Il ruolo del recupero energetico all interno del ciclo integrato di gestione dei rifiuti

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1 Il ruolo del recupero energetico all interno del ciclo integrato di gestione dei rifiuti Pasquale De Stefanis ENEA - Sezione Sviluppo Tecnologie Trattamento Rifiuti Giornata di Studio La termovalorizzazione dei rifiuti Milano, 14 febbraio 2006

2 Gerarchia di gestione dei rifiuti Sostenibilità massima Sostenibilità minima Prevenzione Riuso Riciclo & Compostaggio Recupero Energetico Smaltimento

3 Schema di gestione dei rifiuti TRATTAMENTO DISCARICA 100% (100-RD)% "Secco" IMPIANTO RU prodotti RACCOLTA DIFFERENZIATA "RU residui (RUR)" "RUR" "CDR" RICICLO & RECUPERO PRODUZIONE CDR CENTRALE DEDICATO TERMOELETTRICA CEMENTIFICIO SMALTIMENTO RECUPERO ENERGETICO

4 Composizione RU e opzioni di gestione Frazione Composizione Riciclabile (% p) Compostabile Combustibile Carta e cartone 24 Si Si Si Organico Si Si Plastiche pesanti 7,8 Si -- Si Plastiche leggere 5,2 Si -- Si Vetro 7,0 Si Metalli ferrosi 2,4 Si Metalli non ferrosi 0,6 Si Legno 4,6 Si Si Si Tessili 1,6 Si -- Si Vari combustibili 0, Si Vari inerti 2, Sottovaglio 13, Si (1) TOTALE ,2 59,6 81,5 (1) Parzialmente (50%)

5 Recupero energetico Vs raccolta differenziata 1/2 P.C.I. (kcal/kg) NO R. D. 100% R. D. 10% Carta 50% Vetro R. D. 50% Carta 50% Vetro 50% Plastica R. D. 50% Carta 50% Vetro 20% Metalli 20% Legno 10% Plastica 20% Organico R. D. 50% Carta 50% Vetro 50% Organico R. D. 50% Carta 50% Vetro 20% Metalli 20% Legno 15% Plastica 50% Organico % SCENARI DI RACCOLTA DIFFERENZIATA (R.D.) 22% 25% 31% 35% R. D. 50% Carta 50% Vetro 20% Metalli 20% Legno 15% Plastica 5% Organico 20% RD, %

6 Recupero Energetico Vs raccolta differenziata 2/2 Gestione dei Rifiuti Urbani in Europa 100% 90% 80% 70% 60% 50% 40% 30% 20% 10% 0% Grecia Portogallo Regno Unito Irlanda Finlandia Spagna Italia Francia Austria Lussemburgo Germania Svezia Belgio Danimarca Olanda Discarica Recupero energetico Riciclaggio + compostaggio Altro Elaborazione ENEA su dati Eurostat e APAT

7 Processi di trattamento termico ENERGIA GAS DERIVATO OLIO ("TAR") RESIDUO ("Char") PIROLISI 0 GAS DERIVATO CO, ("Syngas") H 2, N 2 GASSIFICAZIONE 1 FUMI CO 2, H 2 O, N 2 COMBUSTIONE R R = ARIA EFFETTIVA ( O 2 ) ALIMENTATA ARIA STECHIOMETRICA (O 2 ) NECESSARIA

8 I trattamenti termici RIFIUTI TRATTAMENTO TERMICO (*) PRODUZIONE DI ENERGIA (Elett.+Term.) EMISSIONI (F) REFLUI LIQUIDI (L) RESIDUI SOLIDI (S) (*) Inclusi pretrattamento rifiuto, combustione, trattamento (F + L + S), ecc.

9 Individuazione del sistema di recupero energetico Processo Tecnologia Rec. energia Sistema Combustione Gassificazione Pirolisi Processo X A B N Tecnologia Y Elettrica Termica Elettr+Term Recupero Z Impianto dedicato Impianto industriale Dedicato c/o Industriale Sistema W Rifiuti RUR, Secco, CDR CDR RUR, Secco, CDR

10 Requisiti richiesti Provata, consolidata, referenziata Flessibile, di agevole gestione e controllo Di elevata affidabilità e ridotta richiesta di manutenzione A costi non elevati, ma soprattutto certi A ridotto impatto sull ambiente (emissioni, reflui liquidi, residui solidi) Energeticamente efficiente ed efficace (massimo recupero e minimi autoconsumi, costanti nel tempo) A rischio minimo in termini di sicurezza e di salute

11 Obiettivi da perseguire Massimo sfruttamento della risorsa rifiuto; Minimo impatto sull ambiente; Minor costo per i cittadini; Ricerca costante di innovazione su tutti gli aspetti relativi al percorso da rifiuto a risorsa (prodotto) ; Integrazione con la realtà locale.

12 Combustione diretta o gassificazione? Preferenza (%) Oper. Rifiuti Urbani Oper. Rifiuti Industriali Oper. Biomasse P.A. Gestione Rifiuti Politici Opinione Pubblica Combustione Gassificazione

13 Nuovo e Attuale a confronto Combustione Pirolisi/gassificazione Recupero energetico: Buono Potenzialmente superiore Impatto ambientale: Molto buono Potenzialmente migliore Costi di investimento ed esercizio: Recupero sottoprodotti e residui: Mediamente elevati, ma definiti In sviluppo Non facilmente definibili, ma similari a combustione Migliore per ceneri e scorie, non provato per tar e char Aspetti gestionali: (1) Definiti e controllabili Non dimostrati (1) Controllo del processo, affidabilità, richiesta di manutenzione, sicurezza

14 BRef su gassificazione/pirolisi (tab. 4.9) Applicabilità ad un campo ristretto di rifiuti Capacità di trattamento mediamente inferiori Costi di trattamento mediamente superiori Richiesta di personale altamente qualificato Non consolidate o ancora in fase di sviluppo

15 Quale è la vera gassificazione? RIFIUTO RIFIUTO PIROLISI/ GASSIFICAZIONE CENERI/CHAR PIROLISI/ GASSIFICAZIONE GASSIFICAZIONE DI TIPO "TERMICO" SYNGAS GREZZO COMBUSTIONE COMBUSTIONE IN 2 STADI IN 2 STADI (INCENERIMENTO) (INCENERIMENTO) Ceneri SYNGAS GREZZO COMBUSTIONE FUMI TRATTAMENTO GAS GENERATORE DI VAPORE PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA SYNGAS PULITO VAPORE TURBINA / MOTORE ENDOT. TRATTAMENTO FUMI RESIDUI GASSIFICAZIONE DI TIPO "ELETTRICO" CAMINO CAMINO CENERI/CHAR RESIDUI TAR PRODUZIONE ENERGIA ELETTRICA

16 Efficienze nette di produzione di E.E. Trattamento: Combust. Gassificazione/Pirolisi Produz.E.E. Efficienza dichiarata Efficienza realistica Ciclo a vapore Ciclo a vapore Motore a gas IGCC 14-20% 13-24% 34% 19-27% 9-20% 13-24% 23-26%

17 Recupero energetico: RU o CDR? 1 kg RU Combustione 1 kg RU Evaporazione Produz. CDR Scarti Combustione ή 1 m<< 1 kg ή 2 E 1 =PCI RU x ή 1 E 2 = E 1 x(pci* CDR /PCI RU )x(ή 2 /ή 1 )x m E 2 = PCI* CDR x ή 2 x m R E = E 2 /E 1 1? E 1 E 2

18 Combustione RU, frazione secca, CDR: dove? Rifiuto PCI (MJ/kg) Griglia Apparecchiatura Letto fluido RU residuo Secco (1) CDR (ex DM ) > 15 + (2) + Rifiuti a elevato PCI > (1) Previa riduzione della pezzatura (2) Può essere richiesto l impiego di griglia raffreddata ad acqua (in funzione del PCI) Legenda: + = idoneo +/--= idoneo con limitazioni -- = non idoneo

19 Letto fluido Vs Griglia Apparecchiatura Vantaggi Svantaggi A griglia mobile A letto fluido Apparecchiatura collaudata ed affidabile Esistono migliaia di applicazioni a livello mondiale Consente buoni livelli di recupero energetico Idoneo per rifiuti di diversa pezzatura Non richiede il pretrattamento dei RU Elevata efficienza di combustione (grado di turbolenza,maggiori tempi di residenza, temperatura più uniforme) Basso contenuto di incombusti nelle scorie (0,2-0,3 %) Unità più compatte (maggiori carichi termici specifici applicabili) Ridotti tempi di avviamento e possibilità di funzionare anche in discontinuo Ridotto numero di parti meccaniche in movimento Possibilità di operare con ridotti eccessi d aria, con conseguenti migliore rendimento di recupero e minori dimensioni dei sistemi di depurazione dei fumi Parziale rimozione di gas acidi (principalmente SO 2 ) in fase di combustione, tramite l iniezione di sorbenti alcalini Non particolarmente idonea per rifiuti ad alto PCI (>20 MJ/kg) Non idonea per rifiuti pulverulenti, pastosi e melme Fattibilità economica ristretta a taglie d impianto medio-grandi Rischio di defluidizzazione del letto conseguente a possibili fenomeni di agglomerazione Necessità di pretrattamenti dei rifiuti (riduzione pezzatura, omogenizzazione, ecc.), con conseguente aumento dei costi globali di gestione Necessità di aumentare i punti di alimentazione o di incrementare la velocità di fluidizzazione a causa di insufficiente mescolamento trasversale Difficoltà di alimentazione dei rifiuti leggeri (es.: CDR fluff ) soprattutto in corrispondenza di velocità di fluidizzazione elevate (letti circolanti) Ridotte esperienze applicative in scala industriale per l impiego con rifiuti urbani, soprattutto per i letti circolanti Maggiori carichi di polveri da captare nell impianto di trattamento fumi.

20 Recupero energetico e risvolti sull ambiente INd DISCARICA RISCHI? PERCOLATO GSd INr RIFIUTO PRODUZIONE COMBUSTIBILI DERIVATI IMPIANTO RECUPERO ENERGETICO ENERGIA ELETTRICA ENERGIA TERMICA GSr INc COMBUSTIBILI FOSSILI Legenda: IN = emissioni di inquinanti GS = emissioni di gas serra ENERGIA A TERZI GSc CENTRALE TERMOELETTRICA INt GSt RISCALDAMENTO CIVILE E INDUSTRIALE

21 Limiti normativi alle emissioni (0) (3) Inquinante Unità Incenerimento DLgs 133/2005 (1) Direttiva 2000/76/CE (1) Centrali Termoelettriche DM (2) Cementifici DM (3) Polveri mg/nm SO 2 mg/nm NO x mg/nm CO mg/nm Metalli pesanti mg/nm 3 0,5 (5) 0,5 (5) 10 (6) 5 (6) Diossine (FTE) ng/nm 3 0,1 0, (4) (4) (0) Valori riferiti a fumi secchi, nelle condizioni standard (P= 101, 3 kpa, T= 273 K) (1) I limiti di emissione sono riferiti all 11 % di ossigeno libero nei fumi (2) I limiti di emissione sono riferiti al 3 % di ossigeno libero nei fumi per i combustibili liquidi e gassosi e 6 % in volume per il carbone (3) Per i cementifici i valori di emissione sono riferiti al contenuto di ossigeno libero degli effluenti gassosi umidi (4) Valutato come somma di tutti gli isomeri (5) Somma di Sb, As, Pb, Cr, Co, Cu, Mn, Ni, V (6) Somma di Sb, Pb, Cr (III), Cu, Mn, V, Sn, Pd, Pt, Rh

22 Influenza del rendimento di recupero Emissioni specifiche (mg/kwe) Emissioni di Polveri da combustione rifiuti Emissioni medie da Centrale termoelettrica Rendimento netto (%)

23 I rifiuti sono fonti rinnovabili? DLgs 29 dicembre 2003, n. 387, art. 2, pto a) "Fonti energetiche rinnovabili o fonti rinnovabili: le fonti energetiche rinnovabili non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomasse, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas). In particolare per biomasse si intende: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali ed urbani; (Ex art. 1 direttiva 2001/77/CE sulla promozione dell energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell elettricità)

24 Rifiuti e rinnovabilità Frazione Quantità (% p) Rinnovabilità (%) Frazione rinnovabile (% p) Carta e cartone Organico Plastiche pesanti 7,8 0 0 Plastiche leggere 5,2 0 0 Vetro 7,0 0 0 Metalli ferrosi 2,4 0 0 Metalli non ferrosi 0,6 0 0 Legno 4, ,6 Tessili 1,6 50 0,8 Vari combustibili 0,8 50 0,4 Vari inerti 2,0 0 0 Sottovaglio 13,0 60 7,8 TOTALE ,6

25 Emissioni specifiche di CO 2 (g/mj) 120,0 100,0 80,0 60,0 40,0 20,0 0,0 Lignite Carbone Petcoke Olio combustibile denso Olio Combustibile Gas naturale Legno (50 % um.) Legno (0 % um.) Polietilene Rifiuti urbani CDR Biogas CO2 totale CO2 fossile Emmissione specifica, g/mj

26 Quale energia recuperare? Fattore Caratteristiche dei rifiuti Potenzialità di cessione dell energia Condizioni locali Cogenerazione Altro Aspetti da prendere in considerazione Quantità e qualità Disponibilità, distribuzione e variazioni stagionali Possibilità di variazioni quali-quantitative dei rifiuti Energia termica Teleriscaldamento Ad usi industriali Ad usi interni (processo/riscaldamento) Presenza di vincoli geografici Durata della domanda e del contratto di fornitura Obblighi contrattuali di fornitura Condizioni operative di fornitura (vapore, acqua calda, ecc.) Analisi delle variazioni stagionali Presenza di eventuali incentivi Partecipazione di clienti Terzi al finanziamento dell impianto Energia elettrica Disponibilità rete nazionale ed autoconsumi impianto Prezzo di cessione Presenza di incentivi e tasse Caratteristiche richieste per l energia ceduta Mezzo di raffreddamento: aria o acqua Condizioni meteorologiche Accettabilità o meno di pennacchio visibile Quantità e caratteristiche acqua in/out Variazioni stagionali della ripartizione Variazioni della ripartizione a medio-lungo termine Ottimizzazione dei parametri progettuali/operativi (max produzione di energia, minimo costo di investimento, complessità impiantistica, ecc. Livelli di rumorosità accettabili (condensatori ad aria) Area disponibile Eventuali vincoli architettonici Sistemi di trattamento dei fumi

27 L efficienza energetica netta E = E t x E El x (100 -P p ) E t = Efficienza Termica del sistema E El = Efficienza Elettrica di conversione 80-90% 25-35% P p = Consumi endogeni, inclusi pre-trattamenti del rifiuto, produzione O 2, ecc., espressi come % dell energia elettrica lorda prodotta

28 Recupero energetico (BAT n , 66 68) la localizzazione di nuovi impianti deve tenere conto della possibilità di massimizzare l esportazione di energia termica sotto forma di calore e /o vapore; sia comunque assicurato un carico minimo di produzione di calore/vapore da destinare, tramite la stipula di contratti a lungo termine, alla fornitura di energia termica a utenze terze; siano garantiti su base annua, anche nel caso di cogenerazione, dei livelli minimi di produzione unitaria (Mwh/t) di energia elettrica, in funzione del PCI dei rifiuti alimentati; siano minimizzati gli autoconsumi dell impianto.

29 Sistemi integrati di recupero energetico Residui Rifiuti Vapore Combustione Produzione CDR Fumi Pretrattam. CDR Gassif./pirolisi E.E. Centrale termoelettrica Utenze termiche Fumi a trattamento

30 Impianto di Moerdijk (NL) Schema di principio

31 Impianto di Zwentendorf (A) Schema di principio

32 Impianto di Bizkaja (E) Schema di principio

33 Applicazioni innovative FANGHI CDR PNEUMATICI OLI USATI MIX PLASTICHE VAPORE OSSIGENO REAGENTI IMPIANTO DI GASSIFICAZIONE PRETRATTAMENTO GASSIFICAZIONE TRATTAMENTO RIFIUTI SYNGAS RECUPERO RECUPERO TRATTAMENTO METALLI SCORIE EFFLUENTI SYNGAS (CO +H 2 ) POST- TRATTAMENTI SPECIFICI IDROGENO AMMONIACA METANOLO DME FUEL CELLS CICLI COMBINATI TURBINE A GAS CICLO A VAPORE RECUPERO DI MATERIA RECUPERO DI ENERGIA IMPIANTO INDUSTRIALE METALLI INERTI EFFLUENTI LIQUIDI Recupero materia_energia_gassificazione.xls

34 Sintesi e Conclusioni Il recupero di energia da rifiuti consente: b la chiusura del ciclo di gestione dei rifiuti b un risparmio significativo di risorse b una riduzione delle emissioni globali sia di inquinanti, sia di gas con effetto serra; Sono disponibili moderne tecniche/tecnologie di trattamento che consentono buoni livelli di recupero nel rispetto dell ambiente; Non esiste la soluzione, né a livello di sistema né a livello tecnico, applicabile in modo generalizzato, ma un ventaglio di alternative idonee alle varie realtà locali; Necessita un approccio sistemico sul territorio che coinvolga autorità, cittadini ed imprenditori per cogliere le opportunità che il recupero di energia da rifiuti è in grado di offrire.

35 E tutto! Grazie per l attenzione!