Termovalorizzazione - Waste-to-energy

L'impianto di incenerimento di Spittelau è uno dei numerosi impianti che forniscono il teleriscaldamento a Vienna .

La termovalorizzazione (WtE) o energia dai rifiuti (EfW) è il processo di generazione di energia sotto forma di elettricità e/o calore dal trattamento primario dei rifiuti o dal trattamento dei rifiuti in una fonte di combustibile. Il WtE è una forma di recupero energetico . La maggior parte dei processi WtE genera elettricità e/o calore direttamente attraverso la combustione o produce un combustibile combustibile, come metano , metanolo , etanolo o combustibili sintetici .

Storia

Il primo inceneritore o "Destructor" fu costruito a Nottingham nel Regno Unito nel 1874 da Manlove, Alliott & Co. Ltd. su progetto di Alfred Fryer.

Il primo inceneritore degli Stati Uniti è stato costruito nel 1885 a Governors Island a New York, New York .

Il primo inceneritore di rifiuti in Danimarca è stato costruito nel 1903 a Frederiksberg .

La prima struttura nella Repubblica Ceca è stata costruita nel 1905 a Brno .

I processi di gassificazione e pirolisi sono conosciuti e utilizzati da secoli e per il carbone già dal XVIII secolo... efficiente recupero energetico. (2004)

metodi

Incenerimento

Articolo principale: Incenerimento

L'incenerimento, la combustione di materiale organico come i rifiuti con recupero di energia, è l'implementazione WtE più comune. Tutti i nuovi impianti WtE nei paesi OCSE che inceneriscano rifiuti ( RSU residuali , commerciali, industriali o CDR ) devono soddisfare rigidi standard di emissione, compresi quelli sugli ossidi di azoto (NO x ), anidride solforosa (SO 2 ), metalli pesanti e diossine . Pertanto, i moderni impianti di incenerimento sono molto diversi dai vecchi tipi, alcuni dei quali non recuperano né energia né materiali. I moderni inceneritori riducono il volume dei rifiuti originali del 95-96 percento, a seconda della composizione e del grado di recupero di materiali come i metalli dalle ceneri per il riciclaggio.

Gli inceneritori possono emettere particolato fine , metalli pesanti, tracce di diossina e gas acidi , anche se queste emissioni sono relativamente basse dai moderni inceneritori. Altre preoccupazioni includono la corretta gestione dei residui: ceneri volanti tossiche , che devono essere gestite in un impianto di smaltimento di rifiuti pericolosi, nonché ceneri pesanti dell'inceneritore (IBA), che devono essere riutilizzate correttamente.

I critici sostengono che gli inceneritori distruggono risorse preziose e possono ridurre gli incentivi per il riciclaggio. La questione, tuttavia, è aperta, poiché i paesi europei che riciclano di più (fino al 70%) inceneriscono anche per evitare le discariche .

Gli inceneritori hanno un rendimento elettrico del 14-28%. Per evitare di perdere il resto dell'energia, può essere utilizzato per esempio per il teleriscaldamento ( cogenerazione ). Le efficienze totali degli inceneritori di cogenerazione sono tipicamente superiori all'80% (in base al potere calorifico inferiore dei rifiuti).

Il metodo di incenerimento per convertire i rifiuti solidi urbani (RSU) è un metodo relativamente vecchio di generazione di WtE. L'incenerimento comporta generalmente la combustione di rifiuti (RSU residui, commerciali, industriali e CDR) per far bollire l'acqua che alimenta i generatori di vapore che generano energia elettrica e calore da utilizzare in abitazioni, aziende, istituzioni e industrie. Un problema associato è la possibilità che gli inquinanti entrino nell'atmosfera con i gas di scarico della caldaia. Questi inquinanti possono essere acidi e negli anni '80 è stato segnalato che causano il degrado ambientale trasformando la pioggia in pioggia acida . I moderni inceneritori incorporano camere di combustione primarie e secondarie accuratamente progettate e bruciatori controllati progettati per bruciare completamente con le più basse emissioni possibili, eliminando, in alcuni casi, la necessità di abbattitori di calcare e precipitatori elettrostatici sulle ciminiere.

Facendo passare il fumo attraverso gli abbattitori di calce basici, eventuali acidi che potrebbero essere nel fumo vengono neutralizzati, impedendo all'acido di raggiungere l'atmosfera e danneggiare l'ambiente. Molti altri dispositivi, come filtri in tessuto, reattori e catalizzatori, distruggono o catturano altri inquinanti regolamentati. Secondo il New York Times, i moderni impianti di incenerimento sono così puliti che "molte volte più diossina viene rilasciata dai caminetti domestici e dai barbecue sul retro che dall'incenerimento". Secondo il ministero dell'Ambiente tedesco, "a causa di normative rigorose, gli impianti di incenerimento dei rifiuti sono non più significative in termini di emissioni di diossine, polveri e metalli pesanti”.

Rispetto ad altre tecnologie di termovalorizzazione, l'incenerimento sembra essere il più attraente grazie alla sua maggiore efficienza di produzione di energia, ai minori costi di investimento e ai minori tassi di emissione. Inoltre, l'incenerimento produce la più alta quantità di elettricità con la più alta capacità di ridurre il cumulo di rifiuti nelle discariche attraverso la combustione diretta.

Carburante dalla plastica

Mira a risolvere i principali problemi ambientali, in particolare l' inquinamento causato dall'accumulo di rifiuti di plastica e la necessità di una fonte di carburante alternativa. Il processo utilizzato per convertire la plastica in carburante è la pirolisi . È la decomposizione termica di materiali a temperature molto elevate in un'atmosfera inerte. Implica il cambiamento della composizione chimica ed è utilizzato principalmente per il trattamento di materiali organici. Nella produzione su larga scala, i rifiuti di plastica vengono macinati e inviati all'alimentazione del fuso e quindi avviene il processo di pirolisi, i convertitori catalitici aiutano nel processo e avviene il riarrangiamento molecolare dei polimeri , i vapori vengono condensati con olio o carburante e accumulati nella sedimentazione serbatoi e filtrato, il carburante si ottiene dopo omogeneizzazione e può essere utilizzato per automobili e macchinari. È comunemente definito come termocombustibile o energia dalla plastica.

Altro

Esistono numerose altre tecnologie nuove ed emergenti in grado di produrre energia dai rifiuti e da altri combustibili senza combustione diretta. Molte di queste tecnologie hanno il potenziale per produrre più energia elettrica dalla stessa quantità di carburante di quanto sarebbe possibile con la combustione diretta. Ciò è dovuto principalmente alla separazione dei componenti corrosivi (ceneri) dal combustibile convertito, consentendo così temperature di combustione più elevate ad esempio in caldaie , turbine a gas , motori a combustione interna , celle a combustibile . Alcuni sono in grado di convertire efficacemente l'energia in combustibili liquidi o gassosi:

Impianto di pirolisi

Tecnologie di trattamento termico :

Raccolta di gas di discarica

Tecnologie non termiche:

Sviluppi globali

Nel periodo 2001-2007, la capacità di termovalorizzazione è aumentata di circa quattro milioni di tonnellate all'anno. Giappone e Cina costruirono ciascuno diversi impianti basati sulla fusione diretta o sulla combustione a letto fluido di rifiuti solidi. In Cina ci sono circa 434 termovalorizzatori all'inizio del 2016. Il Giappone è il più grande utilizzatore di trattamento termico dei rifiuti solidi urbani al mondo, con 40 milioni di tonnellate. Alcuni degli impianti più recenti utilizzano la tecnologia Stoker e altri utilizzano la tecnologia avanzata di arricchimento dell'ossigeno. Esistono diversi impianti di trattamento in tutto il mondo che utilizzano processi relativamente nuovi come la fusione diretta, il processo di fluidificazione Ebara e il processo tecnologico di gassificazione e fusione Thermoselect JFE. A giugno 2014, l'Indonesia disponeva di una capacità installata di termovalorizzazione complessiva di 93,5 MW, con una pipeline di progetti in diverse fasi di preparazione complessivamente pari a ulteriori 373 MW di capacità.

Biofuel Energy Corporation di Denver, CO, ha aperto due nuovi impianti di biocarburanti a Wood River, Nebraska e Fairmont, Minnesota , nel luglio 2008. Questi impianti utilizzano la distillazione per produrre etanolo da utilizzare nei veicoli a motore e in altri motori. Entrambi gli impianti sono attualmente segnalati per funzionare a una capacità superiore al 90%. Fulcrum BioEnergy, con sede a Pleasanton, California , sta costruendo un impianto WtE vicino a Reno, NV . L'impianto è previsto per l'apertura nel 2019 con il nome di impianto Sierra BioFuels. BioEnergy incorporato prevede che l'impianto produrrà circa 10,5 milioni di galloni all'anno di etanolo da quasi 200.000 tonnellate all'anno di RSU.

La tecnologia dei rifiuti in energia include la fermentazione , che può prendere biomassa e creare etanolo , utilizzando rifiuti cellulosici o materiale organico. Nel processo di fermentazione, lo zucchero nei rifiuti viene convertito in anidride carbonica e alcol, nello stesso processo generale utilizzato per produrre il vino. Normalmente la fermentazione avviene in assenza di aria. L'esterificazione può essere effettuata anche utilizzando tecnologie di termovalorizzazione e il risultato di questo processo è il biodiesel. L'efficacia in termini di costi dell'esterificazione dipenderà dalla materia prima utilizzata e da tutti gli altri fattori rilevanti come la distanza di trasporto, la quantità di olio presente nella materia prima e altri. La gassificazione e la pirolisi possono ormai raggiungere efficienze lorde di conversione termica (combustibile in gas) fino al 75%, tuttavia una combustione completa è superiore in termini di efficienza di conversione del combustibile. Alcuni processi di pirolisi necessitano di una fonte di calore esterna che può essere fornita dal processo di gassificazione, rendendo il processo combinato autosufficiente.

Emissioni di diossido di carbonio

Nelle tecnologie termiche WtE, quasi tutto il carbonio contenuto nei rifiuti viene emesso sotto forma di anidride carbonica ( CO
2) nell'atmosfera (quando si include la combustione finale dei prodotti della pirolisi e della gassificazione; tranne quando si produce biochar per fertilizzante). I rifiuti solidi urbani (RSU) contengono approssimativamente la stessa frazione di massa di carbonio della CO
2stesso (27%), quindi il trattamento di 1 tonnellata (1,1 tonnellate corte) di RSU produce circa 1 tonnellata (1,1 tonnellate corte) di CO
2.

Nel caso in cui i rifiuti venissero conferiti in discarica , 1 tonnellata (1,1 tonnellate corte) di RSU produrrebbe circa 62 metri cubi (2.200 piedi cubi) di metano attraverso la decomposizione anaerobica della parte biodegradabile dei rifiuti. Questa quantità di metano ha più del doppio del potenziale di riscaldamento globale rispetto a 1 tonnellata (1,1 tonnellate corte) di CO
2, che sarebbe stato prodotto dalla combustione. In alcuni paesi vengono raccolte grandi quantità di gas di discarica . Tuttavia, esiste ancora il potenziale di riscaldamento globale del gas di discarica emesso nell'atmosfera. Ad esempio, negli Stati Uniti nel 1999 l'emissione di gas di discarica era di circa il 32% superiore alla quantità di CO
2 che sarebbe stato emesso dalla combustione.

Inoltre, quasi tutti i rifiuti biodegradabili sono biomassa . Cioè, ha origine biologica. Questo materiale è stato formato da piante che utilizzano CO . atmosferica
2in genere durante l'ultima stagione di crescita. Se queste piante ricrescono la CO
2 emessi dalla loro combustione verranno nuovamente eliminati dall'atmosfera.

Tali considerazioni sono la ragione principale per cui diversi paesi amministrano WtE della parte biomassa dei rifiuti come energia rinnovabile . Il resto, principalmente plastica e altri prodotti derivati ​​da petrolio e gas, è generalmente trattato come non rinnovabile .

Determinazione della frazione di biomassa

I RSU sono in larga misura di origine biologica (biogenica), ad esempio carta, cartone, legno, stoffa, avanzi di cibo. In genere la metà del contenuto energetico nei rifiuti solidi urbani proviene da materiale biogenico. Di conseguenza, questa energia è spesso riconosciuta come energia rinnovabile in base ai rifiuti immessi.

Diversi metodi sono stati sviluppati dal gruppo di lavoro europeo CEN 343 per determinare la frazione di biomassa dei combustibili di scarto, come il combustibile derivato dai rifiuti / combustibile solido recuperato. I primi due metodi sviluppati (CEN/TS 15440) erano il metodo di smistamento manuale e il metodo di dissoluzione selettiva . Un confronto sistematico dettagliato di questi due metodi è stato pubblicato nel 2010. Poiché ciascun metodo soffriva di limitazioni nella caratterizzazione corretta della frazione di biomassa, sono stati sviluppati due metodi alternativi.

Il primo metodo utilizza i principi della datazione al radiocarbonio . Nel 2007 è stata pubblicata una revisione tecnica (CEN/TR 15591:2007) che delinea il metodo del carbonio 14. Nel 2008 è stata pubblicata una norma tecnica del metodo di datazione al carbonio (CEN/TS 15747:2008). Negli Stati Uniti esiste già un metodo equivalente al carbonio 14 secondo il metodo standard ASTM D6866.

Il secondo metodo (cosiddetto metodo del bilancio ) utilizza i dati esistenti sulla composizione dei materiali e sulle condizioni operative dell'impianto WtE e calcola il risultato più probabile sulla base di un modello matematico-statistico. Attualmente il metodo dell'equilibrio è installato in tre inceneritori austriaci e otto danesi.

Un confronto tra i due metodi effettuato presso tre inceneritori a grandezza naturale in Svizzera ha mostrato che entrambi i metodi hanno dato gli stessi risultati.

La datazione al carbonio 14 può determinare con precisione la frazione di biomassa dei rifiuti, e anche determinare il potere calorifico della biomassa. La determinazione del potere calorifico è importante per i programmi di certificati verdi come il programma Renewable Obligation Certificate nel Regno Unito. Questi programmi rilasciano certificati basati sull'energia prodotta dalla biomassa. Sono stati pubblicati diversi documenti di ricerca, tra cui quello commissionato dalla Renewable Energy Association nel Regno Unito, che dimostrano come il risultato del carbonio 14 può essere utilizzato per calcolare il potere calorifico della biomassa. L'autorità per i mercati del gas e dell'elettricità del Regno Unito, Ofgem , ha rilasciato una dichiarazione nel 2011 accettando l'uso del carbonio 14 come metodo per determinare il contenuto energetico della biomassa delle materie prime di scarto nell'ambito dell'amministrazione dell'obbligo per le energie rinnovabili. Il loro questionario sulla misurazione e il campionamento del carburante (FMS) descrive le informazioni che cercano quando prendono in considerazione tali proposte.

Esempi notevoli

Secondo l' International Solid Waste Association (ISWA) ci sono 431 impianti WtE in Europa (2005) e 89 negli Stati Uniti (2004). Shooshtarian e i suoi college hanno esaminato le attività di rifiuti in energia in Australia.

Di seguito alcuni esempi di impianti WtE.

Incenerimento rifiuti Impianti WtE

Impianti per la produzione di combustibili liquidi

Attualmente è in costruzione un unico impianto:

Termovalorizzatori di gassificazione al plasma

Articolo principale: commercializzazione della gassificazione del plasma

L'aeronautica statunitense ha testato una volta un impianto Transportable Plasma Waste to Energy System (TPWES) (tecnologia PyroGenesis) a Hurlburt Field, in Florida. L'impianto, la cui costruzione è costata 7,4 milioni di dollari, è stato chiuso e venduto a un'asta di liquidazione governativa nel maggio 2013, meno di tre anni dopo la sua messa in servizio. L'offerta di apertura è stata di $ 25. L'offerta vincente è stata sigillata.

Oltre ai grandi impianti esistono anche termovalorizzatori domestici. Ad esempio, il Refuge de Sarenne dispone di un termovalorizzatore domestico. È realizzato abbinando una caldaia a gassificazione a legna con un motore Stirling .

Australia

Renergi aumenterà il proprio sistema di conversione dei materiali organici di scarto in combustibili liquidi utilizzando un processo di trattamento termico a Collie, nell'Australia occidentale. Il sistema processerà 1,5 tonnellate di materia organica all'ora. Ogni anno l'impianto devierà 4000 tonnellate di rifiuti urbani dalla discarica e fornirà ulteriori 8000 tonnellate di rifiuti organici dalle operazioni agricole e forestali. Il processo brevettato di “macinazione pirolisi” di Renergi mira a convertire i materiali organici in biochar, biogas e bioolio applicando calore in un ambiente con limitato ossigeno.

Un altro progetto nella zona industriale di Rockingham, a circa 45 chilometri a sud di Perth, vedrà un impianto da 29 MW costruito con una capacità di alimentare 40.000 case da una materia prima annuale di 300.000 tonnellate di rifiuti urbani, industriali e commerciali. Oltre a fornire energia elettrica al South West Interconnected System, 25 MW della produzione dell'impianto sono già stati impegnati nell'ambito di un contratto di acquisto di energia.

Guarda anche

Riferimenti

Ulteriori letture

  • Field, Christopher B. "Percorsi di emissione, cambiamento climatico e impatti". PNAS 101.34 (2004): 12422–12427.
  • Sudarsan, KG e Mary P. Anupama. "L'importanza dei biocarburanti". Current Science 90.6 (2006): 748. 18 ottobre 2009 < http://www.iisc.ernet.in/currsci/mar252006/748a.pdf >.
  • Tilman, David. "Costi ambientali, economici ed energetici". PNAS 103.30 (2006): 11206-11210.
  • "Notizie sui biocarburanti". Progresso dell'ingegneria chimica. . TrovaArticoli.com. 18 ottobre 2009. < [2] >

link esterno