La valorizzazione energetica dei rifiuti

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1 POLITECNICO DI MILANO La termovalorizzazione dei rifiuti per una strategia della sostenibilità Regione Lombardia Milano 27 marzo 2014 La valorizzazione energetica dei rifiuti prof. Stefano Consonni Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano Materia ed Energia Per la Fisica Classica, Materia é ciò che occupa Spazio e ha Massa. In pratica, la Materia é il fondamento costituente di tutti i corpi e di tutte le cose L'Energia è la grandezza fisica che misura la capacità di compiere lavoro in seguito al contributo di Campi di Forze La disponibilità di Materia ed Energia in qualità e quantità adeguate sono fattori imprescindibili per la Vita sulla Terra, nonché per lo Sviluppo dell'umanità Materia ed Energia sono le due fondamentali facce della realtà fisica. L'evoluzione dell'universo avviene con processi che convertono Materia ed Energia da una forma all'altra, e l'una nell'altra Sia gli organismi biologici sia, nella maggior parte dei casi, i processi umani devono essere alimentati con Materia ed Energia (input) e generano uno "scarto" di Materia ed Energia (output) 2

2 Materia ed Energia: Input e Output MATERIA + ENERGIA IN CALORE OUT MATERIA OUT CALORE OUT I flussi IN / OUT non sono un'opzione: il loro eventuale blocco conduce rapidamente alla morte LAVORO OUT 3 Energia e Sviluppo consumo di energia per persona ( kwh / giorno ) potenza muscolare W 3000 kcal/giorno W carbone vegetale 29 MJ/kg (0 50 d.c.) < 2 kw (1000 d.c.) < 5 kw 1888 d.c d.c. ~ 1830 d.c. La scoperta del fuoco Greci - Romani - Medioevo ( a.c.) Sopravvivenza Neolito - E. Bronzo E. Ferro 1800 UK 1900 UK 2000 UK 4

3 Bilanci di Materia ed Energia Gli scambi di Materia tra la Terra ed il resto dell'universo sono praticamente nulli Gli scambi di Energia sono invece GIGANTESCHI: ogni anno arrivano dal Sole alla superficie terrestre circa miliardi di Tep (Tonnellate equivalenti di petrolio) 5 Bilanci di Materia ed Energia L'alterazione dell'equilibrio energetico terrestre può causare cambiamenti climatici 6

4 . Bilanci di Materia ed Energia Non scambiando materia con l'esterno, la Terra é un sistema a "rifiuti zero" Energia IN Materia IN Energia OUT Società / Sistema economico Tuttavia, ciò non vale per un suo sotto-insieme! Materia OUT 7 La visione MatER Sostenibilità SIA il recupero di Materia SIA il recupero di Energia sono essenziali per la Sostenibilità Recupero di Materia Recupero di Energia Sistema Integrato: 1) Riduzione 2) Riutilizzo 3) Recupero 4) Collocamento inerti Riutilizzo Riduzione della produzione 8

5 La gestione integrata dei rifiuti POWER PLANT MSW SOURCE SEPARATION Separated material MULTI-MATERIAL SEPARATION AND SELECTION OF EACH MATERIAL OFMSW Selected packaging materials URW MBT CEMENT KILN WTE PLANT Separation and selection residues Slag and ash LANDFILL Recycling residues (paper, wood and plastic) Iron, Aluminium Glass, Paper, Wood, Plastic Recycling residues (iron and aluminium) To recovery of materials Energy: displacement of fossil fuels Recycled materials: displacement of primary products RECYCLING OFMSW Green Fossil fuel displacement COMPOSTING Compost: displacement of peat and mineral fertilisers ANAEROBIC DIGESTION Compost + energy: displacement of peat and mineral fertilisers, and of fossil fuels 9 La gestione integrata dei rifiuti Rifiuto Urbano Residuo (RUR) 48,76% Energia al termoutil. 61,55% Residui Selez. Rifiuti (RSR) 6,34% Residui del Rec. di Materia (RRM) 6,45% Raccolta Diff. (RD) 51,24% Energia che rimane nel processo di riciclaggio 38,35% Raccolta Selezione Recupero 10

6 La risorsa energetica Rifiuti In Italia si producono circa 500 kg per abitante per anno di RSU Supponiamo che a valle del Riciclaggio ne resti IL 50%, ovvero 250 kg/ab-anno di RUR+S (Rifiuto Urbano Residuo + Scarti) A questi si aggiungono circa 350 kg/ab-anno di Rifiuti Speciali (RS) combustibili (poco più di 20 Mton/anno) per un totale RUR+S+RS combustibili di circa 600 kg/ab-anno Per tale quantità di RUR+S+RS assumiamo potere calorifico 12 MJ/kg Ciò equivale ad un'energia di circa 170 kg di petrolio/ab-anno Ovvero oltre il 6 % dei consumi totali di energia primaria (2,76 Tep/ab) Circa il 10% dei combustibili fossili utilizzati in impianti fissi (1,7 Tep/ab) 11 Gli impianti di ieri Fulham (Inghilterra) Amburgo (Germania) Incenerimento rifiuti in Europa (circa 1910) (da J. Vehlow, Institute for Technical Chemistry, Karlsruhe, Germany e Søren Dalager, Rambøll, Denmark) Frederiksberg (Danimarca) 12

7 Dall'incenerimento alla termoutilizzazione Motivazioni del trattamento termico: sterilizzazione riduzione volume (10-30 volte) inertizzazione dei residui a discarica recupero di energia riduzione impatto del ciclo di vita (sostituzione centrali termoelettriche) Incenerimento Termo- utilizzazione L'importanza del recupero di energia é andata via via aumentando con l'aumento del Potere Calorifico del rifiuto: dalle kcal/kg di inizio secolo si é arrivati oggi a kcal/kg RUR 13 Gli impianti di oggi PARIGI VIENNA BRESCIA 14

8 . Il moderno termoutilizzatore Sezione impianto I moderni termoutilizzatori sono CENTRALI TERMO- ELETTRICHE alimentate con il particolare combustibile rifiuto secondary air MSW primary air flue gas recirc. ash to stack flue gas treatment vapour to sec. air deaerator Ciclo termico grate combustor with integrated boiler steam turbine 15 Il moderno termoutilizzatore G 16

9 Regolazione e controllo 17 Controllo delle emissioni rapporto ~ 1: anni anni 80 anni 90 anni 00 Polveri mg/nm ,05-3 HCl mg/nm SOx mg/nm ,1-2 NOx mg/nm Hg, Cd mg/nm 3 0,5 0,1 0,08-0,1 0,001-0,005 Metalli pesanti mg/nm ,02-0,2 Diossine ng TEQ /Nm ,1-10 0,05-0,1 0,001-0,01 rapporto ~ 1:

10 Controllo delle emissioni 100% 80% Total emissions Emissions of WtE Contributo dei termo-utilizzatori alle emissioni totali in Austria (anni 2000) 60% 40% 20% 0,07% 0,19% 0,04% 0,40% 1,18% 0,009% 0% Diossine NO X SO X Cd Hg polveri H. Rechberger e G. Schöller, La situazione italiana Totale a termo-utilizzazione nel 2012: 5,1 milioni di tonnellate 17% circa del totale dei Rifiuti Urbani 20

11 rendimento elettrico, % potenza di combustione, MWt parametri avanzati realtà industriale Piccolo NON é bello parametri 18 conservativi PCI MJ/kg capacità di trattamento RUR, 1000 t/y elettricità netta, kwh per tonn di RUR 21 Emissioni di gas serra kg CO2 per ton of RW Emissions generated Transport Ash treatment Reagents Plant construction RW combustion Emissions avoided Al recovery Fe recovery Fuel cycle Power station COGENERAZIONE migliora ulteriormente il quadro Additional emissions of landfill 180 kg CO 2eq Emissions generated net of landfill 0 5% 10% 15% 20% 25% 30% Net efficiency of WtE plant "Break-even" efficiency ~ 15% 22

12 Recupero di Materia e Recupero di Energia sono entrambi essenziali per la sostenibilità della gestione dei rifiuti Conclusioni Un sistema di gestione dei rifiuti con integrazione spinta tra recupero di Materia e recupero di Energia può contribuire in misura significativa al bilancio energetico nazionale I moderni termo-utilizzatori sono radicalmente diversi dagli inceneritori realizzati nella prima metà del Novecento La flessibilità degli impianti consente agevolmente il trattamento di rifiuti sia urbani sia speciali - nonché di biomasse Gli impianti di GRANDI DIMENSIONI realizzano rendimenti nettamente più elevati degli impianti piccoli, con minori emissioni e minori costi Ove possibile, COGENERAZIONE (--> teleriscaldamento) migliora il quadro energetico e ambientale 23 Grazie dell'attenzione mater@polimi.it 24