BILANCIO ENERGETICO ED AMBIENTALE DEI PROCESSI DI DIGESTIONE ANAEROBICA APPLICATI ALLA FORSU

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1 Convegno Dal progetto PRIN al centro studi MatER Roma, 29 Febbraio 2012 BILANCIO ENERGETICO ED AMBIENTALE DEI PROCESSI DI DIGESTIONE ANAEROBICA APPLICATI ALLA FORSU Gruppo di lavoro Ing. Mario Grosso (Responsabile) Ingg. Chiara Nava e Roberta Testori Ingg. Lucia Rigamonti e Federico Viganò

2 PREMESSA L EVOLUZIONE DELLA GESTIONE DEI RIFIUTI IN ITALIA % Discarica Termoval. TMB Compostaggio Recupero energetico Fraz. secca Campania Digestione anaerobica Riciclaggio

3 PREMESSA E DELLA DIGESTIONE ANAEROBICA... 1,4 1,2 % on total MSW 1 0,8 0,6 0,4 0,

4 OBIETTIVO Valutare dal punto di vista energetico e ambientale il ruolo della digestione anaerobica della FORSU in un contesto urbano densamente popolato e la sua sinergia con il sistema di gestione esistente. Caso di riferimento: Comune di Milano Fasi di lavoro Definizione e caratterizzazione dello scenario attuale di gestione dei rifiuti Elaborazione di scenari alternativi di gestione della FORSU Confronto tra scenari alternativi e scenario attuale mediante metodologia LCA (software SIMAPRO) Analisi di sensitività sui parametri di interesse 4

5 SCENARIO ATTUALE (0) t/a Totale RU t/a Spazzamento RD Ingombranti Indifferenziato Imballaggi Organico GUT t/a t/a MJ/t Riciclo Compostaggio Termovalorizzazione Compost: t/a (Resa: 39,3%) 5

6 SCENARIO ALTERNATIVO (1) t/a Totale RU t/a Spazzamento Rifiuti RD Ingombranti Indifferenziato Imballaggi Organico GUT Organico DOM t/a t/a Riciclo Digestione anaerobica + post compostaggio scarti t/a t/a MJ/t Compost: t/a Termovalorizzazione (Resa: 37,1%) 6

7 COSTRUZIONE DEGLI SCENARI ALTERNATIVI Ipotesi di lavoro Modalità di raccolta FORSU: porta a porta con sacchetti biodegradabili Resa di intercettazione FORSU: 60% Altre frazioni raccolte per via differenziata: % di raccolta e tipologia di trattamento invariate. Modifica composizione merceologica del RUR a termovalorizzazione. Tipologia di trattamento FORSU: digestione anaerobica + post-compostaggio Invio a termovalorizzazione degli scarti dei pretrattamenti della digestione anaerobica. Diversi utilizzi del biogas prodotto: A) cogenerazione in MCI B) combustione in caldaia ausiliaria integrata al termovalorizzatore B) upgrading e immissione in rete C) upgrading e sostituzione diesel 7

8 PROCESSO DI DIGESTIONE ANAEROBICA Si ipotizza un processo di digestione anaerobica + post-compostaggio i cui parametri di interesse rientrano negli intervalli tipici per questa tecnologia (dati relativi a impianti esistenti e studi di letteratura) Ipotesi di lavoro Tecnologia ad umido Produzione di biogas ( Nm 3 /t SV ) 600 Nm 3 /t SV (165 Nm 3 /t FORSU ) CH 4 nel biogas (60 65%) 60% Scarti da pretrattam. ( kg/t FORSU ) 193 kg/t FORSU Tempo di residenza (15 22 giorni) 22 giorni 8

9 SCENARI DI UTILIZZO DEL BIOGAS Scenario 1A: Motori a Combustione Interna (MCI) Rendimento elettrico: 0, kwh EL /t FORSU (netta) Rendimento termico: 0, kwh TH /t (netta)* FORSU Scenario 1B: Combustione in caldaia ausiliaria integrata al termovalorizzatore Surriscaldamento del vapore prodotto dal termovalorizzatore con miglioramento delle relative prestazioni energetiche: Rendimento elettrico netto: 0, % rispetto a TV in Scenari A,C,D Rendimento termico netto: 0,049-11% rispetto a TV in Scenari A,C,D Scenario 1C: Upgrading a biometano ed immissione in rete Parziale cogenerazione in MCI per 35 kwh TH /t FORSU (surplus)* sostenere gli autoconsumi Biometano in rete: 69 Nm 3 /t FORSU Scenario 1D: Upgrading a biometano e uso in autotrazione Parziale cogenerazione in MCI per 43 kwh TH /t FORSU (surplus)* sostenere gli autoconsumi Biometano in rete: 64 Nm 3 /t FORSU 719 km/t FORSU percorribili * Diminuita del 50% per la stagionalità dei consumi termici del teleriscaldamento 9

10 SCENARIO 1A 12% Digest. anaerobica e post compostaggio Biogas 165,25 Nm 3 Motori a comb. interna Energia termica 411,01 kwh th 88% Rete del teleriscaldamento Energia elettrica 79% Rete 402,14 kwh el nazionale 21% 10

11 SCENARI 1C e 1D 39% Digest. anaerobica e post compostaggio 68% Biogas 165,25 Nm 3 69% 31% Motori a comb. interna Energia termica 127,63 kwh th Energia elettrica 124,88 kwh el 61% 7% Rete del teleriscaldamento Surplus non sfruttato 14% Lavaggio amminico 11% Compressione Biometano 69,06 Nm 3 Rete nazionale 34% Digest. anaerobica e post compostaggio 59% Biogas 165,25 Nm 3 64% 36% Motori a comb. interna Energia termica 146,63 kwh th Energia elettrica 143,46 kwh el 66% Rete del teleriscaldamento 12% Surplus non sfruttato 11% Lavaggio amminico 18% Compressione Biometano 64,42 Nm 3 Autotrazione 11

12 APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA Life Cycle Assessment (LCA) FASE 4: INTERPRETAZIONE DEI RISULTATI FASE 1: DEFINIZIONE DELL OBIETTIVO E DEL CAMPO DI APPLICAZIONE FASE 3: VALUTAZIONE DEGLI IMPATTI: - Classificazione - classificazione --Caratterizzazione caratterizzazione --Normalizzazione normalizzazione (*) - pesatura - Raggruppamento (*) - Pesatura (*) FASE 2: ANALISI DI INVENTARIO La LCA valuta gli aspetti ambientali e i potenziali impatti ambientali relativi ad un processo o ad un attività: la valutazione comprende l intero ciclo di vita del processo o attività, includendo quindi l estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale (*): fasi definite dalle norme ISO (International Organization for Standardization) come opzionali e quindi non effettuate in questo studio 12

13 APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA Unità funzionale Raccolta e trattamento del rifiuto organico e indifferenziato prodotto in un contesto urbano metropolitano Confini del sistema Raccolta: produzione di sacchetti biodegradabili, utilizzo dei mezzi, operazioni di trasporto sia per la raccolta che per l invio dei rifiuti agli impianti di trattamento dedicati Trattamenti di recupero di materia ed energia: pretrattamento, trattamento e riciclo per le varie matrici considerate; prodotti evitati sia in termini energetici che di materia Trattamento finale dei residui: input di materiali ed energia necessari ai processi di gestione degli scarti e il loro trasporto ad impianti dedicati. 13

14 APPLICAZIONE DELLA METODOLOGIA LCA Ipotesi di lavoro Energia elettrica prodotta sostituisce energia da mix di combustibili fossili al 2007 (73% gas naturale, 18% carbone, 9% olio) Energia termica prodotta sostituisce energia da caldaia domestica a metano Compost maturo sostituisce torba e fertilizzanti chimici Biometano sostituisce gas naturale in rete o diesel per autotrazione Metodi di caratterizzazione CML 2001 CED (Cumulative Energy Demand) Categorie di impatto Riscaldamento globale (GWP) Acidificazione Smog fotochimico Tossicità umana Richiesta di energia 14

15 SCENARIO 0 VS SCENARIO 1: GWP GWP (kg CO 2 eq) Scenario 0 Scenario 1A Scenario 1B Scenario 1C Scenario 1D Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE 1A: MCI 1B: caldaia aux 1C: rete 1D: autotraz. 15

16 SCENARIO 0 VS SCENARIO 1: ACIDIFICAZIONE Acidificazione (kg SO 2 eq) Scenario 0 Scenario 1A Scenario 1B Scenario 1C Scenario 1D Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE 1A: MCI 1B: caldaia aux 1C: rete 1D: autotraz. 16

17 SCENARIO 0 VS SCENARIO 1: SMOG FOTOCHIMICO Smog fotochimico(kg C 2 H 4 eq) Scenario 0 Scenario 1A Scenario 1B Scenario 1C Scenario 1D Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE 1A: MCI 1B: caldaia aux 1C: rete 1D: autotraz. 17

18 SCENARIO 0 VS SCENARIO 1: TOSSICITÀ UMANA Tossicità umana (kg 1,4-DCB eq) Scenario 0 Scenario 1A Scenario 1B Scenario 1C Scenario 1D Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE 1A: MCI 1B: caldaia aux 1C: rete 1D: autotraz. 18

19 CED (MJ eq x 1000) SCENARIO 0 VS SCENARIO 1: CED Scenario 0 Scenario 1A Scenario 1B Scenario 1C Scenario 1D Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE 1A: MCI 1B: caldaia aux 1C: rete 1D: autotraz. 19

20 ANALISI DI SENSITIVITÀ 1. resa di intercettazione della frazione organica domestica ridotta al 40% 2. tecnologia di digestione anaerobica a secco invece che a umido 3. efficienza di recupero energetico del termovalorizzatore funzionamento in assetto cogenerativo spinto 4. tipologia di energia elettrica sostituita caso del ciclo combinato a gas naturale 5. distanza di trasporto del compost di qualità incrementata a 250 km 6. tipologia di utilizzo del biogas co-combustione in una centrale a ciclo combinato a gas naturale 20

21 ANALISI DI SENSITIVITÀ 1 (AS1) Resa di intercettazione della FORSU Riduzione dal 60% al 40%. GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 1-5,25% - 5,55% - 2,52% - 1,70% AS1/A AS1/B AS1/C AS1/D Trasporti Incenerimento Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE A: MCI B: caldaia aux C: rete D: autotraz. 21

22 ANALISI DI SENSITIVITÀ 2 (AS2) Tecnologia di digestione anaerobica Trattamento da umido a secco GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 1-3,24% - 7,61% - 3,46% - 3,53% AS2/A AS2/B AS2/C AS2/D Trasporti Incenerimento Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE A: MCI B: caldaia aux C: rete D: autotraz. 22

23 ANALISI DI SENSITIVITÀ 3 (AS3) Efficienza di recupero energetico Assetto cogenerativo spinto del termovalorizzatore GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 1-4,65% + 4,37% + 4,21% AS3/B AS3/C AS3/D Trasporti Incenerimento Digestione Produz. sacchetti Produz. sacchetti TOTALE B: caldaia aux C: rete D: autotraz. 23

24 ANALISI DI SENSITIVITÀ 4 (AS4) Tipologia di energia elettrica sostituita Ciclo combinato a gas naturale GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 1-51,78% - 53,59% - 49,17% % AS4/A AS4/B AS4/C AS4/D Trasporti Incenerimento Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti Scenario AS4 Scenario 1 A: MCI B: caldaia aux C: rete D: autotraz. 24

25 ANALISI DI SENSITIVITÀ 5 (AS5) Distanza di trasporto del compost di qualità incremento da 50 a 250 km GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 1-4,65% - 4,63% - 5,22% - 5,38% AS5/A AS5/B AS5/C AS5/D Trasporti Incenerimento Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE A: MCI B: caldaia aux C: rete D: autotraz. 25

26 ANALISI DI SENSITIVITÀ 6 (AS6) Tipologia di utilizzo del biogas Co-combustione in una centrale a CC in parziale sostituzione del gas naturale GWP (kg CO 2 eq) Δtot Scenario 0 + 5,43% Scenario 0 Trasporti Incenerimento Compostaggio Digestione Scarti digestione Produz. sacchetti TOTALE AS6 26

27 CONCLUSIONI 1. Gli scenari 1A (MCI) e 1B (caldaia ausiliaria) risultano sempre migliorativi rispetto allo scenario 0 in particolare per l indicatore GWP 2. Gli scenari di upgrading a biometano (1C e 1D) non sono sempre migliorativi rispetto allo scenario 0 benefici modesti della sola sostituzione del ciclo di vita del gas naturale/diesel (pre-combustione) ma... possibile copertura del fabbisogno energetico di 8600 abitazioni OPPURE della percorrenza di 125 milioni di km dato più robusto perché non soggetto alle ipotesi sul mix elettrico sostituito 3. L incremento dei trasporti per la raccolta della FORSU e gli impatti della produzione dei sacchetti biodegradabili hanno impatti modesti sul sistema 4. I risultati sono molto sensibili alla ipotesi sull energia elettrica sostituita; per tutti gli altri parametri considerati, le variazioni sono quasi sempre inferiori al 5% 27

28 GRAZIE PER L ATTENZIONE! mario.grosso@polimi.it SIDISA 2012 Tecnologie Sostenibili per la Tutela dell Ambiente Simposio Internazionale di Ingegneria Sanitaria Ambientale 9a Edizione Milano, Giugno