waste-to-energy la trasformazione di rifiuti in energia elettricità e calore a basso impatto...

WASTE-TO-ENERGY

La Trasformazione di Rifiuti in Energia

Elettricità e calore

a basso impatto ambientale

Dr. Ing. Stephen McPhail

stephen.mcphail@enea.it

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

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

Sistema energetico

futuro

Sicurezza, accessibilità alle

risorse

Distribuzione equa

Integrità ambientale

La missione energetica globale

Competitività economica

…

Popolazione mondiale, 1950-2050

La missione energetica globale

MBDOE: Million of Barrels per Day; 1MBDOE = 50 Million ton/year

By Area

By Source By Sector

Fonte: Exxon Mobil

Le risorse energetiche

Le risorse energetichePicco di produzione del petrolio

www.bp.com/statisticalreview

Le risorse energetichePrezzo del petrolio 1861-2008

FotosintesiFotosintesi

IdroelettricoIdroelettrico

EolicoEolico

CarboneCarbone

UranioUranio

GasGas

PetrolioPetrolio

Consumo mondiale annualeConsumo mondiale annuale

Ris

ors

e en

erg

etic

he

tota

liR

iso

rse

ener

get

ich

e to

tali

En

erg

ia s

ola

re

ann

ual

eE

ner

gia

so

lare

an

nu

ale

Le risorse energetiche

O2

H2Conversione in Energia + H2O

StoccaggioH2

Elettrolisi

Idealmente…

FotosintesiFotosintesi

IdroelettricoIdroelettrico

EolicoEolico

CarboneCarbone

UranioUranio

GasGas

PetrolioPetrolio

Consumo mondiale annualeConsumo mondiale annuale

Ris

ors

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erg

etic

he

tota

liR

iso

rse

ener

get

ich

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tali

En

erg

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ola

re

ann

ual

eE

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gia

so

lare

an

nu

ale

Le risorse energetiche

Realmente…

E’ una questione di

CONCENTRAZIONE

Risorse energetiche Rinnovabili sono DILUITE

Fonte primaria

Raffinamento

Conversione

Utilizzo

Sist

ema

cent

raliz

zato

La generazione distribuita

Trasferimento

Sistema centralizzato

- Grosse quantità, grosse perdite

- Flusso unidirezionale

- Equilibrio precario

Fonte primaria

Raffinamento

Conversione

Utilizzo

Sist

ema

cent

raliz

zato

La generazione distribuita

Trasferimento

Sistema centralizzato

- Grosse quantità, grosse perdite

- Flusso unidirezionale

- Equilibrio precario

Fonte primaria

Raffinamento

Conversione

Utilizzo

Sist

ema

cent

raliz

zato

La generazione distribuita

Trasferimento

Sistema centralizzato

- Grosse quantità, grosse perdite

- Flusso unidirezionale

- Equilibrio precario

La generazione distribuita

Fonte primaria

Raffinamento

Conversione

Utilizzo

Sist

ema

cent

raliz

zato

Trasferimento

Sistema distribuito

La generazione distribuita

- Fonti e produttività locali

- Piccole quantità, grossa efficienza

- Flusso reticolato

- Equilibrio diffuso

Sistema distribuito

Efficienza

32%

Efficienza

35%

La generazione distribuita

Efficienza

finale

4%perdita65%

perdita8%

perdita87%Si

stem

a ce

ntra

lizza

to

Efficienza

45%

Efficienza

32%

Efficienza

35%

La generazione distribuita

Efficienza

finale

4%perdita65%

perdita8%

perdita87%Si

stem

a ce

ntra

lizza

to

perdita55%

Efficienza

finale

30%

Sistema distribuito

perdita35%

La generazione distribuita

Impianto di produzione H2

Celle a combustibile

HH22

Gas naturale

Stazione di servizio

Giacimento esaurito Acquifero salino

Centrale elettrica

COCO22

HH22

Solare termico

Impianto eolico

Biomasse

Impianto fotovoltaico

Idroelettrico

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 RIDOTTOSpreco deve essere BASSO

RIFIUTI

BIOMASSA

Rifiuti Solidi Urbani (RSU)

Rifiuti industriali e scarti di

produzione

Acque reflue e fanghi di

depurazioneOlii, grassi e deiezioni animali

Scarti agroforestali

Colture energetiche dedicate

Scarti industria chimica & raffinerie

Scarti ospedalieri e

farmaceutici

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

CO2 + H2O C6H12O6 + O2

Agroindustria Aziende CapiDeiezioni/

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 ImpiantiAbitanti

equivalentiSostanza secca

Fanghi da depurazione

5670 59 milioni 2,6 x 106 t/a

Rifiuti Abitanti ProduzioneFrazione organica

Rifiuti Solidi Urbani

59 milioni 32,5 x 106 t/a 1,4 x 106 t/a*

7,2 x 106 t/a°

* Da raccolta differenziata° Da raccolta indifferenziata

Biomasse in Italia

WASTE-TO-ENERGY

Catena: biomasse/rifiuti tecnologie di conversione prodotti e applicazioni

Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

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

Conversione in combustibile

Conver-sione

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

Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

DIGESTIONEANAEROBICA

(BIOGAS)

Decomposizione di composti organici tramite batteri selezionati

T: 30-70°CResa: 0,2-0,5 m3/kgSV

Gas prodotto :

CH4 50-70%CO2 30-40%H2 0-1%N2 0-10%

GASSIFICAZIONE (SYNGAS)

Decomposizione termica di composti lignocellulosici e volatilizzazione

T: 700-1200°CResa: 2-6 Nm3/kg

Gas prodotto:Agente: Aria Vapore

CH4 1-5% 1-10%CO2 10-20% 10-20%H2 10-20% 30-50%CO 10-20% 25-45%N2 50-60% ~0

DISCARICA

Fermentazione anaerobica di frazioni organiche

T: 20-30°CResa: variabile

Gas prodotto:

CH4 40-45%CO2 35-40%N2 10-20%

Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

DISCARICADIGESTIONE

ANAEROBICA GASSIFICAZIONE

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

Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti

DISCARICADIGESTIONE

ANAEROBICA GASSIFICAZIONE

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)

DIGESTIONEANAEROBICA

* Da raccolta differenziata° Da raccolta indifferenziata

Biomasse in Italia

Agroindustria Aziende CapiDeiezioni/

scartiBIOGAS

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 ImpiantiAbitanti

equivalentiSostanza secca

Fanghi da depurazione

5670 59 milioni 2,6 x 106 t/a 514

Rifiuti Abitanti ProduzioneFrazione organica

Rifiuti Solidi Urbani

59 milioni 32,5 x 106 t/a 1,4 x 106 t/a* 0,2

7,2 x 106 t/a° 1,2

(Elaborazione dati ISTAT, IZS per la bioindustria)

Potenziale teorico di biogas

Principio del sistema

biomasse/rifiuti conversione elettricità e calore

(CHP, Combined Heat & Power)

RisorsaConver-

sioneCombu-stibile

Condizio-namento

Combusti-bile pulito CH

P

Conversione ad alta efficienza

Quale sistema CHP?

CHP

Conversione ad alta efficienza

Energia chimica Conversione

Termica

Work

qperd

CO2 CO NOx SOx PM

qperd qperd

H2O (CO2)

FUEL CELL

SISTEMA CONVENZIONALE

Conversione ad alta efficienza

Anodo H2 + O– → H2O + e–

Catodo 1/2 O2 + e– → O–

Corrente elettrica

Cella a combustibile

Anodo H2 + CO3

= → H2O + CO2 + 2e–

Catodo 1/2 O2 + CO2 + 2e– → CO3

=

• Tollerante al Carbonio• Agisce da separatore CO2

• Basse densità corrente

Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC)

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

Calore alta T

Principio del sistema

biomasse/rifiuti conversione elettricità e calore

(CHP, Combined Heat & Power)

Condizio-namentoRisorsa

Conver-sione

Combu-stibile

Combusti-bile pulito CH

P

Conversione ad alta efficienza

Pulizia e condizionamento del gas

Condizio-namento

Conversione ad alta efficienza

Requisiti di purezza del combustibile

Conversione ad alta efficienza

Contaminant FC

Tolerance

Effects Cleaning method

Sulphides:H2S, COS, CS2

0.5-1 ppmElectrode 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 bicarbonateActivated carbon

Siloxanes:HDMS, D5

10-100 ppm Silicate deposits Ice absorption (T = -30°C)Graphite sieves

NH3 1% Reaction w electrolyte to form NOx

(Fuel at low conc.)

Catalytic crackingBag filter as NH4Cl

Particulates 10-100 ppm Deposition, plugging Cyclone + bag/ceramic filterElectrostatic precipitator

Tars 2000 ppm C deposition Catalytic cracking T > 1000°C

Heavy metals:As, Pb, Zn, Cd, Hg

1-20 ppm DepositionReaction w electrolyte

Bag/ceramic filterElectrostatic precipitator

Reazione di Reforming:

Impianti integrati

ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe

2000 cows Digester Volume m3 1.980

Biogas Production m3/y 657.000160 ICE117 GT243 MCFC

Power kWe

Anaerobic Digestion 500 €/m3

ICE 900GT 1.300 €/kW

MCFC 4.500

Investment cost

Net Present Value

(life plant: 20 years)

Pay Back Time

AD +ICE 1,13AD + GT 1,14 mil €

AD + MCFC 1,35

with Green Certificates MCI TAG MCFCNPV [mil €] 3 2,7 4,7

PBT [y] 4 5 5

without Green Certificates MCI TAG MCFCNPV [mil €] 1,1 1,4 1,8

PBT [y] 10 9 11

ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe

2000 cows Digester Volume m3 1.980

Biogas Production m3/y 657.000160 ICE117 GT243 MCFC

Power kWe

Cost of electrical power €/kWh

€/kW

h

0,093

0,123

0,09 0,093

0,123

0,093

0,123

0,0710,053

MCFC

Elettricità

Calore 400°C

Calore 50°C

Recupero CO2

Pre-trattamento

Coltivazione

In serra

High Value Food

Fertilizzante

Condizionamento

Biogas

Ris

ors

a

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

viviana.cigolotti@enea.itstephen.mcphail@enea.itangelo.moreno@enea.it