Cogenerazione da rifiuti

Cogenerazione

La generazione di energia elettrica può essere realizzata mediante una grande varietà di processi.

Nella maggior parte di questi processi troviamo una dinamo o alternatore che sono mossi da un motore termico o una turbina.

In uno qualsiasi dei diversi tipi di centrali impiegate per l’energia elettrica è necessario:

• Impianto di trattamento delle acque (PTA): con cui pulire dalle impurità l’acqua che deve essere utilizzata per trasformarla in vapore
• Impianto di trattamento degli effluenti (PTE): che permetta di trattare gli effluenti ottenuti dopo il processo di generazione di energia elettrica.

Nel generare energia elettrica non si sfrutta tutto il calore del vapore. Questa energia termica “in eccesso” può essere emessa nell’atmosfera, con conseguente perdita e mancato sfruttamento del suo potenziale, oppure può essere riutilizzata.

Qui entrano in gioco le diverse tecniche di cogenerazione.

La cogenerazione consiste nella produzione simultanea e nel riutilizzo di due o più tipi di energie diverse; normalmente, energia elettrica ed energia termica (calore).

A differenza del processo convenzionale di produzione di elettricità nelle centrali termiche, in cui si produce una grande quantità di calore non sfruttato e che viene rilasciato nell’ambiente, nei sistemi di cogenerazione, implicitamente, l’impianto di produzione di energia è vicino al luogo di consumo della stessa.

La possibilità di utilizzare un rifiuto come materia prima per un processo di produzione di energia è molto attraente sia dal punto di vista economico che ambientale. Economicamente, perché si trasforma un rifiuto (che comporta un costo di gestione) in energia (che implica un guadagno economico). E ambientalmente, perché è un modo per ridurre la quantità di rifiuti generati.

Le tecnologie di cogenerazione permettono di raggiungere rendimenti dell’85%, sommando il vapore con cui si genera elettricità e il calore residuo che viene riutilizzato, favorendo l’ottenimento di elevati indici di risparmio energetico senza alterare il processo produttivo.

Le diverse tecnologie utilizzate nella PTA e nella PTE hanno importanti necessità termiche, che possono essere soddisfatte mediante gli impianti di cogenerazione.

La chiave è sfruttare i gas di scarico e l’energia termica proveniente dai circuiti di raffreddamento dei motori, utilizzandoli per fornire l’energia termica necessaria a diversi apparecchi come gli evaporatori a vuoto, i cristallizzatori o gli impianti di osmosi inversa.

In questo modo si migliora l’efficienza con scambiatori per riscaldare il liquido prima che entri nell’evaporatore, sfruttando il calore latente di condensazione dei vapori.

Impianti per ospitare la cogenerazione

Pertanto, gli impianti idonei per ospitare un processo di cogenerazione devono, da un lato, produrre un rifiuto che sia combustibile o possa essere trasformato in un combustibile. Dall’altro lato, devono avere domanda di energia termica ed energia elettrica. Questi requisiti si soddisfano facilmente in:

1. Impianti di Trattamento delle Acque Reflue mediante processo biologico (Urbani e Industriali): I fanghi generati, attraverso un processo di digestione anaerobica, sono trasformati in biogas (anidride carbonica e metano) e fanghi stabilizzati, che hanno applicazione agricola come fertilizzanti. Il biogas, a seconda della ricchezza relativa in metano che possiede, ha un potere calorifico maggiore o minore, che in ogni caso può essere utilizzato in un processo di cogenerazione. Negli impianti di trattamento delle acque reflue, l’energia termica prodotta nel processo di cogenerazione può essere utilizzata per mantenere costante la temperatura del digestore anaerobico (a 36 ºC) e per preriscaldare i fanghi digeriti prima del processo di disidratazione, aumentando di conseguenza l’efficacia di questa operazione.
2. Allevamenti agricoli e/o zootecnici (con produzione di rifiuti biodegradabili sottoposti a trattamento di digestione anaerobica): riducendo la quantità di rifiuti e generando una considerevole quantità di biogas. In questo tipo di allevamenti, il calore prodotto dalla cogenerazione può essere utilizzato per mantenere a una temperatura confortevole i capannoni in cui si trovano gli animali, per mantenere controllata la temperatura nelle serre e per diminuire la secchezza del residuo solido finale preriscaldandolo prima della disidratazione.
3. Discariche di rifiuti solidi urbani (RSU): le condizioni in cui si trovano i rifiuti e la loro natura organica producono un processo naturale di biometanizzazione in cui si genera biogas. Nelle discariche di RSU, l’energia termica in eccesso della cogenerazione può essere di grande utilità nel processo di trattamento dei percolati generati, in particolare per ridurre l’umidità del residuo finale, anche fino ad asciugarlo, mediante un processo di concentrazione-evaporazione.

Tecnologie di Cogenerazione

Per trasformare il biogas in energia elettrica ed energia termica esistono due tecnologie alternative:

• Motori a combustione
• Microturbine

Tenendo conto delle caratteristiche principali di entrambe le tecnologie possiamo disporre di un confronto generale tra le due:

• Concentrazione minima di Metano (CH4): I motori a combustione sono validi solo quando la concentrazione di metano nel biogas è superiore al 40%. Le microturbine possono operare con una ricchezza di metano del 30% (35% all’avvio).
• Efficienza Elettrica e Termica: I motori a combustione hanno un’efficienza elettrica del 35-40% e un’efficienza termica del 35-40%, mentre nelle microturbine l’efficienza elettrica è del 25-30% e quella termica del 55-60%. Considerando l’efficienza globale (la somma dell’efficienza elettrica e di quella termica), le microturbine presentano risultati migliori rispetto ai motori a combustione.
• Manutenzione e cuscinetti: le microturbine hanno solo una parte mobile e sono lubrificate ad aria, mentre i motori a combustione sono molto più complessi a livello meccanico e necessitano di olio per la lubrificazione. Questo fa sì che la manutenzione necessaria per le microturbine sia molto bassa mentre i motori richiedono attenzione costante.
• Emissioni: i motori a combustione generano una quantità maggiore sia di monossido di carbonio che di ossidi di azoto.

Nel caso dei motori, il calore in eccesso si ottiene da due fonti diverse: dal circuito di raffreddamento e dai gas di combustione, mentre nel caso delle microturbine, l’energia termica si ottiene da un’unica corrente, sfruttando l’alta temperatura dei gas di combustione.

Sia nel caso dei motori a combustione che in quello delle microturbine, il biogas deve essere pulito prima di entrare in contatto con questi apparecchi. In entrambi i casi devono essere eliminati dal biogas i silossani, che vengono adsorbiti in un filtro a carbone attivo. Nel caso dei motori a combustione, inoltre, deve essere eliminato anche il solfuro di idrogeno (H2S), che è un acido molto corrosivo.

Conclusioni

Pertanto, mediante un processo di cogenerazione si può ridurre la quantità di rifiuto generato contemporaneamente alla produzione di energia elettrica, che può essere autoconsumata o venduta attraverso la rete generale, ed energia termica, che può essere utilizzata sia all’interno del processo stesso, sia per ridurre l’umidità del residuo finale mediante tecniche di evaporazione-concentrazione.

Sia per la riduzione della quantità di rifiuto sia per la produzione di energia, il processo di cogenerazione è completamente economicamente sostenibile e il periodo di ritorno dell’investimento è solitamente relativamente breve.