Gruppo Hera Bilancio di Sostenibilità 2008 L’evoluzione ... · cogenerazione grande TU cogenerazione Discarica Scenario 2 (Ciclo Combinato a gas) Scenario 3 (Ciclo a vapore a carbone)

Gruppo HeraBilancio di Sostenibilità 2008

L’evoluzione della termo-utilizzazione di rifiuti e delle tecniche per il contenimento

del relativo impatto sull’ambienteStefano Consonni

Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano

Bologna, 21 maggio 2009

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Bilancio Sostenibilità Hera 2008 – S. Consonni, 21.05.2009

I rifiuti nella Storia

Discarica(Vienna, 1910)(da J. Vehlow, Institute for TechnicalChemistry, Karlsruhe, Germany)

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I rifiuti POSSONO ESSERE un grande problema

Cortesia grafica diprof. Raffaello Cossu

4


Soluzione BANANA ?

BBuilduildAAbsolutelybsolutelyNNothingothingAAnywherenywhereNNearearAAnybodynybody

5


La produzione di rifiuti in Italia

Fonte: rapporto rifiuti APAT 2007

produzione totale, migliaia di tonnellate

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Un possibile esito della gestione dei rifiuti

7


Il problema n.o 1

CheChe sisipuòpuò fare ?fare ?

11) ) conosciamoconosciamo la REALTla REALTÀÀ INDUSTRIALEINDUSTRIALE2) 2) impariamoimpariamo i i fondamentifondamenti FISICIFISICI3) 3) ragioniamoragioniamo sui NUMERI sui NUMERI COMPARATIVAMENTECOMPARATIVAMENTE

StrategieStrategie per la per la gestionegestione deidei rifiutirifiuti

8


.

Realtà industrialee

Realtà Fisicadella termo-utilizzazione

9


Incenerimento: gli impianti del primo '900

tratto da E. Fleck, Martin Gmbh

tratto da Søren Dalager,Rambøll, Denmark

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Moderno impiantodi termoutilizzazione

VIENNA

PARIGI

BRESCIA

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Il trattamento termico dei rifiuti.

Motivazioni:sterilizzazioneriduzione volume (10-30 volte)inertizzazione dei residui a discaricarecupero di energiariduzione impatto del ciclo di vita(sostituzione centrali termoelettriche)

L'importanza del recupero di energia é andata via via aumentando con l'aumento del Potere Calorifico del rifiuto: dalle 700-900 kcal/kg di inizio secolo si éarrivati oggi a 2200-2800 kcal/kgRUR

IncenerimentoIncenerimento

TermoTermo--utilizzazioneutilizzazione

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Il moderno termoutilizzatore.

secondaryair

primaryair

MSW

to stack

grate combustorwith integrated boiler

flue gas treatment

vapour tosec. airash

flue gas recirc.

deaerator

steam turbine

Ciclo termico

I moderni termoutilizzatorisono CENTRALI TERMO-ELETTRICHE alimentate con il particolare “combustibile rifiuto”

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L’approccio moderno: le quattro "R"

BENEFICIrisparmio di risorse attraversoil recupero di:- materiali- energia

PROBLEMI- adeguata gestione del sistema- emissioni- costi

discarica di servizio

(residui INERTI)

Riutilizzo

Riciclaggio

Recupero energetico

Riduzione

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La combustione dei rifiuti.La combustione consiste nella

ossidazione degli atomi che costitui-scono il rifiuto – principalmente C e H –per generare composti completamente ossidati – principalmente CO2 e H2O.

RURatomi C, H, O, N, S, Cl, F, Br, etc.

ariaO2 + N2

prodotti di combustioneCO2, H2O, N2, O2 + CO, SO2 NOx, HCl, HF, HBr, metalli,

diossine, etc.

scorieCa, Mg, Si, P, Fe, Al, metalli, etc.

Essendo le reazionidi ossidazioneesotermiche, questo processogenera notevoliquantità di calore

CALORE(potere calorifico)

Elettricità

Ambiente

Ambiente

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La risorsa rifiutiNei Paesi industrializzati si producono 1-2,5 kg per abitante per giorno di RSU, ovvero 400-900 kg per abitante per anno

Supponiamo che a valle della Raccolta Differenziata restino 250-600 kg/ab-anno di RUR (Rifiuto Urbano Residuo) con PCI = 10 MJ/kgRUR

L’energia liberabile da questo RUR equivale a 70-150 kg di petrolio equivalente per abitante per annoNei Paesi industrializzati il consumo totale di energia primaria è di 3.000-6.000 kg di petrolio equivalente per abitante per anno (3-6 Tep/ab-anno)

CONCLUSIONE: RSU potreb-bero coprire il 2-3% dei con-sumi totali di energia primaria. Per i soli impianti fissi questa percentuale sale al 3-5%. Se si aggiungono i rifiuti speciali, si arriva quasi al 10%

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.

Le tecnologie di combustione

17


Il combustore a griglia.

18


Integrazione griglia-caldaia.

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Controllo della combustione

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Controllo della combustione

Profilo di temperatura ottenibile con l'ottimizzazione della iniezione di aria

Height

Temperature850°C 950°C

Temperature Profile

Average temperature 900°C

Lambda value0,50

0,65

0,75

0,85

1,15NOx removal and Quintary air

Air injection

Tertiary air

Quartary air

Sekundary air

Primary air

Cortesia grafica diIng. Reinhard Schu

21


.

La produzione di energia

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Ciclo a vapore integrato

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Rendimento: l'importanza delle dimensioni

0 100 200 300 400 500 600 700 80016

18

20

22

24

26

28

30

32

capacità di trattamento RUR, 1000 t/y

ren

dim

ento

ele

ttri

co, %

0 39 77 116 154 193 231 270 309

500

556

611

667

722

778

833

889

potenza di combustione, MWt

elet

tric

ità

net

ta, k

Wh

pe

r to

nn

di R

UR

parametri conservativi PCI

10 MJ/kg

parametri avanzati

realtà industriale

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Soluzioni innovative per l'aumento del rendimento

Impianto di Amsterdam: rendimento lordo > 34%rendimento netto > 30%

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L'importanza del rendimento per l'Ambiente: emissioni di gas serra

5% 10% 15% 20% 25% 30%0

100

200

300

400

500

600

700

800

900

1000

kg C

O2e

q p

er t

on

di R

UR

Rendimento elettrico netto del Termo-utilizzatore

Emissioni evitate

Trasporto

Inertizz. ceneri

Reagenti

Costruz. impiantoCombustione RUR

Emissioni aggiunteRecupero AlRecupero Fe

Centrale elettricaCiclo combustibile

Discarica evitata

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Bilancio Ambientale

Indicatore di Tossicitàumana

-200

-175

-150

-125

-100

-75

-50

-25

0

25

kg

1,4

-D

CB

eq

. pe

r to

n d

i R

UR

grande TUsolo elettr.

piccolo TUcogenerazione

grande TU cogenerazione

Discarica

Scenario 2 (Ciclo Combinato a gas)

Scenario 3 (Ciclo a vapore a carbone)

Scenario 1 (Ciclo a vapore, 50% gas + 50% olio)

Beneficio per l'Ambiente

Danno per l'Ambiente

Termoutilizzatori

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.

Il controllo delle emissioni

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Trattamento fumi

a secco + filtro a maniche

filtro a maniche + umido

Complesso di processi chimico-fisici che:• convertono e rimuovono specie inquinanti• rimuovono polveri

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Tendenze nella depurazioneSecco con NaHCO3 (SOLVAY “Bicar”) + doppia filtrazione

BICARBONATO CARBONE ATTIVO

CENERI DA FILTRO A MANICHE

SCR

ATORE OLO

MI

ELETTROFILTRO

ESTRAZIONE CONDENSATO

SCORIE

FILTRO A MANICHE

VENTILATOREPRINCIPALE

BICARBONATO CARBONE ATTIVO

CENERI DA FILTRO A MANICHE

SCR

ATORE OLO

MI

ELETTROFILTRO

ESTRAZIONE CONDENSATO

SCORIE

FILTRO A MANICHE

VENTILATOREPRINCIPALE

CENERI VOLANTI

RESIDUI ASSORBIMENTO

REATTORE NH3

Cortesia grafica di prof. S. Cernuschi

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Scorie di combustione

Residui depurazione fumi (PSR)

Soluzione ammoniacale

Bicarbonato e Carboni Attivi

Urea

Ventilatore

Camino

Fumi depurati

Ceneri volanti

Reattore catalitico

SCR

Reattore2 Filtro a maniche2Generatore di vaporeForno Reattore1 Filtro a maniche1

Calce e Carboni Attivi

RIFIUTI

Gli impianti Hera: doppio reattore a secco + filtro a maniche

Al TLR

Dal TLR

Condensazione ► CaldaiaTurbina

Utenze

energia elettrica

energia termica

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Controllo delle emissioni

anni 60-70 anni 80 anni 90 anni 00

Polveri mg/Nm3 300-1000 50-300 5-20 0,05-3

HCl mg/Nm3 1000 50 20-30 2-10

SOx mg/Nm3 600 300 50-100 0,1-2

NOx mg/Nm3 500 500 200-300 30-150

Hg, Cd mg/Nm3 0,5 0,1 0,08-0,1 0,001-0,005

Metalli pesanti mg/Nm3 50 5 3-5 0,02-0,2

Diossine ngTEQ/Nm3 10-60 0,1-10 0,05-0,1 0,001-0,01

rapporto ~ 1: 1.000

rapporto ~ 1: 5.000

con doppio stadio a secco Hera:

0,1-1 mg/Nm3

32


113

0,00352

7570

0,005100,00428

0,001

0,01

0,1

1

10

100

1000

Sito 1 Sito 2 Sito 3

I-T

EQ

(fg

/m3)

Valori misurati Contributo impianto

Diossine: contributi ai valori di fondo nell'area di un grande inceneritore

rapporto1: 16350

Cortesia grafica diprof. Michele Giugliano

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Ultrafini < 0,1 μm

Nanoparticelle < 0,05 μm

Traslocazione in organi extrapolmonari (?)

Organi interessati dal PM fine e ultrafine

LA QUESTIONE DELLE NANOPARTICELLE

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Particolato Fine/Ultrafine

Filtri a tessutoFiltri a tessuto

Effic

ienza

(%

)

99

99,2

99,4

99,6

99,8

100

(µm)

Etot = 99,94 %E min (0,1 - 1 µm) = 99,4 - 99,6 %

PU, NP PF

Fonte: Yi et al., in stampa

Cortesia grafica di prof. S. Cernuschi

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Bilancio Sostenibilità Hera 2008 – S. Consonni, 21.05.2009 35

Campionamenti particelle ultra-finiMisure di Polveri Ultrafini sull'impianto Hera del Frullo (Bologna)

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Particelle ultrafini in emissioni ed in aria ambiente

~ 3.000 - 70.000Combustione ben controllata di rifiuti

~ 40.000.000Combustione ben controllata di legnaMotori Diesel

Numero particelleultrafini per cm3Emissione

100.000 - 200.000Strade con grande traffico

10.000 - 100.000Ambiente urbano

100 - 1.000Ambienti rurali ed oceanici

Numero particelleultrafini per cm3Aria ambiente

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In definitiva.● I moderni termoutilizzatori sono sofisticati impianti

termo-elettrici molto diversi dagli inceneritori realizzati fino agli anni 60-70.

● La termoutilizzazione può contribuire in modo significativo al bilancio energetico nazionale

● La tendenza per il trattamento fumi, specie in Italia, éper l'assorbimento a secco + filtro a maniche, eventualmente in doppi

● Le emissioni sono talmente ridotte che é difficile apprezzarne il contributo all'inquinamento atmosferico

● L'impatto ambientale risulta ampiamente positivo per tutti gli indicatori

Abbiamo certamente i mezzi e le capacità per dominare il problema rifiuti con una coordinata strategia di RECUPERO DI MATERIA e RECUPERO DI ENERGIA

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Grazie dell’attenzione !

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