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

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Presentazione sul tema: "WASTE-TO-ENERGY La Trasformazione di Rifiuti in Energia Elettricità e calore a basso impatto ambientale Dr. Ing. Stephen McPhail"— 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

3 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 La missione energetica globale

4 Sistema energetico futuro Sicurezza, accessibilità alle risorse Distribuzione equa Integrità ambientale La missione energetica globale Competitività economica…

5 Popolazione mondiale, La missione energetica globale

6 MBDOE: Million of Barrels per Day; 1MBDOE = 50 Million ton/year By Area By SourceBy Sector Fonte: Exxon Mobil Le risorse energetiche

7 Picco di produzione del petrolio

8 Le risorse energetiche Prezzo del petrolio

9 Fotosintesi Idroelettrico Eolico Carbone Uranio Gas Petrolio Consumo mondiale annuale Risorse energetiche totali Energia solare annuale Le risorse energetiche O2O2 H2H2 Conversione in Energia + H 2 O Stoccaggio H 2 Elettrolisi Idealmente…

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

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

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

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

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

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

16 Efficienza 32% Efficienza 35% La generazione distribuita Efficienza finale 4% perdita 65% perdita 8% perdita 87% Sistema centralizzato

17 Efficienza 45% Efficienza 32% Efficienza 35% La generazione distribuita Efficienza finale 4% perdita 65% perdita 8% perdita 87% Sistema centralizzato perdita 55% Efficienza finale 30% Sistema distribuito perdita 35%

18 La generazione distribuita

19 Impianto di produzione H 2 Celle a combustibile H2H2H2H2 Gas naturale Stazione di servizio Giacimento esaurito Acquifero salino Centrale elettrica CO 2 CO 2 H2H2H2H2 Solare termico Impianto eolico Biomasse Impianto fotovoltaico Idroelettrico

20 Un’altra considerazione… Emissioni di CO 2

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

22 RIFIUTI BIOMASSA Rifiuti Solidi Urbani (RSU) Rifiuti industriali e scarti di produzione Acque reflue e fanghi di depurazione Olii, grassi e deiezioni animali Scarti agroforestali Colture energetiche dedicate Scarti industria chimica & raffinerie Scarti ospedalieri e farmaceutici

23 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 CO 2 + H 2 O  C 6 H 12 O 6 + O 2

24 AgroindustriaAziendeCapi Deiezioni/ scarti Bovini & Bufalini ,4 milioni/a91 x 10 6 m 3 /a Suini ,8 milioni/a18 x 10 6 m 3 /a Scarti di macellazione milioni/a t/a Acque reflueImpianti Abitanti equivalenti Sostanza secca Fanghi da depurazione milioni2,6 x 10 6 t/a RifiutiAbitantiProduzioneFrazione organica Rifiuti Solidi Urbani59 milioni32,5 x 10 6 t/a 1,4 x 10 6 t/a* 7,2 x 10 6 t/a° * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata Biomasse in Italia

25 WASTE-TO-ENERGY Catena: biomasse/rifiuti  tecnologie di conversione  prodotti e applicazioni Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

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

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

28 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 Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

29 DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) Decomposizione di composti organici tramite batteri selezionati T: 30-70°C Resa: 0,2-0,5 m 3 /kgSV Gas prodotto : CH % CO % H 2 0-1% N % GASSIFICAZIONE (SYNGAS) Decomposizione termica di composti lignocellulosici e volatilizzazione T: °C Resa: 2-6 Nm 3 /kg Gas prodotto: Agente: Aria Vapore CH 4 1-5% 1-10% CO % 10-20% H % 30-50% CO10-20% 25-45% N % ~0 DISCARICA Fermentazione anaerobica di frazioni organiche T: 20-30°C Resa: variabile Gas prodotto: CH % CO % N % Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

30 DISCARICA DIGESTIONE ANAEROBICA GASSIFICAZIONE

31 Facile estrazione gasProcesso affermatoFlessibilità di risorse Buon fertilizzanteGrossa resa di syngas Impatto visivo ed odoranteCondizioni sensibiliOperazione difficoltosa Bassa resa di gasScala medio-grande Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DISCARICA DIGESTIONE ANAEROBICA GASSIFICAZIONE

32 Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti 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) DIGESTIONE ANAEROBICA

33 * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata Biomasse in Italia AgroindustriaAziendeCapi Deiezioni/ scarti BIOGAS x 10 6 Nm 3 /a Bovini & Bufalini ,4 milioni/a91 x 10 6 m 3 /a1472 Suini ,8 milioni/a18 x 10 6 m 3 /a346 Scarti di macellazione milioni/a t/a93 Acque reflueImpianti Abitanti equivalenti Sostanza secca Fanghi da depurazione milioni2,6 x 10 6 t/a514 RifiutiAbitantiProduzioneFrazione organica Rifiuti Solidi Urbani59 milioni32,5 x 10 6 t/a 1,4 x 10 6 t/a*0,2 7,2 x 10 6 t/a°1,2 (Elaborazione dati ISTAT, IZS per la bioindustria) Potenziale teorico di biogas

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

36 Quale sistema CHP? CHP Conversione ad alta efficienza

37 Energia chimica Conversione Termica Work q perd CO 2 CO NO x SO x PM q perd H 2 O (CO 2 ) FUEL CELL SISTEMA CONVENZIONALE Conversione ad alta efficienza

38 Anodo H 2 + O – → H 2 O + e – Catodo 1/2 O 2 + e – → O – Corrente elettrica Cella a combustibile

39 Anodo H 2 + CO 3 = → H 2 O + CO 2 + 2e – Catodo 1/2 O 2 + CO 2 + 2e – → CO 3 = Tollerante al Carbonio Agisce da separatore CO 2 Basse densità corrente Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)

40 °C η El : 45-55%; η Th : 40% Scala: 100 kW - 3 MW Efficienza indipendente da carico e taglia Flessibile ai combustibili Impatto ambientale basso Calore alta T

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

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

43 Requisiti di purezza del combustibile Conversione ad alta efficienza Contaminant FC Tolerance EffectsCleaning method Sulphides: H 2 S, COS, CS ppm Electrode deactivation. Reaction w electrolyte to form SO 2 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 ppm Corrosion Reaction w electrolyte Alumina or bicarbonate Activated carbon Siloxanes: HDMS, D ppmSilicate deposits Ice absorption (T = -30°C) Graphite sieves NH 3 1% Reaction w electrolyte to form NO x (Fuel at low conc.) Catalytic cracking Bag filter as NH 4 Cl Particulates ppmDeposition, plugging Cyclone + bag/ceramic filter Electrostatic precipitator Tars2000 ppmC deposition Catalytic cracking T > 1000°C Heavy metals: As, Pb, Zn, Cd, Hg 1-20 ppmDeposition Reaction w electrolyte Bag/ceramic filter Electrostatic precipitator Reazione di Reforming :

44 Impianti integrati

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 0,090,093 0,123 0,093 0,123 0,071 0,053

47 MCFC Elettricità Calore 400°C Calore 50°C Recupero CO 2 Pre- trattamento Coltivazione In serra High Value Food Fertilizzante Condiziona mento Biogas Risorsa

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

49 Fine


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