Sviluppo di un modello decisionale e simulazione multi-scenario per la gestione ottimizzata delle coltivazioni fuori suolo

The evolution of agriculture and the growing demand for sustainable solutions have driven the adoption of soilless cultivation systems, with a focus on the optimized management of water, nutrients, and energy resources. For these strategies to be implemented on a large scale, an assessment of both economic and environmental sustainability is essential. System performance depends on key parameters such as geographical location and facility size, as well as integration with complementary technologies such as anaerobic digestion. An anaerobic digester can lead to a reduction in operating costs and an improvement in environmental efficiency, allowing for the recovery of nutrients, energy, and carbon dioxide. This study aims to develop a comparative model to evaluate the environmental and economic sustainability of the facility based on boundary conditions. Scenario analysis has identified central Italy as the optimal area for plant installation, ensuring favorable thermal balance and reducing costs associated with greenhouse climate control. Additionally, performance improves with an increase in cultivated area, due to the scale factor. The most efficient operational setup, both economically and environmentally, has been identified in the integration of the facility with a biogas plant, thanks to energy recovery from cogeneration and nutrient recovery from digestate. The integration with a biogas upgrading plant, although allowing savings on carbon fertilization, does not offset the energy benefits of the cogeneration system, whereas the use of digestate alone reduces fertilizer costs without providing significant additional benefits. The developed model serves as a robust decision-making tool but requires further experimental validation. The work carried out provides a solid foundation for future developments aimed at optimizing increasingly reliable and scalable systems.

L’evoluzione dell’agricoltura e la crescente esigenza di soluzioni sostenibili hanno incentivato l’adozione di sistemi di coltivazione fuori suolo, con un focus sulla gestione ottimizzata delle risorse idriche, nutritive ed energetiche. Affinché tali strategie siano implementabili su larga scala, è imprescindibile una valutazione della sostenibilità economica, oltre che ambientale. Le prestazioni del sistema dipendono da parametri chiave quali la localizzazione geografica e la dimensione dell’impianto, nonché dall’integrazione con tecnologie complementari, come la digestione anaerobica. Un digestore anaerobico può determinare una riduzione dei costi operativi e un miglioramento dell’efficienza ambientale, permettendo il recupero di nutrienti, energia e anidride carbonica. Il presente studio si propone di sviluppare un modello comparativo finalizzato alla valutazione della sostenibilità ambientale ed economica dell’impianto in funzione delle condizioni al contorno. L’analisi degli scenari ha identificato il centro Italia come area ottimale per l’installazione dell’impianto, assicurando un bilanciamento termico favorevole e una riduzione dei costi associati alla climatizzazione della serra. Inoltre, le prestazioni risultano incrementali all’aumentare della superficie coltivata, in virtù del fattore di scala. L’assetto operativo più efficiente, sia sotto il profilo economico che ambientale, è stato rilevato nell’integrazione dell’impianto con una centrale a biogas, grazie alla valorizzazione energetica della cogenerazione e al recupero di nutrienti dal digestato. L’integrazione con un impianto di upgrading a biometano, sebbene consenta un risparmio sulla concimazione carbonica, non compensa il vantaggio energetico del sistema cogenerativo, mentre l’impiego del solo digestato determina una riduzione nei costi dei fertilizzanti senza apportare altri benefici sostanziali. Il modello sviluppato costituisce un supporto decisionale robusto, ma richiede ulteriori validazioni sperimentali. Il lavoro svolto rappresenta una base solida per sviluppi futuri, finalizzati all’ottimizzazione di sistemi sempre più affidabili e scalabili.