Sviluppo di una norma tecnica per la determinazione della frazione di bioenergia in impianti termoelettrici a combustione mista

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1 Rimini i i 28 ottobre 2009 Sviluppo di una norma tecnica per la determinazione della frazione di bioenergia in impianti termoelettrici a combustione mista Giovanni Ciceri Giovanni.Ciceri@erse-web.it Domenico Cipriano Domenico.Cipriano@erse-web.it it Costanza Scacchi Costanza.Scacchi@erse-web.it Luglio 2009 Giorgio Catanzani G.catanzani@nucleco.it it Battistina Bianchilli B.bianchilli@nucleco.it

2 I metodi per la determinazione della frazione biogenica Per la determinazione della "frazione biodegradabile" dei rifiuti, non sono stati ancora individuati, né a livello europeo, né a livello nazionale, degli standard tecnici affidabili, che risultino di immediata applicazione, in modo generalizzato. Tale esigenza risulta fortemente sentita soprattutto per i rifiuti di origine urbana. I metodi attualmente disponibili per la determinazione della frazione biodegradabile dei rifiuti: 1. Analisi merceologica: separazione manuale in classi merceologiche (Nappi et al., 2000) o dissoluzione selettiva della frazione rinnovabile con miscela acida 2. Bilancio di massa ed energia: basato sulla soluzione di un sistema di equazioni le cui incognite sono rappresentate dalle masse della frazione rinnovabile, fossile, contenuto di acqua e di ceneri (Fellner et al., 2007) 3. Quantificazione della 14 C nei rifiuti: tutto il contenuto di 14 C è associabile alla frazione biodegradabile e la misura della sua attività è direttamente correlabile al contenuto di biomassa di recente produzione 2

3 Il progetto di ricerca ERSE ERSE ha sviluppato durante l anno 2008 una campagna di misura del 14 C alle emissioni di un inceneritore, alimentato con rifiuti solidi urbani (RSU), applicando contemporaneamente le tre metodologie sopra descritte, allo scopo di saggiare la robustezza e la consistenza di tali metodi. 1 campionamento della CO 2 alle emissioni e determinazione del contenuto del 14 C tramite la tecnica di scintillazione liquida (LSC) presso i laboratori Nucleco (Roma) Analisi merceologica sul campione di rifiuti, effettuata 2 periodicamente dall impianto inceneritore secondo gli standard ISO 10802:2004 e IPLA Applicazione i del metodo di bilancioi di massa ed energia, sulla base dei dati operativi di centrale, implementato da ERSE 3

4 Principio del metodo 14 C L isotopo 14 C ha un tempo di dimezzamento di 5730 anni ed è naturalmente presente nel ciclo organico Al momento in cui l organismo lorganismoche ha fissato il carbonio nei propri tessuti cessa di vivere, il 14 C comincia a decadere e il rapporto 14 C/ 12 C diminuisce. Misurando tale rapporto si può stimare la composizione del rifiuto, distinguendolo tra fossile ebiogenico. 14 C/ 12 C , C/ 12 C = 0 4

5 La misura del 14 C alle emissioni Il metodo ERSE per il campionamento delle emissioni assetto sperimentale sonda riscaldata uscita valvola 3 vie Primo Condensatore (4 C) Pompa uscita Secondo Condensatore (-20 C) Soluzione di cattura 5

6 La misura del 14 C alle emissioni La sperimentazione è cominciata nel 2006 ed è attualmente ancora in corso 6

7 La misura del 14 C alle emissioni Sono stati effettuati campionamenti delle emissioni di CO 2 da tre impianti: Impianto a 0% biomassa: un turbogas a gas metano Impianto a 100% biomassa: un bruciatore di Biogas da discarica Impianti a 50% di biomassa: un inceneritore di CDR ed uno di RSU Le emissioni sono state successivamente analizzate per determinare la frazione di 14 C. Il valore nominale di pmc (percent of modern Carbon) associato agli impianti a 0% e 100% di biomassa è stato il seguente: Impianto a 0% biomassa: 0 Impianto a 100% biomassa: 112,2 ± 4 (Mohn et al., 2007). La percentuale di biomassa del terzo caso analizzato è stata stimata sulla base della correlazione tra i dati di 14 C dell impianto 1 e 2 7

8 14 C activity correction reference value Construction wood (70 years) Packaging, furniture (40 years) paper /cardboard (25 years) Fresh biomass (0 anni) According to Fellner & Rechberger (2009) we used a pmc reference value for SRF and MSW of

9 La misura del 14 C alle emissioni La determinazione del contenuto di biomassa negli impianti alimentati con RSU è stimata attraverso interpolazione %c bioma assa 112, Gas metano 0 0 (0% biomassa) pmc Biogas di discarica (100% biomassa) 9

10 Espressione dei risultati Percentuale di frazione biogenica espressa su base C: %C BIO = C BIO /C TOT *100 BIO BIO TOT Percentuale in peso sul rifiuto: %W BIO = (C BIO /12* PM B )/(C BIO /12*PM B + C F /12*PM F ) * 100 Percentuale in energia sul rifiuto: %E BIO =C BIO E B /(C BIO *E B +C F *E F ) *

11 Risultati Risultati ottenuti sull impianto di combustione RSU attraverso l applicazione delle tre metodologie. Metodologia %w BIO %e BIO Incertezza 14 C 49% 32% 24% Bilancio Massaenergia Selezione manuale 47% 32% 6% 67% 50% 30% 11

12 Risultati I risultati ottenuti attraverso l applicazione del metodo di bilancio e del 14 C mostrano valori coerenti tra loro, in linea con quanto ottenuto in studi precedenti (Mohn et al., 2008). Col metodo di selezione manuale si riscontra un contenuto di biomassa biogenica superiore, vicino al valore medio riportato in letteratura per RSU (63%; BUWAL, 2005). L alta incertezza associata al metodo del 14 C è dovuto al numero contenuto di misure effettuate per calibrare il metodo, mentre l incertezza associata al metodo di selezione manuale è dovuta alla forte variabilità della composizione del rifiuto. 12

13 Nuovi progetti di ricerca Sono attualmente in fase di implementazione nuove misure di CO 2 alle emissioni in una serie di impianti, atte a perfezionare il metodo di determinazione della biomassa attraverso la misura dell isotopo 14 C. 1. Sistema di campionamento con soluzione di carbammato per l analisi scintillazione liquida (LSC) della 14 C 2. Campionamento con soluzione di assorbimento KOH o NaOH, per l analisi attraverso spettrometria di massa (AMS), che oltre al valore di concentrazione in 14 C può fornire anche i rapporti isotopici 14 C/ 12 C e 13 C/ 12 C 13

14 Conclusioni frazione rinnovabile di RSU (in termini di massa secca e priva di ceneri) di poco inferiore al 50% del totale il metodo del 14 C fornisce dati di biomassa consistenti con quanto emerso con il metodo del bilancio di massa ed energia Dalle analisi merceologiche sul rifiuto emergono valori di biomassa maggiori di quanto non riscontrato coi due metodi L incertezza associata al metodo manuale è molto alta, in quanto i rifiuti urbani presentano forte variabilità Sono previste nuove campagne di misura della CO 2 alle emissioni per l applicazione contestuale di metodi AMS e LSC per la determinazione del 14 C 14

15 Rimini 28 ottobre 2009 Sviluppo di una norma tecnica per la determinazione della frazione di bio-energia in impianti termoelettrici a combustione mista Giovanni Ciceri Giovanni.Ciceri@erse-web.it Domenico Cipriano Domenico.Cipriano@erse-web.it Costanza Scacchi Costanza.Scacchi@erse-web.it it Giorgio Catanzani G.catanzani@nucleco.it Luglio 2009 Battistina ti Bianchilli B.bianchilli@nucleco.it l it