Gruppo Hera Bilancio di Sostenibilità 2008 L’evoluzione ... · cogenerazione grande TU...
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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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Bilancio Sostenibilità Hera 2008 – S. Consonni, 21.05.2009
I rifiuti POSSONO ESSERE un grande problema
Cortesia grafica diprof. Raffaello Cossu
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Soluzione BANANA ?
BBuilduildAAbsolutelybsolutelyNNothingothingAAnywherenywhereNNearearAAnybodynybody
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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
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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
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Realtà industrialee
Realtà Fisicadella termo-utilizzazione
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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
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Il combustore a griglia.
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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
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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
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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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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 !