Il recupero di energia dai rifiuti e i parametri prestazionali degli impianti Fondazione dell Ordine degli Ingegneri di Milano 22 ottobre 2013

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1 Il recupero di energia dai rifiuti e i parametri prestazionali degli impianti Fondazione dell Ordine degli Ingegneri di Milano 22 ottobre 2013 Federico Viganò Ricercatore di Sistemi per l Energia e l Ambiente Dipartimento di Energia Politecnico di Milano I rifiuti: PROBLEMA o RISORSA? Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

2 Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ La combustione dei rifiuti L incenerimento o termodistruzione garantisce: Igenizzazione. i Notevole riduzione di volume (circa 90%). Considerevole riduzione in massa (circa 80%). La Termovalorizzazione include il recupero di parte del contenuto energetico del rifiuto. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

3 Il combustibile rifiuto Composizione merceologica: carta e cartone vetro tessili plastica metalli Dal punto di vista energetico i rifiuti sono assimilabili ad un combustibile solido, seppur di scarsa qualità Composizione elementare: organico Solidi volatili: atomi C, H, O N, S, Cl, F, etc. (PCI > 0) inerti Umidità (PCI < 0) Ceneri (PCI = 0) Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Il triangolo di TANNER La risorsa rifiuto Quando rientra in certi canoni, il rifiuto può essere utilizzato per la produzione di calore e, attraverso un ciclo termodinamico, d elettricità, proprio come accade ai combustibili fossili. I moderni termovalorizzatori sono centrali termoelettriche alimentate con il particolare combustibile rifiuto. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

4 I primi impianti d incenerimento Source: A. Nabasik and A. Nottrodt 1896 Amburgo Impianto di incenerimento Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ I primi impianti d incenerimento Source: E. Fleck, Martin GmbH, Recent developments in WtE grate combustion: Technology and Implementation. WTERT 2006 meeting, Columbia University, New York City, NY, October 19-20, Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

5 I primi impianti d incenerimento Source: E. Fleck, Martin GmbH, Recent developments in WtE grate combustion: Technology and Implementation. WTERT 2006 meeting, Columbia University, New York City, NY, October 19-20, Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Gli inceneritori del 1910 circa (da J. Vehlow, Institute for Technical Chemistry, Karlsruhe, Germany) Fulham (Inghilterra) Amburgo (Germania) Frederiksberg (Danimarca) Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

6 Gli inceneritori degli anni 60 Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ I moderni termovalorizzatori PARIGI VIENNA BRESCIA Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

7 Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ I problemi del combustibile rifiuto 1) Potere calorifico modesto per cui, a parità di potenza: grandi portate grande consumo ausiliari grandi dimensioni grandi costi di investimento 2) Contenuto di elementi che possono dar luogo a composti tossici e corrosivi (Cl, F, Br, metalli, ecc ): impatto ambientale prestazioni inferiori a quelle ottenibili con combustibili fossili 3) Composizione o (e caratteristiche atte c e fisiche) dei rifiuti pressoché incontrollabili indispensabile massima flessibilità degli impianti di trattamento 4) Taglia di impianto molto inferiore a quella tipica di un impianto a combustibile fossile prestazioni modeste e costi elevati Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

8 Il potenziale energetico della risorsa rifiuto Nei Paesi industrializzati si producono 1-2,5 kg per abitante per giorno di RSU, ovvero kg per abitante per anno Supponiamo che a valle della Raccolta Differenziata restino kg/ab-anno di RUR (Rifiuto Urbano Residuo) con PCI = 10 MJ/kg RUR L energia liberabile da questo RUR equivale a kg di petrolio equivalente per abitante per anno Nei Paesi industrializzati il consumo totale di energia primaria è di kg di petrolio equivalente per abitante per anno (3-6 Tep/ab-anno) CONCLUSIONE: i soli RSU potrebbero coprire il 2-3% dei consumi totali di energia primaria. Per i consumi negli impianti fissi, questa percentuale sale al 3-5%. Se si aggiungono poi i rifiuti speciali, ci si avvicina al 10% Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Il potenziale italiano In Italia, nel 2011, sono stati avviati a discarica circa 13,2 milioni di tonnellate di RUR (o CDR) all anno. Ipotizzando (conservativamente) PCI = 10 MJ/kg RUR e un rendimento medio netto del 25%, si potrebbero generare circa 9,2 TWh, circa il 3% della produzione elettrica lorda italiana nel 2011 (302,6 TWh) Ciò richiederebbe impianti per una potenza installata complessiva di circa 1200 MW (funzionanti per 7800 ore equivalenti l anno) Ovvero 24 impianti i i di dimensioni i i analoghe a quelli di Brescia e Milano. In pratica ne servirebbero 3-4 per le Regioni grandi, 1 per le Regioni piccole In realtà, nel 2012 in Italia erano presenti 47 impianti di termovalorizzazione (di cui 45 in esercizio) però Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

9 La realtà italiana Produzione elettrica lorda da RSU nel 2011: circa 4,4 TWh, poco più del 30% di ciò che potrebbe essere prodotto. A ciò si aggiungono ~2 TWh da biogas (prevalentemente discarica e un po di digestione anaerobica della FORSU). Perché produciamo solamente il 30% circa di ciò che potremmo produrre? Mancano gli impianti di termovalorizzazione. Molti degli impianti esistenti sono obsoleti e progettati con l obiettivo di smaltire (inceneritori) piuttosto che generare energia (termovalorizzatori). Molti degli impianti esistenti sono di piccola taglia. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ La realtà italiana (2012) ,0 Rifiuti trattati, tonn/an nno , , , , , , ,0 0, Numero impianto Fonte dei dati: ISPRA, Rapporto Rifiuti Urbani Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

10 Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Come si effettua il recupero di energia dai rifiuti? Il ventaglio delle possibilità proposte è estremamente ampio, si parla di termovalorizzazione tradizionale, produzione di CSS (ex-cdr), co-combustione, gassificazione, pirolisi, recentemente di dissociazione molecolare, etc. In realtà solo due processi sono ampiamente commercializzati e negli anni hanno provato una buona affidabilità: Termovalorizzazione diretta in combustori a griglia; Produzione di CDR per successiva termovalorizzazione in combustori a griglia o a letto fluido, oppure in cocombustione con combustibili tradizionali, in cementifici o centrali termoelettriche a carbone. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

11 Tecnologie di termovalorizzazione consolidate e a diffusione industriale Per il processo di conversione dell energia chimica contenuta nei rifiuti in energia termica sono ampiamente utilizzate due tecnologie di combustione: Combustori a griglia Combustori a letto fluido Per l estrazione dell energia termica dai fumi di combustione si utilizzano caldaie a tubi d acqua Per la conversione dell energia termica in energia meccanica / elettrica è normalmente impiegato il ciclo Rankine surriscaldato a vapor d acqua Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

12 Combustore a griglia Il combustore a griglia si basa su un componente meccanico la griglia che supporta il rifiuto durante la combustione. Esiste una varietà di tipi di griglia: fissa vs. mobile (ad azione diretta vs. inversa); inclinata vs. orizzontale; non-raffreddata vs. raffreddata (ad aria vs. acqua / olio); etc. Oltre a supportare il combustibile, la griglia, o qualcosa che agisce su di essa, deve imprimere del movimento al letto di materiale, in modo da far avanzare il combustibile dalla sezione d ingresso a quella di scarico scorie. Attualmente, per la termovalorizzazione, i tipi di griglia più diffusi sono quelli mobili, raffreddati, inclinati od orizzontali. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Combustori a griglia Griglia inclinata ad azione inversa Griglia mobile orizzontale Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

13 Griglia inclinata ad azione inversa raffreddata ad aria Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Griglia mobile orizzontale raffreddata ad acqua Più elementi sono uniti insieme da travi a formare delle barre. Ci sono barre fisse e barre mobili. Ogni elemento presenta un circuito interno per il raffreddamento ad acqua. Per gli elementi mobili il circuito interno è connesso a quello esterno mediante tubi flessibili. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

14 Griglia mobile orizzontale raffreddata ad acqua: movimento, percorsi dell aria Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Caratteristiche del combustore a griglia La griglia è divisa in zone: essiccamento/accensione, combustione, finitura. Normalmente è possibile regolare l apporto dell aria primaria di combustione (erogata da sotto la griglia) diversamente per ogni zona. Alcune griglie moderne consentono anche di variare il movimento degli elementi indipendentemente tra i vari settori. Le griglie inclinate hanno pendenze comprese tra 8 e 22. La griglia inclinata ad azione inversa ha il vantaggio di rimescolare continuamente il letto di materiale, favorendo la combustione. Le griglie a spinta diretta presentano spesso un gradino a metà lunghezza per consentire almeno un ribaltamento completo del letto. Il tempo di residenza del materiale sul letto dipende fortemente dalla reattività dello stesso. Piccoli pezzi di carta / plastica possono bruciare in meno di un minuto, gli inerti possono rimanere sulla griglia anche più di 10 ore, a seconda del contenuto di ceneri del rifiuto trattato. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

15 Raffreddamento del combustore a griglia Poiché supportano materiale in combustione, gli elementi della griglia sono esposti a considerevoli stress termici. Gli elementi mobili devono essere preservati da eccessive deformazioni e da corrosione / erosione alle alte temperature, quindi sono normalmente raffreddati. Il metodo di raffreddamento più semplice, ma assai efficace, consiste nell alimentare l aria primaria di combustione da sotto la griglia, facendola passare attraverso la stessa come fluido raffreddante. La griglia non deve mai essere esposta alla fiamma diretta, quindi è normalmente mantenuta coperta da uno strato di ceneri che funge da isolamento termico. Elevati poteri calorifici (> MJ/kg), difficilmente raggiungibili dai Rifiuti Urbani Residui (RUR), possono rendere insufficiente il raffreddamento ad aria e richiedere un sistema ad acqua / olio. Il pre-riscaldamento dell aria di combustione che facilita la combustione di rifiuti a basso PCI ed aumento l efficienza di caldaia può rendere più problematico il raffreddamento della griglia. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ La combustione nel combustore a griglia Poiché il combustibile è solido (combustione eterogenea), la fiamma è sempre diffusiva, ossia combustibile e ossidante giungono al fronte di fiamma da direzioni opposte e si incontrano in rapporto stechiometrico. Per limitare la produzione di ossidi d azoto, l ossidante fornito al letto (aria primaria) è leggermente inferiore allo stechiometrico, in modo da creare una regione riduttiva immediatamente al di sopra del letto stesso. La combustione è completata in fase gas, sopra al letto, grazie all iniezione dell aria secondaria dalle pareti della camera di combustione. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

16 Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Il combustore a letto fluido Fumi a Caldaia Ugelli Aria Secondaria Non è necessario alcun organo di sostegno del materiale combustibile: risolve diversi problemi di materiali + possibile funzionamento con alti PCI Elevata inerzia termica: maggiore uniformità di funzionamento Elevato tempo di residenza del materiale combustibile: ossidazione più completa di CO, HC, diossine, furani, etc. Temperatura moderata: X Contenitore Transport Verticale Valvola per Sabbia Bruciatore Avviamento Silo Sabbia Vaglio Bruciatore Post Combustione Forno a Letto Fluido Rotante Rifiuti o CDR Sistema Alimento Rifiuti Fumi Ricircolanti Aria Primaria Estrazione Scorie (Coclea Raffreddata) Contenitore Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

17 Il combustore a letto fluido È richiesta uniformità dimensionale delle particelle, limitato contenuto di ceneri e, in particolare, di metalli. Non è applicabile al RUR, ma solo a CDR o similari. La temperatura del letto deve essere attentamente controllata per evitarne la sinterizzazione (T < C). Ciò avviene mediante l estrazione di calore attraverso le pareti. Esistono versioni bollenti e versioni circolanti, a seconda della velocità d iniezione dell aria. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Il combustore a letto fluido (Impianto BAS Bergamo) Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

18 Diagramma di combustione CARICO TERMICO (Potenza di combustione) massimo 100 % punto nominale minimo pci massimo linee a pci costante aumento PCI del rifiuto pci nominale Zona di sovraccarico pci minimo pci minimo senza preriscaldo aria zona con preriscaldo aria comburente minima 100 % massima PORTATA RSU Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

19 Schema di un grande termovalorizzatore (Torino) Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Rischio di corrosione negli evaporatori B. Kamuk, Consequences by operating at extreme steam parameters. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

20 Rischio di corrosione nei surriscaldatori B. Kamuk, Consequences by operating at extreme steam parameters. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

21 I cicli a vapore dei termovalorizzatori Hanno taglia molto inferiore rispetto a quelli delle centrali termoelettriche convenzionali (al massimo qualche decina di megawatt elettrici rispetto ad alcune centinaia), ciò comporta due conseguenze: Le macchine presenti, in particolare la turbina a vapore, soffrono un fortissimo effetto di scala sulle prestazioni, quindi nei termovalorizzatori le macchine hanno tipicamente prestazioni modeste. Per l effetto di scala sui costi, le modeste dimensioni dei cicli rendono antieconomiche le soluzioni impiantistiche adottate nelle grandi centrali. La criticità del combustibile rifiuto rende estremamente onerosa l adozione di parametri del vapore spinti o normali sofisticazioni adottate nelle grandi centrali. Si preferisce privilegiare l affidabilità dell impianto alle prestazioni, perché il rifiuto deve essere smaltito. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Rendimento isoentropico d espansione di una turbina a vapore 87 Rend dimento isoentropico TV [%] RPM 7800 RPM 4300 RPM 6000 RPM 3000 RPM RPM 9000 RPM p IN = 65 bar RPM T IN = 450 C p cond = 0,09 bar Potenza elettrica lorda [MW] Nome relatore Federico Viganò Milano, 22/10/

22 Ciclo a vapore in un impianto a griglia Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Ciclo a vapore in un impianto a griglia Bilanci di massa e di energia Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

23 Ciclo a vapore in un impianto a letto fluido Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Effetto scala sull efficienza dell impianto (rendimento netto) imento elettrico, % rend potenza di combustione, MWt parametri avanzati realtà industriale parametri 18 conservativi PCI MJ/kg capacità di trattamento RUR, 1000 t/y elettricità netta, kwh per tonn n di RUR Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

24 Temperatura del vapore adottata negli impianti a griglia europei B. Kamuk, Consequences by operating at extreme steam parameters. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Effetto del limite sulla temperatura del vapore B. Kamuk, Consequences by operating at extreme steam parameters. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

25 Conclusioni sul ciclo a vapore dei termovalorizzatori Temperatura massima non oltre C per evitare problemi di corrosione del surriscaldatore. Assenza di risurriscaldamento per evitare di raddoppiare le parti critiche in caldaia. Di conseguenza, pressione massima non oltre bar per evitare eccessiva formazione di liquido in turbina e limitare temperatura tubi evaporatore in camera di combustione. Pre-riscaldo aria con vapore; no pre-riscaldatore Ljungstrom. Pochi (se non zero) rigeneratori per limitare i costi e per limitare temperatura di mandata dell acqua alla caldaia. Rendimenti della turbina a vapore modesti in conseguenza della piccola taglia. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Prestazioni degli impianti in funzione della sofisticazione ttrico netto, % rendimento elet Rendimento netto in funzione della sofisticazione di impianto punti calcolati 400 tonn/g pci 2400 kcal/kg pressione di evaporazione, bar temperatura vapore uscita surriscaldatore, C temperatura fumi uscita caldaia, C pressione di condensazione, bar Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

26 Incremento di prestazioni associato all adozione di parametri più spinti B. Kamuk, Consequences by operating at extreme steam parameters. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Soluzioni estreme / innovative per aumentare l efficienza M. Van Berlo, Amsterdam s vision on the 4 th generation WtE. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

27 Soluzioni estreme / innovative per aumentare l efficienza M. Van Berlo, Amsterdam s vision on the 4 th generation WtE. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Incentivo economico all ottenimento di un elevata efficienza energetica M. Van Berlo, Amsterdam s vision on the 4 th generation WtE. 1 st WTERT EU Meeting, Brno, Czech Republic, October Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

28 Indice 1. La combustione dei rifiuti 2. La risorsa rifiuto 3. Le tecnologie per il recupero di energia da rifiuti 3.1 Il combustore a griglia g 3.2 Il combustore a letto fluido 3.3 La caldaia 3.4 Il ciclo a vapore dei termovalorizzatori 4. Considerazioni conclusive Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Il recupero d energia secondo la Direttiva UE La termovalorizzazione si qualifica come operazione di recupero solo se l efficienza energetica definita da: E 0,97 P 0 97 EF EI E W E F Risulta maggiore di 0,60 per gli impianti ante 1/01/2009 e maggiore di 0,65 per gli impianti post 31/12/2008. E P energia annua prodotta sotto forma di energia termica o elettrica; E F alimentazione annua di energia nel sistema con combustibili che contribuiscono alla produzione di vapore; E W energia annua contenuta nei rifiuti trattati calcolata in base al potere calorifico netto dei rifiuti; E I energia annua importata, escluse E W ed E F ; 0,97 fattore corrispondente alle perdite di energia dovute alle ceneri pesanti (scorie) e alle radiazioni. Tutte le energie sono espresse in termini d energia primaria, moltiplicando l energia elettrica per 2,6 e l energia termica per 1,1. Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/

29 Modalità di trattamento dei RU in Europa (dati 2011) Fonte: ISPR RA, Rapporto Rifiuti Urbani Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/ Grazie per l attenzione! Federico Viganò federico.vigano@polimi.it Dip. di Energia - PoliMi Centro Studi MatER c/o LEAP Federico Viganò Milano, Nome relatore 22/10/