WASTE-TO-ENERGY
La Trasformazione di Rifiuti in Energia
Elettricità e calore
a basso impatto ambientale
Dr. Ing. Stephen McPhail
[email protected]
Oggi…
La missione energetica globale
• Quadro generale
• Identikit delle risorse energetiche
• La generazione distribuita
Dai rifiuti all’energia, dallo spreco all’efficienza
• Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
• Conversione ad alta efficienza: le celle a combustibile
• Esempio di impianto integrato
La missione energetica globale
Sviluppo sostenibile
“Sviluppo che assicura il soddisfacimento dei bisogni delle
attuali generazioni senza compromettere la possibilità delle
generazioni future di soddisfare i loro”.
Rapporto Brundtland, Commissione delle Nazioni
Unite per l’Ambiente e lo Sviluppo Globale -1987
La missione energetica globale
Sicurezza,
accessibilità alle
risorse
Sistema
energetico
futuro
Distribuzione
equa
Integrità
ambientale
La missione energetica globale
Popolazione mondiale, 1950-2050
Le risorse energetiche
By
Area
By Source
By Sector
Fonte: Exxon Mobil
MBDOE: Million of Barrels per Day; 1MBDOE = 50 Million ton/year
Le risorse energetiche
Picco di produzione del petrolio
Le risorse energetiche
Prezzo del petrolio 1861-2008
www.bp.com/statisticalreview
Le risorse energetiche
Idealmente…
O2
Risorse energetiche
totali
Consumo mondiale annuale
Stoccaggio
H2
Energia solare
annuale
H2
Gas
Uranio
Carbone
Eolico
Elettrolisi
Conversione in
Energia + H2O
Petrolio
Idroelettrico
Fotosintesi
Le risorse energetiche
Realmente…
E’ una questione di
CONCENTRAZIONE
Risorse energetiche
totali
Consumo mondiale annuale
Petrolio
Gas
Uranio
Carbone
Risorse energetiche
Rinnovabili sono
DILUITE
Energia solare
annuale
Eolico
Idroelettrico
Fotosintesi
Sistema centralizzato
La generazione distribuita
Fonte primaria
Trasferimento
Raffinamento
Sistema centralizzato
- Grosse quantità, grosse perdite
- Flusso unidirezionale
- Equilibrio precario
Conversione
Utilizzo
Sistema centralizzato
La generazione distribuita
Fonte primaria
Trasferimento
Raffinamento
Sistema centralizzato
- Grosse quantità, grosse perdite
- Flusso unidirezionale
- Equilibrio precario
Conversione
Utilizzo
Sistema centralizzato
La generazione distribuita
Fonte primaria
Trasferimento
Raffinamento
Sistema centralizzato
- Grosse quantità, grosse perdite
- Flusso unidirezionale
- Equilibrio precario
Conversione
Utilizzo
La generazione distribuita
Sistema centralizzato
Sistema distribuito
Fonte primaria
Trasferimento
Raffinamento
Conversione
Utilizzo
La generazione distribuita
Sistema distribuito
- Fonti e produttività locali
- Piccole quantità, grossa efficienza
- Flusso reticolato
- Equilibrio diffuso
Sistema centralizzato
La generazione distribuita
Efficienza
Efficienza
Efficienza
finale
35%
perdita
65%
32%
perdita
8%
4%
perdita
87%
Sistema centralizzato
La generazione distribuita
Efficienza
Efficienza
Efficienza
finale
35%
perdita
65%
32%
4%
perdita
8%
perdita
87%
Efficienza
Efficienza
Sistema distribuito
finale
45%
perdita
55%
30%
perdita
35%
La generazione distribuita
Idroelettrico
Solare termico
Impianto eolico
Biomasse
H2
Impianto
fotovoltaico
Centrale elettrica
Impianto di produzione
H2
H2
CO2
Celle a combustibile
Stazione di
servizio
Gas naturale
Giacimento esaurito
Acquifero salino
Un’altra considerazione…
Emissioni di CO2
Dai rifiuti all’energia, dallo spreco all’efficienza
Risorse energetiche Rinnovabili sono DILUITE
Efficienza nella conversione
deve essere ALTA
per ottenere quantitativi utili di energia
Consumo deve essere RIDOTTO
Spreco deve essere BASSO
RIFIUTI
Scarti industria chimica & raffinerie
Scarti ospedalieri e farmaceutici
Rifiuti industriali e scarti di produzione
Rifiuti Solidi Urbani (RSU)
Acque reflue e fanghi di depurazione
Olii, grassi e deiezioni animali
Scarti agroforestali
Colture energetiche dedicate
BIOMASSA
Biomasse
CO2 + H2O  C6H12O6 + O2
BIOMASSA
Sostanza organica di origine biologica – non fossile.
Essendo derivata dalla fotosintesi, è accumulo di energia solare
e quindi fonte rinnovabile
Source: Biomass: Green Energy for Europe - EC
Biomasse in Italia
Agroindustria
Aziende
Capi
Deiezioni/
scarti
Bovini & Bufalini
162 733
6,4 milioni/a
91 x 106 m3/a
Suini
15 227
5,8 milioni/a
18 x 106 m3/a
Scarti di
macellazione
2930
431 milioni/a
914 950 t/a
Acque reflue
Impianti
Abitanti
equivalenti
Sostanza secca
Fanghi da
depurazione
5670
59 milioni
2,6 x 106 t/a
Rifiuti
Abitanti
Produzione
Frazione organica
1,4 x 106 t/a*
Rifiuti Solidi Urbani
59 milioni
32,5 x 106 t/a
7,2 x 106 t/a°
* Da raccolta differenziata
° Da raccolta indifferenziata
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
WASTE-TO-ENERGY
Catena: biomasse/rifiuti  tecnologie di conversione  prodotti e applicazioni
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
Principio del sistema
biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore
(CHP, Combined Heat & Power)
Risorsa
Conversione
Combustibile
Condizionamento
Combustibile pulito
CHP
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
Conversione in combustibile
Conversione
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
DISCARICA
• Rifiuti solidi urbani
DIGESTIONE
ANAEROBICA
(BIOGAS)
GASSIFICAZIONE
(SYNGAS)
• Reflui zootecnici
• Rifiuti solidi urbani
• Fanghi civili
• Residui chimici,
farmaceutici
• Residui agricoli
• Frazione organica RSU
• Sottoprodotti industria
alimentare
• Residui legnosi
• Sottoprodotti industria del
legno e della carta
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
DIGESTIONE
ANAEROBICA
(BIOGAS)
GASSIFICAZIONE
(SYNGAS)
Fermentazione
anaerobica di frazioni
organiche
Decomposizione di
composti organici tramite
batteri selezionati
Decomposizione termica di
composti lignocellulosici e
volatilizzazione
T: 20-30°C
Resa: variabile
T: 30-70°C
Resa: 0,2-0,5 m3/kgSV
T: 700-1200°C
Resa: 2-6 Nm3/kg
Gas prodotto:
Gas prodotto :
Gas prodotto:
DISCARICA
Agente:
CH4
CO2
N2
40-45%
35-40%
10-20%
CH4
CO2
H2
N2
50-70%
30-40%
0-1%
0-10%
CH4
CO2
H2
CO
N2
Aria
1-5%
10-20%
10-20%
10-20%
50-60%
Vapore
1-10%
10-20%
30-50%
25-45%
~0
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
DISCARICA
DIGESTIONE
ANAEROBICA
GASSIFICAZIONE
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
DISCARICA
Facile estrazione gas
Impatto visivo ed odorante
Bassa resa di gas
DIGESTIONE
ANAEROBICA
GASSIFICAZIONE
Processo affermato
Flessibilità di risorse
Buon fertilizzante
Grossa resa di syngas
Condizioni sensibili
Operazione difficoltosa
Scala medio-grande
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
DIGESTIONE
ANAEROBICA
Impianti in Italia
154 – Effluenti zootecnici, scarti organici e colture
energetiche
121 – Fanghi di depurazione di acque reflue urbane
22 – Reflui agro-industriali (distillerie, stabilimenti di
produzione alimentari ecc.)
9 – Frazione organica dei rifiuti solidi urbani
(FORSU)
Biomasse in Italia
Potenziale teorico di biogas
Agroindustria
Aziende
Capi
Deiezioni/
scarti
BIOGAS
x 106 Nm3/a
Bovini & Bufalini
162 733
6,4 milioni/a
91 x 106 m3/a
1472
Suini
15 227
5,8 milioni/a
18 x 106 m3/a
346
Scarti di macellazione
2930
431 milioni/a
914 950 t/a
93
Acque reflue
Impianti
Abitanti
equivalenti
Sostanza secca
Fanghi da
depurazione
5670
59 milioni
2,6 x 106 t/a
Rifiuti
Abitanti
Produzione
Frazione organica
Rifiuti Solidi Urbani
59 milioni
* Da raccolta differenziata
° Da raccolta indifferenziata
32,5 x
106
514
1,4 x 106 t/a*
0,2
7,2 x 106 t/a°
1,2
t/a
(Elaborazione dati ISTAT,
IZS per la bioindustria)
Conversione ad alta efficienza
Principio del sistema
biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore
(CHP, Combined Heat & Power)
Risorsa
Conversione
Combustibile
Condizionamento
Combustibile pulito
CHP
Conversione ad alta efficienza
Quale sistema CHP?
CHP
Conversione ad alta efficienza
Energia
chimica
Conversione
Termica
CO2 CO NOx SOx PM
FUEL
CELL
qperd
qperd
Work
qperd
H2O (CO2)
SISTEMA
CONVENZIONALE
Cella a combustibile
Anodo
H2 + O– → H2O + e–
Corrente
elettrica
Catodo
1/2 O2 + e– → O–
Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
Anodo
H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2e–
Catodo
1/2 O2 + CO2 + 2e– → CO3=
• Tollerante al Carbonio
• Agisce da separatore CO2
• Basse densità corrente
Calore alta T
Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
•600-650 °C
•ηEl: 45-55%; ηTh : 40%
•Scala: 100 kW - 3 MW
•Efficienza indipendente da
carico e taglia
•Flessibile ai combustibili
•Impatto ambientale basso
Conversione ad alta efficienza
Principio del sistema
biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore
(CHP, Combined Heat & Power)
Risorsa
Conversione
Combustibile
Condizionamento
Combustibile pulito
CHP
Conversione ad alta efficienza
Pulizia e condizionamento del gas
Condizionamento
Conversione ad alta efficienza
Requisiti di purezza del combustibile
Contaminant
Sulphides:
H2S, COS, CS2
Halides:
HCl, HF
Siloxanes:
HDMS, D5
NH3
Particulates
Reazione di Reforming:
FC
Tolerance
0.5-1 ppm
0.1-1 ppm
Effects
Electrode deactivation.
Methanol washing (T < -50°C)
Reaction w electrolyte to Carbon beds (T < 0°C)
form SO2
Scrubber (T < 100°C)
ZnO/CuO adsorption (T < 300°C)
High-T CeO ads. (T > 700°C)
Corrosion
Reaction w electrolyte
10-100 ppm Silicate deposits
1%
Cleaning method
Alumina or bicarbonate
Activated carbon
Ice absorption (T = -30°C)
Graphite sieves
Reaction w electrolyte to Catalytic cracking
form NOx
Bag filter as NH4Cl
(Fuel at low conc.)
10-100 ppm Deposition, plugging
Cyclone + bag/ceramic filter
Electrostatic precipitator
Tars
2000 ppm
C deposition
Catalytic cracking T > 1000°C
Heavy metals:
As, Pb, Zn, Cd, Hg
1-20 ppm
Deposition
Reaction w electrolyte
Bag/ceramic filter
Electrostatic precipitator
Impianti integrati
ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe
2000 cows
Digester Volume
m3
1.980
Biogas Production
m3/y
657.000
160
117
243
Power
kWe
Investment cost
Anaerobic Digestion
ICE
GT
MCFC
Net Present
Value
(life plant: 20
years)
Pay Back Time
500
900
1.300
4.500
€/m3
€/kW
AD +ICE
AD + GT
AD + MCFC
ICE
GT
MCFC
1,13
1,14
1,35
mil €
with Green Certificates
NPV [mil €]
PBT [y]
MCI
3
4
TAG
2,7
5
MCFC
4,7
5
without Green Certificates
NPV [mil €]
PBT [y]
MCI
1,1
10
TAG
1,4
9
MCFC
1,8
11
ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe
Digester Volume
m3
1.980
Biogas Production
m3/y
657.000
160
117
243
2000 cows
kWe
Power
ICE
GT
MCFC
Cost of electrical power €/kWh
0,123
0,093
0,09
0,123
0,123
0,093
0,093
€/kWh
0,071
0,053
Coltivazione
High Value Food
In serra
Fertilizzante
Calore 50°C
Pretrattamento
Condiziona
mento
Calore 400°C
Recupero CO2
Elettricità
Biogas
MCFC
Conclusioni
• La situazione energetica chiama a diversificare le fonti
• Le risorse energetiche rinnovabili sono abbondanti ma diluite
• Autonomia, equità, stabilità  generazione distribuita
• La valorizzazione dei rifiuti: digestione anaerobica e gassificazione
• Elettricità e calore ad alta efficienza: le celle a combustibile (fuel cells)
• Anello centrale della catena waste-to-energy: condizionamento del
combustibile
Lo sviluppo sostenibile è un concerto di competenze diverse e un impegno comune
Fine
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[email protected]