waste-to-energy la trasformazione di rifiuti in energia elettricità e calore a basso impatto...
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WASTE-TO-ENERGY
La Trasformazione di Rifiuti in Energia
Elettricità e calore
a basso impatto ambientale
Dr. Ing. Stephen McPhail
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
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liR
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ener
get
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Le risorse energetiche
O2
H2Conversione in Energia + H2O
StoccaggioH2
Elettrolisi
Idealmente…
FotosintesiFotosintesi
IdroelettricoIdroelettrico
EolicoEolico
CarboneCarbone
UranioUranio
GasGas
PetrolioPetrolio
Consumo mondiale annualeConsumo mondiale annuale
Ris
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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