la variazione del prezzo del diesel messi a disposizione dal Ministero dello Sviluppo Economico. La figura 31 invece mostra quanto ciascun prodotto incide sul ricavo totale.
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Tabella 13 Ricavi annui
Figura 29 Diagramma ricavi annui
Per valutare quanto sia effettivamente il costo annuo il valore dell’ammortamento annuale (tabella 12) va sommato ai valori ottenuti dal grafico in figura 29, i quali rappresentano gli “Annual Net Treatment Cost”, ottenendo così un costo totale di 9.608,30 k€/anno. Avendo a disposizione sia i costi annui che i ricavi, è possibile valutare se il processo risulta essere economicamente realizzabile.
Sottraendo i costi totali dai ricavi si ottiene il profitto annuale dell’impianto, mostrato in tabella 14.
83%
17%
Biodiesel Glicerolo
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Tabella 14 Profitti annuali
Dall’analisi economica preliminare appena effettuata, l’impianto risulta essere economicamente realizzabile.
5.2 Ottimizzazione di processo
Per migliorare i profitti dell’impianto ed effettuare un recupero energetico, è possibile utilizzare la corrente denominata FAME, uscente dalla colonna di distillazione del biodiesel D-FAME, per preriscaldare l’olio in ingresso al reattore R-1 in cui avviene la transesterificazione.
La figura 29 mostra il nuovo processo di produzione. La corrente FAME (993.154 kg/h) entra nello scambiatore ad una temperatura di 148 °C, incontra in controcorrente l’olio a 25 °C ed esce ad a 120 °C.
Effettuando questa modifica, di conseguenza, si avrà una variazione del costo dello scambiatore H-1 poiché varia l’area aumentando. Automaticamente cambieranno anche i costi di investimento, i costi fissi e la rata annuale per l’ammortamento, i quali presentano tutti un aumento. È importante specificare che dal punto di vista della resa del biodiesel non si ha alcun miglioramento, così come non variano le correnti e le relative composizioni, temperature e pressioni.
Il bilancio di materia globale resta quello descritto in tabella 7.
Operando in questo modo, la corrente di biodiesel prenderà il posto del flusso W1, ossia dei 1000 kg/h di vapore a 152 °C. Questo servizio, a livello di costi, rientra nella voce “Utilities” delle spese operative (OPEX). Venendo meno il servizio, le utilities risultano diminuite, così come il loro costo annuale.
La conseguenza sarà un aumento dei profitti annui.
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Figura 30 Schema processo di produzione con ASPEN Plus® con ricircolo della corrente FAME
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Tabella 15 Confronto CAPEX
Osservando Tabella 15, il CAPEX risulta maggiore a causa dell’aumento del costo dello scambiatore.
Considerando sempre un periodo di 10 anni per estinguere l’investimento e un tasso di interesse annuale del 5%, l’ammortamento annuale si alza a 81,9 k€.
Come già accennato, il vantaggio si ha per il costo delle utilities.
Tabella 16 Confronto Utilities
Tabella 17 Confronto profitti annui
I profitti annui aumentano di circa 84keuro (tabella 17).
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5.3 Analisi di sensitività: effetto del prezzo di acquisto delle materie prime sulla fattibilità economica del
processo di produzione del biodiesel
Sia con ricircolo della corrente FAME che senza, il costo d’acquisto delle materie è circa l’80 % dei costi totali annui, di conseguenza un aumento di queste potrebbe far risultare l’intero impianto economicamente non sostenibile.
Supponendo un aumento del prezzo di vendita delle materie prime del 25 % e 50%, si ottiene la Tabella 18.
Tabella 18 Aumento prezzi di acquisto delle materie prime del 25 % e 50%
Tabella 19 Confronto profitti annui
Risulta chiaro come un aumento del costo delle materie prime influisca sensibilmente sul profitto annuo. Se aumentassero questi costi, per rendere il
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profitto costante si dovrebbe aumentare anche il prezzo di vendita del biodiesel, conseguenza senza dubbio negativa poiché il principale problema della vendita è proprio l’elevato costo rispetto al diesel/gasolio provenienti dal petrolio.
Questo vuol dire che tra le sfide da affrontare per ottimizzare il processo di produzione di biodiesel, abbattere i costi delle materie prime è tra le più importanti. Riuscendo a ridurre queste spese si rende il prezzo del biodiesel più accessibile al pubblico e la diretta conseguenza sarà una qualità dell’aria più pulita.
Un metodo per ridurre è utilizzare olio esausto, come per esempio olio di frittura, ma bisognerebbe comunque considerare una sezione di pretrattamento nell’impianto.
Capitolo 6: Conclusioni
Capitolo 6: Conclusioni
Il Biodiesel ottenuto dal processo esaminato risulta essere un biocarburante valido per sostituire il diesel.
Prima di procedere allo studio del processo in sé sono stati analizzati i parametri operativi quali la quantità di catalizzatore e alcol da utilizzare nella reazione e la sua temperatura per ottenere una resa massima. Il processo è stato suddiviso in tre sezioni. Nella prima, Sezione di Reazione, si ha l’effettiva produzione di biodiesel tramite la reazione di transesterificazione. Nella sezione di purificazione del biodiesel si separa il biodiesel dal sottoprodotto ottenuto dalla reazione (glicerolo), dal catalizzatore e dal metanolo che non ha reagito. Nella terza e ultima sezione si ha la purificazione del glicerolo, in modo da poter avere un ricavo e non trattarlo come sarto. Riuscendo ad ottenere una corrente di FAME con una purezza del 97,7 %, il prodotto ottenuto risulta adatto alla vendita.
L’analisi economica ha fornito dati incoraggianti, poiché ha rilevato anche un ritorno economico, nonostante il costo elevato delle materie prime.
Purtroppo l’elevato prezzo di vendita del biodiesel (1,5 volte quello del diesel) non consente un’ampia diffusione, proprio per questo bisogna cercare di abbattere i costi di produzione. Un metodo potrebbe essere effettuare i ricircoli di alcune correnti in modo da non dovere ricorrere a servizi aggiuntivi. È stato proposto anche l’uso di un catalizzatore acido poiché il processo necessita di minori apparecchiature, ma si alzerebbero ulteriormente i costi delle materie prime perché aumenterebbero i rapporti molari del metanolo e del catalizzatore sull’olio e ne risentirebbe la resa del prodotto. Un’altra alternativa potrebbe essere quella di utilizzare l’olio proveniente da scarto domestici o industriali. In questo modo si abbatterebbero i costi relativi alle materie prime, ma si alzerebbero i costi dell’impianto. L’olio esausto, prima di essere sottoposto a
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transesterificazione, deve andare incontro a setacciatura in modo da eliminare le impurità, aumentando dunque le apparecchiature presenti nell’impianto.
Una soluzione valida potrebbe essere quella di utilizzare dell’olio esausto e un catalizzatore acido per la reazione di transesterificazione in modo da poter bilanciare i due costi.
Un’alternativa che risulta essere efficace è l’uso di catalizzatori enzimatici, ma questa tecnologia è ancora in fase sperimentale.
In ogni caso nel futuro si affineranno sempre più le tecniche di produzione del biodiesel in modo da poter abbattere i costi e renderlo accessibile e indispensabile come l’attuale diesel.
Capitolo 7: Riferimenti bibliografici
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RINGRAZIAMENTI
Ringrazio la Professoressa Marina Prisciandaro e la Professoressa Valentina Innocenzi per la pazienza, il supporto e la disponibilità mostrati in ogni riunione e in ogni mail, nonostante il periodo imponesse i suoi limiti. Vi ringrazio, inoltre, per la gentilezza e l’esperienza che mi avete messo a disposizione.
Il grazie più grande va senza dubbio a voi, Mamma e Papà. Vi ringrazio per non avermi mai messo fretta ma, anzi, mi avete sempre spronata ad andare avanti indipendentemente dalla difficoltà che dovevo affrontare. Grazie per aver sempre capito quando era il momento di aiutare e quando quello di dover imparare a gestirla io. Grazie perché avete reso possibile tutto questo, sotto ogni punto di vista. Spero di poter ripagare i vostri sforzi rendendovi fieri di ciò che insieme siamo riusciti a realizzare.
Se già crescere con un fratello è una fortuna, crescere con te, Marco, è stato
”…fermi tutti LEG-GEN-DA-RIO”. Anche se continui a lamentarti che occupo i tuoi spazi, sei un punto fermo nella mia vita. Sei la persona su cui so che posso sempre contare e per questo meriti un grazie enorme.
Grazie Pietro, perché con tanta pazienza sopporti me e i miei sbalzi d’umore e mi sostieni in ogni momento.