Valorizzazione energetica dei rifiuti (waste to energy)

Valorizzazione energetica dei rifiuti: waste to energy

La valorizzazione energetica dei rifiuti, nota anche come waste to energy, è un processo mediante il quale diversi tipi di rifiuti vengono trasformati in energia. Invece di smaltire semplicemente i rifiuti in discarica o incenerirli senza ottenere alcun beneficio aggiuntivo, la valorizzazione energetica mira a convertire questi rifiuti in una fonte di energia utile, come elettricità, calore o biogas.

Oltre a generare energia rinnovabile, la valorizzazione energetica dei rifiuti offre altri benefici aggiuntivi, poiché riduce la quantità di rifiuti che arrivano alle discariche e diminuisce le emissioni di gas serra evitando la decomposizione anaerobica dei rifiuti in discarica.

La valorizzazione energetica dei rifiuti non deve essere considerata un’alternativa alla riduzione dei rifiuti prodotti e al loro riciclo, poiché è preferibile non avere rifiuti piuttosto che doverli trasformare. La valorizzazione energetica deve essere vista come un complemento a questi sforzi, specialmente per quei rifiuti che non possono essere facilmente riciclati o che non sono biodegradabili.

L’aumento delle politiche di economia circolare ha comportato un incremento nell’installazione di impianti di trattamento dei rifiuti che ne permettano la trasformazione in energia. In tutti i casi, ci troviamo di fronte a un duplice obiettivo:

• Trovare un modo più efficiente di gestire i rifiuti
• Ottenere una nuova fonte di approvvigionamento energetico, che contribuisca a ridurre la dipendenza energetica

Tecnologie di Valorizzazione Energetica

Esistono numerosi tipi di rifiuti che possono essere utilizzati come combustibile per la valorizzazione energetica, tra cui spiccano:

• Rifiuti solidi urbani (RSU).
• I rifiuti generati nei processi industriali.
• La biomassa forestale e agricola destinata alla generazione di elettricità.
• Le deiezioni zootecniche e i rifiuti agroindustriali per la produzione di biogas.
• La biomassa destinata ai biocarburanti.

Esistono diverse tecnologie di valorizzazione energetica, che possono essere classificate in processi biologici e processi termici.

I primi possono essere applicati quando il rifiuto possiede una frazione biodegradabile significativa. Invece, i processi termici sono applicabili quando il potere calorifico del rifiuto, misurato tramite il potere calorifico inferiore (PCI), è medio o alto.

I processi di valorizzazione energetica più comuni sono i seguenti:

Biometanizzazione

La biometanizzazione è un processo biologico che si svolge in assenza di ossigeno e coinvolge una popolazione eterogenea di microrganismi. Attraverso questo processo si riesce a trasformare la frazione più degradabile della materia organica in biogas, che è una miscela di gas formata principalmente da metano e anidride carbonica e da altri gas in minore proporzione (vapore acqueo, CO, N₂, H₂, H₂S, ecc.).

Il biogas è una miscela di anidride carbonica, metano e altri gas minoritari (H2S, ecc.), che dopo essere stato sottoposto a un processo di lavaggio, può essere utilizzato per produrre energia elettrica mediante un processo di cogenerazione. Il biogas è una fonte di energia, essendo un gas combustibile ad elevata capacità calorifica (5.750 kcal/m3), che ne permette l’utilizzo energetico in motori di cogenerazione, caldaie e turbine (generando elettricità, calore o come biocarburante).

Il tipo di materiale da digerire influenza notevolmente la resa e la composizione del biogas ottenuto. Per una produzione massima è preferibile utilizzare rifiuti ricchi di grassi, proteine e carboidrati poiché la loro degradazione comporta la formazione di quantità importanti di acidi grassi volatili, precursori del metano.

L’energia termica residua del processo può essere recuperata e, in parte, utilizzata per concentrare le acque reflue generate, mediante un processo di evaporazione-concentrazione a vuoto. Il risultato sarà un’acqua di alta qualità e un residuo molto concentrato.

La biometanizzazione è un processo adatto al trattamento e valorizzazione di rifiuti agricoli, zootecnici e urbani, nonché per la stabilizzazione dei fanghi provenienti dal trattamento delle acque reflue urbane.

Pirolisi

La pirolisi è un processo termico che consiste nel trasformare la materia organica in altri composti più facili da trattare.

La pirolisi, che si svolge ad alta temperatura (tra 300 e 800 ºC) e in assenza di aria, consiste nella degradazione termica di un materiale in assenza di ossigeno aggiunto, per cui la decomposizione avviene tramite calore, senza che si verifichino reazioni di combustione. Le caratteristiche di base di questo processo sono:

• L’unico ossigeno presente è quello contenuto nel rifiuto da trattare.
• Le temperature di lavoro oscillano tra i 300 ºC e gli 800 ºC.
• Non essendoci la reazione di ossidazione dei composti più volatili, il potere calorifico del gas di sintesi derivante dal processo di pirolisi può oscillare tra 10 e 20 MJ/Nm³.

Come risultato del processo si ottiene:

• Gas di sintesi, i cui componenti base sono CO, CO₂, H₂, CH₄ e composti volatili derivanti dal cracking delle molecole organiche, insieme a quelli già presenti nei rifiuti. Si tratta di un gas con un elevato PCI (miscela di idrogeno, monossido di carbonio, metano, etano, etilene, ecc.), anche se parte dell’energia ottenuta dal gas deve essere reinvestita nel processo stesso di pirolisi, che è endotermico.
• Residuo liquido, composto principalmente da idrocarburi a catena lunga come catrami, oli, fenoli o cere, formati condensando a temperatura ambiente.
• Residuo solido composto da tutti quei materiali non combustibili che non sono stati trasformati o che derivano da una condensazione molecolare con un alto contenuto di carbonio, metalli pesanti e altri componenti inerti dei rifiuti. Questo carbonio solido viene eliminato mediante un processo di incenerimento annesso al processo principale di pirolisi.

Le basse temperature di lavoro provocano una minore volatilizzazione di carbonio e altri contaminanti precursori nella corrente gassosa, come metalli pesanti o diossine. Per questo motivo, i gas di combustione necessiteranno teoricamente di un trattamento minore per rispettare i limiti minimi di emissione fissati dalla Direttiva sull’incenerimento. I composti che non si volatilizzano rimarranno nei residui della pirolisi e dovranno essere gestiti adeguatamente.

Per poter trattare i rifiuti mediante pirolisi, devono essere soddisfatti una serie di requisiti. Tuttavia, è difficile definire la tipologia di rifiuti considerati adeguati o inadeguati, poiché è strettamente legata al tipo di reattore utilizzato e alle condizioni operative. Fondamentalmente, sono considerati rifiuti più adatti: carta, cartone, trucioli di legno, rifiuti da giardino e alcune plastiche selezionate. Non sono ammessi rifiuti voluminosi, metalli, materiali da costruzione, rifiuti pericolosi, vetro e alcune plastiche, come il PVC.

Gassificazione

La gassificazione è un processo termico in cui avviene una combustione parziale della materia in presenza di quantità di ossigeno inferiori a quelle stechiometriche. Si produce un gas combustibile, noto come gas di sintesi, la cui composizione varia (miscela di idrogeno, monossido di carbonio, acqua e idrocarburi leggeri) in funzione del rifiuto e delle condizioni operative.

Le caratteristiche principali di un processo di gassificazione di una corrente di rifiuti sono le seguenti:

• Si utilizza aria, ossigeno o vapore come fonte di ossigeno, e talvolta come vettore per l’eliminazione dei prodotti di reazione.
• La temperatura di lavoro è tipicamente superiore a 750 ºC.
• Le reazioni chimiche prodotte in questo processo sono di due tipi: cracking molecolare, in cui la temperatura provoca la rottura dei legami molecolari più deboli originando molecole di dimensioni inferiori, generalmente idrocarburi volatili, e reforming dei gas, reazioni specifiche dei processi di gassificazione in cui il vapore acqueo agisce come reagente.

Come risultato del processo di gassificazione si ottiene:

• Gas di sintesi, composto principalmente da CO, H₂, CO₂, N₂ (se si usa aria come gasificante) e CH4 in minore proporzione. Come prodotti secondari si trovano catrami, composti alogenati e particelle.
• Residuo solido, composto da materiali non combustibili e inerti presenti nel rifiuto alimentato; generalmente contiene parte del carbonio non gassificato. Le caratteristiche di questo residuo sono simili alle scorie dei forni negli impianti di incenerimento.

La quantità, composizione e potere calorifico dei gas derivanti dalla gassificazione dipenderanno dalla composizione dei rifiuti, dalla temperatura e dalle quantità di aria e vapore utilizzate.

Il gas di sintesi ottenuto nel processo di gassificazione ha potenzialmente diversi usi:

• Come materia prima per la produzione di composti organici, come la sintesi diretta di metanolo, ammoniaca, o per la sua trasformazione in idrogeno mediante reforming con vapore o reforming catalitico.
• Produzione di energia elettrica mediante motori a combustione interna o microturbine. Il gas di sintesi può essere utilizzato come combustibile nei processi di produzione di energia elettrica mediante cicli termici diversi da quelli a vapore, siano essi cicli combinati o semplici.
• Può essere trasformato in un combustibile liquido utilizzabile come sostituto del gasolio.
• Può essere immesso nella rete del gas naturale se si separano preventivamente CO2 e residui di ossigeno.
• L’idrogeno contenuto in una pila a combustibile può essere utilizzato per la generazione di elettricità.
• Come combustibili in caldaie tradizionali o forni.

Il gas di sintesi deve essere pulito per poter essere successivamente utilizzato. Si generano anche solidi, catrami e ceneri, che devono essere inceneriti.

Per quanto riguarda i rifiuti più appropriati, la gassificazione ha la restrizione di poter trattare solo alcuni materiali specifici. Le caratteristiche del combustibile alimentato devono garantire almeno un contenuto minimo di inerti e componenti molto umidi, una dimensione delle particelle compresa tra 80 e 300 mm, una quantità sufficiente di carbonio per permettere le reazioni del processo di gassificazione, l’assenza di sostanze pericolose e, se possibile, un elevato potere calorifico.

Incenerimento, o combustione con eccesso di ossigeno

L’incenerimento è un processo termico rapido in cui avviene una combustione completa della materia, che si ossida completamente trasformandosi in anidride carbonica e acqua.

Le caratteristiche principali dell’incenerimento dei rifiuti sono le seguenti:

• È richiesto un eccesso di ossigeno rispetto allo stechiometrico durante la combustione, per assicurare un’ossidazione completa.
• La temperatura di combustione è normalmente compresa tra 850ºC e 1.100ºC dopo l’ultima iniezione di aria secondaria. La temperatura varia in funzione della composizione in composti alogenati del rifiuto da trattare.
• Perché la materia reagisca con l’ossigeno producendo energia deve contenere carbonio, idrogeno o zolfo.

Come risultato del processo di incenerimento si ottiene:

• Gas di combustione, composto principalmente da CO₂, H₂O, O₂ non reagito, N₂ dell’aria utilizzata per la combustione e altri composti in minore proporzione derivanti dai diversi elementi presenti nei rifiuti. I componenti minoritari presenti dipenderanno dalla composizione dei rifiuti trattati. Pertanto, possono contenere gas acidi derivati da reazioni di alogeni, zolfo, metalli volatili o composti organici non ossidati. Infine, i gas di combustione conterranno particelle, trascinate dai gas stessi.
• Residuo solido, composto principalmente da scorie inerti, ceneri e residui del sistema di depurazione dei gas di combustione.

Il processo globale converte praticamente tutta l’energia chimica contenuta nel combustibile in energia termica, lasciando una parte di energia chimica non convertita nel gas di combustione e una parte molto piccola non convertita nelle ceneri.

Il recupero del calore di questo processo avviene mediante la generazione di vapore surriscaldato, con rendimenti termici dell’ordine dell’80%, dovuti alle perdite di calore sia nel forno che nella caldaia e alla temperatura minima di uscita dei gas di combustione dalla caldaia di recupero.

I processi di incenerimento sono molto flessibili riguardo ai combustibili che possono essere utilizzati, per cui possono trattare RSU, rifiuti industriali, rifiuti pericolosi, fanghi di depurazione o rifiuti ospedalieri.

Generazione di plasma

Il plasma è uno stato della materia, formato a partire da un gas sottoposto ad alte temperature e nel quale praticamente tutti gli atomi sono stati ionizzati. Il risultato è un fluido formato da una miscela di elettroni, ioni e particelle neutre libere, che nel complesso è elettricamente neutro ma conduttore di elettricità.

Le caratteristiche che definiscono questo processo sono le seguenti:

• La generazione di plasma avviene facendo fluire un gas inerte attraverso un campo elettrico esistente tra due elettrodi, formando l’arco di plasma.
• Le temperature di lavoro variano tra 5.000 ºC e 15.000 ºC.
• Nel gas si producono le seguenti reazioni: dissociazione degli atomi, perdita di elettroni dagli strati esterni e formazione di particelle cariche positivamente.
• Il principio del processo è il seguente: se un gas si trova nelle condizioni sopra descritte e viene introdotto in un campo elettrico, si genera una corrente elettrica, formata dagli elettroni liberi che si dirigono al polo positivo del campo elettrico, e dalle particelle positive verso il polo negativo. Questa corrente elettrica determina una resistività e, quindi, una trasformazione in calore che dipende dall’intensità elettrica. In questo modo, aumentando l’intensità del campo elettrico si aumenta l’intensità elettronica e cationica, la trasformazione in calore e la temperatura del gas.
• Il limite pratico di questo processo è la resistenza meccanica e termica degli elettrodi.

Il plasma, come metodo termico per il trattamento dei rifiuti, presenta tre possibilità:

• Trattamento di gas pericolosi, che vengono sottoposti alle temperature di lavoro, distruggendo così la loro struttura molecolare. Un esempio chiaro è l’applicazione per la distruzione di PCB, diossine, furani, pesticidi, ecc.
• Vetrificazione di rifiuti pericolosi, sia per i rifiuti organici, distruggendo la loro struttura molecolare, sia per quelli inorganici, mediante la fusione all’interno di una massa vetrosa. Dopo il raffreddamento e la solidificazione della massa fusa, i rifiuti rimangono fisicamente intrappolati all’interno della massa vetrosa, diventando così un solido inerte, minimizzandone le possibilità di lisciviazione.
• Gassificazione tramite plasma, in cui si utilizza come fonte di calore l’energia termica contenuta nel plasma stesso a partire dall’energia (normalmente elettrica) consumata per la sua generazione. In questo modo si ottengono come prodotti finali: un gas, composto principalmente da monossido di carbonio e idrogeno, e un residuo solido, consistente in una scoria inerte generalmente vetrificata.

Come risultato delle prove effettuate in impianto pilota, questa tecnologia potrebbe arrivare a trattare un’ampia varietà di rifiuti, come RSU, rifiuti industriali, biomassa, rifiuti sanitari, di demolizioni di veicoli, pneumatici, plastiche, rifiuti speciali, ecc.

Discarica e sfruttamento del gas di discarica

Con la maggior parte delle normative vigenti, non è consigliabile considerare questa alternativa come un’opzione valida, poiché la quantità di rifiuto biodegradabile depositato in discarica è sempre minore.

Tuttavia, è opportuno sfruttare l’energia del gas di discarica, nonostante gli inconvenienti tecnici (potere calorifico variabile, presenza di numerosi contaminanti nel gas, condizioni aggressive per i motori di cogenerazione o le microturbine, ecc.).