WASTE-TO-ENERGY La Trasformazione di Rifiuti in Energia

1. WASTE-TO-ENERGYLa Trasformazione di Rifiuti in Energia Elettricità e calore a basso impatto ambientale Dr. Ing. Stephen McPhail stephen.mcphail@enea.it

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. La missione energetica globale 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

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

5. La missione energetica globale Popolazione mondiale, 1950-2050

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

7. Le risorse energetiche Picco di produzione del petrolio

8. Le risorse energetiche Prezzo del petrolio 1861-2008 www.bp.com/statisticalreview

9. O2 Elettrolisi Conversione in Energia + H2O H2 Stoccaggio H2 Le risorse energetiche Consumo mondiale annuale Petrolio Idealmente… Gas Risorse energetiche totali Uranio Carbone Eolico Idroelettrico Energia solare annuale Fotosintesi

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

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

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

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

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

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

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

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

18. La generazione distribuita

19. Idroelettrico Solare termico Impianto eolico Biomasse Impianto fotovoltaico Centrale elettrica Impianto di produzione H2 H2 H2 CO2 Celle a combustibile Stazione di servizio Gas naturale Giacimento esaurito Acquifero salino

20. Un’altra considerazione… Emissioni di CO2

21. Dai rifiuti all’energia, dallo spreco all’efficienza Risorse energetiche Rinnovabili sono DILUITE Efficienza nella conversione deve essere ALTA per ottenerequantitativiutili di energia Consumo deve essere RIDOTTO Spreco deve essere BASSO

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

23. Biomasse BIOMASSA Sostanza organica di origine biologica – non fossile. Essendo derivata dalla fotosintesi, è accumulo di energia solare e quindi fonte rinnovabile CO2 + H2O  C6H12O6 + O2 Source: Biomass: Green Energy for Europe - EC

24. Biomasse in Italia * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata

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

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

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

28. Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti • GASSIFICAZIONE (SYNGAS) • Rifiutisolidiurbani • Residuichimici, farmaceutici • Residuilegnosi • Sottoprodottiindustria del legno e dellacarta • DIGESTIONE ANAEROBICA (BIOGAS) • Refluizootecnici • Fanghicivili • Residuiagricoli • Frazioneorganica RSU • Sottoprodottiindustriaalimentare • DISCARICA • Rifiuti solidi urbani

29. Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti GASSIFICAZIONE (SYNGAS) Decomposizionetermicadicompostilignocellulosici e volatilizzazione T: 700-1200°CResa: 2-6 Nm3/kg Gas prodotto:Agente: AriaVaporeCH4 1-5% 1-10%CO2 10-20% 10-20%H2 10-20% 30-50%CO 10-20% 25-45%N2 50-60% ~0 DIGESTIONEANAEROBICA (BIOGAS) Decomposizionedicompostiorganicitramitebatteriselezionati T: 30-70°CResa: 0,2-0,5 m3/kgSV Gas prodotto :CH4 50-70%CO2 30-40%H2 0-1%N2 0-10% DISCARICA Fermentazione anaerobica di frazioni organiche T: 20-30°CResa: variabile Gas prodotto:CH4 40-45%CO2 35-40%N2 10-20%

30. Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti GASSIFICAZIONE DIGESTIONEANAEROBICA DISCARICA

31. Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti GASSIFICAZIONE DIGESTIONEANAEROBICA DISCARICA 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

32. Tecnologie di valorizzazione dei rifiuti DIGESTIONEANAEROBICA 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)

33. Biomasse in Italia Potenziale teorico di biogas * Da raccolta differenziata ° Da raccolta indifferenziata (Elaborazione dati ISTAT, IZS per la bioindustria)

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

36. Conversione ad alta efficienza Quale sistema CHP? CHP

37. Energia chimica qperd CO2 CO NOx SOx PM qperd Conversione Termica Conversione Work qperd H2O (CO2) Elettrochimica Conversione ad alta efficienza FUEL CELL SISTEMA CONVENZIONALE

38. Cella a combustibile Anodo H2 + O– → H2O + e– Catodo 1/2 O2 + e– → O– Corrente elettrica

39. Cella a combustibile a carbonati fusi (MCFC) Anodo H2 + CO3= → H2O + CO2 + 2e– Catodo 1/2 O2 + CO2 + 2e– → CO3= • Tollerante al Carbonio • Agisce da separatore CO2 • Basse densità corrente

40. Calore alta T 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

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

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

43. Conversione ad alta efficienza Requisiti di purezza del combustibile 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. 0,123 0,123 0,123 0,093 0,09 0,093 0,093 0,071 €/kWh 0,053 ECONOMICAL ANALYSIS referred to Europe 2000 cows Cost of electrical power €/kWh

47. Calore 400°C Elettricità Biogas MCFC High Value Food Coltivazione In serra Fertilizzante Risorsa Calore 50°C Condizionamento Pre-trattamento Recupero CO2

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 (fuelcells) • 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 viviana.cigolotti@enea.it stephen.mcphail@enea.it angelo.moreno@enea.it