WASTE-TO-ENERGY La Trasformazione di Rifiuti in Energia

Presentazione sul tema: "WASTE-TO-ENERGY La Trasformazione di Rifiuti in Energia"— Transcript della presentazione:

1 WASTE-TO-ENERGY La Trasformazione di Rifiuti in Energia
Elettricità e calore a basso impatto ambientale Dr. Ing. Stephen McPhail

2 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 Una breve descrizione della situazione energetica nel mondo e la missione comune che ne deriva. Questo contesto ci suggerirà la motivazione per la cosiddetta catena waste to energy

3 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”. Il concetto di sviluppo sostenibile deve entrare in tutte le decisioni che ci riguardano Rapporto Brundtland, Commissione delle Nazioni Unite per l’Ambiente e lo Sviluppo Globale -1987

4 accessibilità alle risorse
La missione energetica globale Sicurezza, accessibilità alle risorse Competitività economica… Sistema energetico futuro Dobbiamo produrre l’energia in modo sostenibile, dal punto di vista della salvaguardia dell’ambiente, delle risorse naturali e dell’impatto socio-economico. Per raggiungere questo obiettivo dobbiamo risolvere tre problemi principali: Modifiche del clima globale per effetto serra ed inquinamento generato dalla maggior parte dei cicli energetici Esauribilità delle fonti fossili Mancanza di equità nella distribuzione e nell’uso delle risorse energetiche Distribuzione equa Integrità ambientale

5 Popolazione mondiale, 1950-2050
La missione energetica globale Popolazione mondiale, La crescita della domanda è determinata dalla crescita della popolazione e, in modo più determinante, dallo sviluppo economico * DISTRIBUZIONE EQUA

6 Le risorse energetiche
By Area By Source By Sector MBDOE = million barrels a day oil equivalent Le fonti fossili continueranno a dominare il mix globale, il petrolio rimarrà il combustibile principale Fonte: Exxon Mobil MBDOE: Million of Barrels per Day; 1MBDOE = 50 Million ton/year

7 Picco di produzione del petrolio
Le risorse energetiche Picco di produzione del petrolio La teoria del picco di Hubbert, può essere riferito a singole aree geografiche ovvero al fabbisogno mondiale *SICUREZZA, ACCESSIBILITà DELLE RISORSE

8 Le risorse energetiche
Prezzo del petrolio

9 Le risorse energetiche
Consumo mondiale annuale Petrolio Idealmente… Gas O2 H2 Conversione in Energia + H2O Stoccaggio Elettrolisi Risorse energetiche totali Uranio Carbone Eolico Idroelettrico Energia solare annuale Fotosintesi 9

10 Le risorse energetiche
Consumo mondiale annuale Petrolio Realmente… E’ una questione di CONCENTRAZIONE Gas Risorse energetiche totali Uranio Carbone Eolico Risorse energetiche Rinnovabili sono DILUITE Idroelettrico Energia solare annuale Fotosintesi 10

11 La generazione distribuita
Sistema centralizzato Grosse quantità, grosse perdite Flusso unidirezionale Equilibrio precario Fonte primaria Trasferimento Raffinamento Sistema centralizzato Conversione Utilizzo

12 La generazione distribuita
Sistema centralizzato Grosse quantità, grosse perdite Flusso unidirezionale Equilibrio precario Fonte primaria Trasferimento Raffinamento Sistema centralizzato Conversione Utilizzo

13 La generazione distribuita
Sistema centralizzato Grosse quantità, grosse perdite Flusso unidirezionale Equilibrio precario Fonte primaria Trasferimento Raffinamento Sistema centralizzato Conversione Utilizzo

14 La generazione distribuita
Sistema distribuito Fonte primaria Raffinamento Conversione Utilizzo Sistema centralizzato Trasferimento

15 La generazione distribuita
Sistema distribuito Fonti e produttività locali Piccole quantità, grossa efficienza Flusso reticolato Equilibrio diffuso

16 La generazione distribuita
Sistema centralizzato Efficienza 35% Efficienza 32% Efficienza finale 4% perdita 65% perdita 8% perdita 87% – Supplies electrical or mechanical power – Uses thermal output for space or water heating, dehumidification, or process heat – Is located at/or near user – Can serve a single facility or district energy system – Can range in size from a few kW to 100+MW 16

17 La generazione distribuita
Sistema centralizzato Efficienza 35% Efficienza 32% Efficienza finale 4% perdita 65% perdita 8% perdita 87% Sistema distribuito – Supplies electrical or mechanical power – Uses thermal output for space or water heating, dehumidification, or process heat – Is located at/or near user – Can serve a single facility or district energy system – Can range in size from a few kW to 100+MW Efficienza 45% Efficienza finale 30% perdita 55% perdita 35% 17

18 La generazione distribuita
– Supplies electrical or mechanical power – Uses thermal output for space or water heating, dehumidification, or process heat – Is located at/or near user – Can serve a single facility or district energy system – Can range in size from a few kW to 100+MW 18

19 CO2 Idroelettrico Solare termico Centrale elettrica
Impianto di produzione H2 Celle a combustibile H2 Gas naturale Stazione di servizio Giacimento esaurito Acquifero salino Centrale elettrica CO2 Solare termico Impianto eolico Biomasse Impianto fotovoltaico Idroelettrico

20 Un’altra considerazione…
Emissioni di CO2 *INTEGRITà AMBIENTALE

21 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 21

22 RIFIUTI BIOMASSA Scarti industria chimica & raffinerie
Scarti ospedalieri e farmaceutici Rifiuti industriali e scarti di produzione Rifiuti Solidi Urbani (RSU) Acque reflue e fanghi di depurazione MSW: household waste, urban wastes produced by economic activities (shops, restaurants, etc.) or by public or private establishments (schools, etc.); inside this category there is biodegradable municipal waste, consisting of food and garden waste, paper and cardboard, textile and any other waste capable of undergoing aerobic or anaerobic decomposition Non-fossil, transient origin (solar, wind, biomass, waste, residues) Low energy content (short energy accumulation times) CO2 neutral (C-fixation and C-release life cycle bound) Non-uniform quality (large diversity in structure and composition) Olii, grassi e deiezioni animali Scarti agroforestali Colture energetiche dedicate BIOMASSA

23 Biomasse CO2 + H2O  C6H12O6 + O2 BIOMASSA
Biomassa: in termini scientifici si considera ogni tipo di materiale di origine biologica legato alla chimica del carbonio, quindi ogni sostanza organica derivante direttamente o indirettamente dalla fotosintesi clorofilliana (Colture annuali o poliennali). 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

24 Scarti di macellazione
Biomasse in Italia Agroindustria Aziende Capi Deiezioni/ scarti Bovini & Bufalini 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 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 Rifiuti Solidi Urbani 32,5 x 106 t/a 1,4 x 106 t/a* 7,2 x 106 t/a° SFIDE: Raccolta capillare ed efficiente Mantenimento dell’equilibrio socio-ambientale Chiusura del ciclo, sostenibilità delle risorse * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata

25 Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
WASTE-TO-ENERGY Catena: biomasse/rifiuti  tecnologie di conversione  prodotti e applicazioni The b/w-2-energy chain on a social scale comprises roughly 4 areas, strongly interrelated and in the case of alternative sources strongly diversified, each with its own ecological, energetical and economical implications ENEA: Agricultural residues, in particular manure and biodegradable MSW MCFC: single cell scale (bench-top) 25

26 Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti
Principio del sistema biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore (CHP, Combined Heat & Power) Risorsa Combu- stibile Condizio- namento Combusti- bile pulito Conver- sione CHP

27 Conversione in combustibile
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti Conversione in combustibile Conver- sione

28 DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) GASSIFICAZIONE (SYNGAS)
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) Reflui zootecnici Fanghi civili Residui agricoli Frazione organica RSU Sottoprodotti industria alimentare GASSIFICAZIONE (SYNGAS) Rifiuti solidi urbani Residui chimici, farmaceutici Residui legnosi Sottoprodotti industria del legno e della carta DISCARICA Rifiuti solidi urbani 28

29 DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) GASSIFICAZIONE (SYNGAS)
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) Decomposizione di composti organici tramite batteri selezionati T: 30-70°C Resa: 0,2-0,5 m3/kgSV Gas prodotto : CH % CO % H2 0-1% N % GASSIFICAZIONE (SYNGAS) Decomposizione termica di composti lignocellulosici e volatilizzazione T: °C Resa: 2-6 Nm3/kg Gas prodotto: Agente: Aria Vapore CH4 1-5% % CO % % H % % CO 10-20% % N % ~0 DISCARICA Fermentazione anaerobica di frazioni organiche T: 20-30°C Resa: variabile Gas prodotto: CH % CO % N % 29

30 DIGESTIONE ANAEROBICA
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DIGESTIONE ANAEROBICA GASSIFICAZIONE DISCARICA 30

31 DIGESTIONE ANAEROBICA
Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DIGESTIONE ANAEROBICA GASSIFICAZIONE DISCARICA Facile estrazione gas Processo affermato Flessibilità di risorse Buon fertilizzante Grossa resa di syngas Impatto visivo ed odorante Condizioni sensibili Operazione difficoltosa Bassa resa di gas Scala medio-grande 31

32 DIGESTIONE ANAEROBICA
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) 32

33 Biomasse in Italia Potenziale teorico di biogas Agroindustria Aziende
Capi Deiezioni/ scarti BIOGAS x 106 Nm3/a Bovini & Bufalini 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 t/a 93 Acque reflue Impianti Abitanti equivalenti Sostanza secca Fanghi da depurazione 5670 59 milioni 2,6 x 106 t/a 514 Rifiuti Abitanti Produzione Frazione organica Rifiuti Solidi Urbani 32,5 x 106 t/a 1,4 x 106 t/a* 0,2 7,2 x 106 t/a° 1,2 SFIDE: Raccolta capillare ed efficiente Mantenimento dell’equilibrio socio-ambientale Chiusura del ciclo, sostenibilità delle risorse * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata (Elaborazione dati ISTAT, IZS per la bioindustria)

34 Recupero CALORE…. La COGENERAZIONE (CHP)
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35 Conversione ad alta efficienza
Principio del sistema biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore (CHP, Combined Heat & Power) Risorsa Conver- sione Combu- stibile Condizio- namento Combusti- bile pulito CHP

36 Conversione ad alta efficienza
Quale sistema CHP? CHP

37 SISTEMA CONVENZIONALE
Conversione ad alta efficienza Energia chimica Conversione Termica qperd CO2 CO NOx SOx PM FUEL CELL Work qperd Conversione Elettrochimica qperd H2O (CO2) SISTEMA CONVENZIONALE

38 Cella a combustibile Anodo H2 + O– → H2O + e– Catodo 1/2 O2 + e– → O–
Corrente elettrica 100kW-3 MW scale makes it ideal for decentralized CHP generation Fuel flexible: can tolerate C-compounds Generally smaller footprint: low emissions, low noise, more favourable plant life cycle

39 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 CO2 is

40 Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)
Calore alta T Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) °C ηEl: 45-55%; ηTh : 40% Scala: 100 kW - 3 MW Efficienza indipendente da carico e taglia Flessibile ai combustibili Impatto ambientale basso 100kW-3 MW scale makes it ideal for decentralized CHP generation Fuel flexible: can tolerate C-compounds Generally smaller footprint: low emissions, low noise, more favourable plant life cycle

41 Conversione ad alta efficienza
Principio del sistema biomasse/rifiuti  conversione  elettricità e calore (CHP, Combined Heat & Power) Risorsa Conver- sione Combu- stibile Combusti- bile pulito CHP Condizio- namento

42 Pulizia e condizionamento del gas
Conversione ad alta efficienza Pulizia e condizionamento del gas Condizio- namento

43 Requisiti di purezza del combustibile
Conversione ad alta efficienza Requisiti di purezza del combustibile Contaminant FC Tolerance Effects Cleaning method Sulphides: H2S, COS, CS2 0.5-1 ppm Electrode deactivation. Reaction w electrolyte to form SO2 Methanol washing (T < -50°C) Carbon beds (T < 0°C) Scrubber (T < 100°C) ZnO/CuO adsorption (T < 300°C) High-T CeO ads. (T > 700°C) Halides: HCl, HF 0.1-1 ppm Corrosion Reaction w electrolyte Alumina or bicarbonate Activated carbon Siloxanes: HDMS, D5 ppm Silicate deposits Ice absorption (T = -30°C) Graphite sieves NH3 1% Reaction w electrolyte to form NOx (Fuel at low conc.) Catalytic cracking Bag filter as NH4Cl Particulates 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 Bag/ceramic filter La fase di condizionamento serve a rendere il biogas idoneo all’alimentazione della cella a combustibile. Il processo è costituito da due fasi distinte: riduzione della concentrazione delle sostanze contaminanti e conversione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. Reazione di Reforming: 43

44 Impianti integrati La fase di condizionamento serve a rendere il biogas idoneo all’alimentazione della cella a combustibile. Il processo è costituito da due fasi distinte: riduzione della concentrazione delle sostanze contaminanti e conversione del metano in idrogeno e monossido di carbonio. 44

45 ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe
2000 cows Investment cost Net Present Value (life plant: 20 years) Pay Back Time

46 ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe
2000 cows Cost of electrical power €/kWh €/kWh 0,093 0,123 0,09 0,071 0,053

47 High Value Food Fertilizzante Risorsa Calore 50°C Condizionamento
Coltivazione In serra Fertilizzante Risorsa Calore 50°C Condizionamento Pre-trattamento MCFC Elettricità Calore 400°C Recupero CO2 Biogas 47

48 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 Ciò intende un mix di tutte le risorse energetiche, petrolio, carbone, sole vento maree e biomasse. Fra queste dobbiamo tendere a favorire le risorse rinnovabili. Diminuire lo spreco

49 Fine viviana.cigolotti@enea.it stephen.mcphail@enea.it