Valorizzazione energetica dei rifiuti urbani (RU)

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1 Valorizzazione energetica dei rifiuti urbani (RU) Franco Donatini 1 La situazione attuale Negli ultimi anni la gestione complessiva dei rifiuti si è evoluta, seppur lentamente, verso una nuova impostazione strategica che, oltre a porre al primo sposto la riduzione progressiva della loro produzione, vede il rifiuto, non più come una sostanza nociva da smaltire, ma piuttosto come un insieme di sottoprodotti da valorizzare, Nella normativa europea relativa ai rifiuti (Dir. 2008/98/CE recepita in Italia con il D.lgs. 205/2010) si sottolinea l importanza che gli stati membri si impegnino ad adottare le misure necessarie a ridurre la produzione dei rifiuti e la loro pericolosità e a mettere in atto una politica di progettazione ecologica dei prodotti che permetta di produrre beni sostenibili sempre più riciclabili, riutilizzabili e privi, o quasi, di sostanze nocive. Sotto il profilo della produzione l Italia si colloca in una posizione di medio livello rispetto al contesto europeo. Nel 2009 la produzione di rifiuti urbani in Italia è stata di circa 32 milioni di tonnellate corrispondente a 533 kg per ogni abitante, l 1,8% in meno rispetto al 2008, continuando il trend decrescente già registrato negli anni precedenti. Figura 1 Destinazione dei rifiuti nei vari paesi europei Accanto a questo comportamento, in un certo senso virtuoso, il nostro paese è invece ancora molto indietro per quanto riguarda la gestione complessiva dei rifiuti nella linea sollecitata dalle disposizioni comunitarie. La vera criticità è infatti rappresentata da una 1 Franco Donatini, docente Energia Geotermica Università di Pisa

2 bassa penetrazione della raccolta differenziata, che è la strada da seguire per il passaggio alla valorizzazione merceologica ed economica dei rifiuti. La media italiana di raccolta differenziata è stata nel 2009 pari al 33,6 del totale con un netto incremento del 3% rispetto all anno precedente. Permane ancora una forte differenza tra il Nord e il resto dell Italia per quanto riguarda la percentuale di raccolta differenziata: si passa da una quota del 51,4% del Nord-est e del 45,5 nel Nord-ovest al 24,9 per cento nel Centro, fino ad arrivare ad un modesto 19,1 per cento nel Mezzogiorno. La limitata raccolta differenziata è anche la causa del notevole ricorso alla discarica, rispetto a cui l Italia rientra nel gruppo dei paesi europei meno virtuosi (Figura 1 fonte ENEA). Definizione di una strategia di valorizzazione energetica Dall analisi della figura 1 emerge un aspetto interessante che riguarda la valorizzazione energetica. Nei diversi paesi analizzati, il basso ricorso alla discarica è sempre associato ad un elevato valore del recupero energetico. Questa correlazione vale per la Francia, la Germania, la Svezia e la Danimarca, che è sotto questo profilo il paese più virtuoso con un recupero energetico del 55% e un ricorso nullo alla discarica. Al contrario paesi come Italia, Spagna, Irlanda, Grecia fanno, che fanno un uso elevato della discarica, superiore al 50%, praticano un recupero energetico molto limitato. Il peggior paese è la Grecia, che non pratica alcun recupero energetico e ricorre alla discarica per oltre i 90% dei rifiuti. Una spiegazione di questa correlazione risiede nel fatto che la valorizzazione energetica è oggi un operazione più agevolmente praticabile su vasta scala con le tecnologie disponibili, rispetto al recupero di alcune tipologie di materiali La raccolta differenziata è la condizione essenziale per un recupero del valore dei rifiuti sia esso a livello di materia che di energia. La modalità di raccolta e di preselezione non è indipendente dalla filosofia adottata per il recupero, che rappresenta una scelta di fondo per l impostazione di una efficace filera dei rifiuti. Ad oggi il recupero di materiali sembra prevalere in termini di gradimento rispetto a quello energetico, anche a causa dell immagine negativa, in parte giustificata, dell eccessivo ricorso all incenerimento del rifiuto tal quale praticato negli ultimi decenni. Ovviamente il recupero energetico non va visto in contrapposizione con quello di materiali, occorre piuttosto identificare una filiera che ottimizzi a livello di ciclo di vita lo sfruttamento delle due produzioni, sotto il profilo economico e ambientale. Ovviamente la configurazione della filiera dipende da quanto si vuole spingere in più o in meno il recupero energetico da quello di materia. Il rifiuto tal quale ha un potere calorifico compreso tra 8 e 10 MJ/kg. Ciò significa che l intera quantità di rifiuti prodotti in un anno in Italia corrisponde a circa 80 TWh termici, che con un efficienza del 40% possono essere convertiti in 32 TWh elettrici, pari a circa il 10% del fabbisogno annuo di elettricità. L utilizzo diretto del rifiuto tal quale per fini energetici, sia termici che elettrici, come avviene negli inceneritori tradizionali, non è vantaggioso sia dal punto di vista economico che ambientale. Per quanto riguarda l aspetto economico, a causa del basso potere calorifico associato è necessario utilizzare camere di combustione di dimensioni elevate e quindi di alto costo e la presenza notevole di umidità e la necessità di utilizzare elevati eccessi di aria comburente ridicono fortemente l efficienza del processo. Consideriamo che il costo di costruzione di un inceneritore è di circa 5 M /MW di potenza elettrica installata e il rendimento dell impianto non supera quasi mai il 20%. Per quanto concerne l aspetto ambientale, l eccessiva varietà della composizione del rifiuto rende poco efficace il controllo e il contenimento delle emissioni.

3 La strategia più valida è quella di procedere a una preselezione del rifiuto e impostare una filiera che accanto al recupero di materiali valorizzi il contenuto energetico. La composizione merceologica dei rifiuti è mediamente quella riportata in tabella: 1. Componente Contenuto % Potere Calorifico (MJ/kg Rinnovabilità Carta Organico Plastica Vetro Metalli Legno Inerti Sottovaglio Tabella 1 Composizione merceologica dei rifiuti Dall analisi della tabella emerge che alcuni componenti, come carta e alcune tipologie di plastica, sono idonei sia dal punto di vista del recupero di materiale che della conversione energetica. Altri come l organico e il legno possono essere convertiti in compost, oppure in biogas attraverso fermentazione anaerobica. Vetro e metalli invece sono esclusivamente destinati al recupero. Per i materiali che hanno diverse possibilità di destinazione deve essere valutata attentamente la via che sulla base del ciclo di vita consente maggiori recuperi economici e compatibilità ambientale. Per la plastica è abbastanza accettato che l utilizzo energetico sia conveniente rispetto al recupero e la sua utilizzazione energetica passa attraverso una preselezione per la produzione di CDR (Combustibile Derivato dai Rifiuti). Riguardo alla carta, esistono processi consolidati di recupero del materiale che possono essere preferiti al recupero energetico. Figura 2 Filiera di gestione dei rifiuti

4 In sostanza il recupero di materiale è alternativo a quello energetico e presenta in genere filiere più complesse e più critiche anche dal punto di vista del monitoraggio del ciclo e quindi da valutare con attenzione anche sotto questo ulteriore aspetto. Le filiere attualmente sviluppate per la gestione dei rifiuti sono estremamente complesse e articolate e se non adeguatamente ottimizzate possono introdurre diseconomie e criticità non trascurabili. A questo proposito la figura 2, con riferimento all intervento sull area veneta di Marghera, mostra un approccio razionale, adeguatamente ottimizzato e personalizzato, sulla base delle caratteristiche del territorio, caratterizzato anche dalla presenza di una grande centrale termoelettrica a carbone, resa idonea alla cocombustione del CDR Con riferimento al recupero energetico basato sulla produzione di CDR si dovrebbe infatti puntare, secondo l esempio appena citato, a una riduzione del frazionamento degli impianti verso taglie più elevate e in prospettiva al superamento degli impianti dedicati a favore della co-combustione in centrali termoelettriche in particolare a carbone In prospettiva una filiera più semplificata e quindi meno costosa e più efficiente nella gestione dei rifiuti dovrebbe articolarsi nel modo seguente: Recupero di materiali, essenzialmente metalli, vetro e carta Trasformazione della parte organica in biogas costituito per metà da metano e per l atra metà da anidride carbonica, attraverso fermentazione anaerobica in discariche controllate (Landfill) Conversione delle plastiche che costituiscono la parte di rifiuto a maggior contenuto energetico, in CDR e successiva co-combustione in centrali termoelettriche. A questo scopo è sufficiente dotare le centrali di sistemi di stoccaggio e alimentazione e di estrattori a secco di ceneri dal fondo della caldaia, dotati di nastro di trasporto per il completamento della combustione del CDR e il recupero dell energia attraverso lo scambio termico con aria. Questa soluzione si è rivelata indispensabile nella co-combustione, in quanto i tempi di residenza in caldaia non sono sufficienti alla completa combustione del CDR. Sulla base della composizione merceologica della tabella 1, emerge che in prospettiva uno sfruttamento completo della plastica corrisponde a un recupero in termini energetici di circa il 35% dell intera energia contenuta nel rifiuto tal quale, che su base nazionale corrispondono a 11 TWh elettrici pari a oltre il 3% del fabbisogno. In termini economici sviluppare quando possibile la co-combustione significa risparmiare ingenti capitali per costruire costosi termovalorizzatori dedicati. Utilizzando interamente la potenziale disponibilità di CDR sarebbe necessario realizzare termovalorizzatori per una potenza installata di almeno MWe, con un costo dell ordine di 5-7 miliardi di Euro che verrebbe risparmiato in larga misura, in quanto gli interventi di adeguamento per la co-combustione hanno un costo praticamente trascurabile, rispetto a un impianto ex novo. Inoltre in considerazione del più elevato rendimento della centrale rispetto al termovalorizzatore, si avrebbe una maggiore elettricità prodotta di circa 3-5 TWh, pari all 1,5 % del fabbisogno nazionale. Infine la scelta della co-combustione avrebbe il vantaggio di una implementazione in tempi molto brevi rispetto a quelli di realizzazione di nuovi impianti, con l ulteriore opportunità di limitare i problemi non trascurabili legati alla scelta dei siti all accettabilità della popolazione.

5 La soluzione del problema delle ceneri nella valorizzazione energetica degli RU Tra le diverse criticità dell incenerimento diretto del rifiuto tal quale, una particolarmente onerosa e impattante è la elevata produzione di ceneri. Ciò è dovuto al fatto che la concentrazione di inerti nel rifiuto originario è tra il 10 e il 20% ed anche superiore, per cui all uscita della camera di combustione si ha una quantità di cenere da smaltire di circa un quarto del rifiuto alimentato. Questo spiega come l incenerimento diretto non risolva assolutamente il problema dei rifiuti, con l aggravante che nell impossibilità di prevedere correttamente la composizione del residuo, si è costretti a destinare la cenere al trattamento come rifiuto speciale. La strada che risolve il problema è il passaggio attraverso il CDR, durante il quale vengono recuperati materiali, più o meno di pregio, contribuendo comunque a ridurre la frazione di inerti e quindi delle ceneri emesse, di solito al di sotto del 10%. Come si è detto, la via di gran lunga più conveniente in termini economici per l utilizzo del CDR è rappresentata dalla co-combustione in centrale a carbone. Gli interventi per consentire questa operazione sono limitati. Essi consistono nell introduzione dei sistemi di stoccaggio e alimentazione del CDR e il sistema di estrazione a secco delle ceneri dal fondo della caldaia. Quest ultimo sistema è indispensabile sia per sfruttare a pieno il contenuto energetico del CDR sia per mantenere la qualità della cenere emessa dalla centrale, compatibile con la successiva utilizzazione nei cementifici. La soluzione a questo problema si bassa nell alimentazione del CDR nella parte bassa della caldaia e nel successivo completamento della combustione sul nastro esterno del sistema di estrazione ceneri che provvede anche al recupero del calore prodotto in caldaia attraverso un flusso d aria in contro corrente col nastro. In questo modo l impatto degli incombusti del CDR è contenuto e la qualità delle ceneri viene mantenuta a un tasso di incombusti accettabile per l impiego nella produzione di cemento.