La termovalorizzazione dei rifiuti: cos’è e come funziona?

La normativa di settore classifica i rifiuti in due distinte categorie: i rifiuti urbani (RU) e i rifiuti speciali (RS). I primi individuano principalmente i rifiuti domestici e, più in generale, quelli prodotti in un contesto urbano, quali quelli derivanti da attività commerciali, circuiti produttivi di ridotte dimensioni, dal terziario ecc. che spesso vengono “assimilati” a quelli urbani a livello locale, in accordo a specifici regolamenti comunali.

I rifiuti speciali invece includono per lo più i rifiuti, anche pericolosi, derivanti dall’industria, dall’agricoltura e dalle attività di costruzione e demolizione. Benché la tematica dei rifiuti urbani sia più conosciuta e pressante presso l’opinione pubblica, dal punto di vista quali-quantitativo il quadro relativo ai rifiuti speciali risulta essere molto più variegato e significativo.

In Italia la termovalorizzazione di rifiuti segna il passo rispetto ai Paesi del Centro-Nord Europa. Al 31.12.2010, secondo l’ultima indagine condotta da ENEA e Federambiente, sono presenti sul territorio nazionale 53 impianti di incenerimento di rifiuti urbani, di cui 50 effettivamente operativi. La capacità complessiva di trattamento è pari 21.693 t/g, la potenza elettrica installata è 782 MW. La capacità media di trattamento risulta di poco superiore alle 400 t/g, corrispondenti a circa 135.000 t/a.  Le considerazioni e i dati di seguito riportati sono riferiti principalmente al caso dei rifiuti urbani, per i quali il ricorso all’incenerimento è molto più sviluppato che per gli speciali.

Ciò in analogia quanto già avvenuto nella redazione del “BRef for Waste Incineration”. Occorre inoltre ricordare che negli impianti di incenerimento dei rifiuti urbani vengono attualmente trattati quantitativi significativi di rifiuti speciali (inclusi i pericolosi), mediamente dell’ordine del 15-20 % del totale trattato. Per quanto riguarda la configurazione impiantistica, essa risulta piuttosto consolidata dopo le rilevanti trasformazioni e il progresso tecnologico conseguiti nell’ultimo decennio del secolo scorso.

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In linea generale un impianto di termovalorizzazione risulta costituito dalle seguenti sezioni:

• sezione di combustione (griglia, tamburo rotante, letto fluido);
• sezione di recupero energetico tramite ciclo a vapore;
• sezione di produzione di energia elettrica;
• sezione di trattamento dei fumi.

In termini di prestazioni energetiche, intese come consumi e produzioni di energia, occorre subito dire che esse sono fortemente influenzate, a parità di altre condizioni, dalla taglia dell’impianto.

Alla luce di ciò, ai fini della presente guida, gli impianti di termovalorizzazione possono essere suddivisi nelle seguenti classi di taglie, individuate sulla base del carico elettrico nominale:

• impianti piccoli (P_el< 8 MW);
• impianti medi (8 MW < P_el< 25 MW);
• impianti grandi (P_el> 25 MW).

Inoltre, al fine di caratterizzare univocamente la taglia dell’impianto viene definito il seguente parametro, calcolato per un periodo di riferimento prefissato ed espresso in MWh:

MWh_EP = Energia termica primaria in ingresso all’impianto, pari a:

[(quantitativo di rifiuti inceneriti) x (PCI medio dei rifiuti) + contributo energetico dei combustibili fossili].

Un impianto di termovalorizzazione di rifiuti urbani richiede l’impiego essenzialmente di energia elettrica per il funzionamento delle sue apparecchiature principali, ausiliarie ed accessorie. I consumi di energia termica sono legati all’impiego di combustibile fossile, per lo più gas naturale, necessario per attivare la combustione e per mantenere la temperatura minima richiesta dalla normativa nella camera di post-combustione.

In Tabella 1 sono riportati i consumi medi unitari derivanti dall’indagine di settore effettuata a livello nazionale, espressi in termini di Sm³ di gas naturale, rapportati al parametro MW_EP.

Tabella 1) Consumi unitari di gas naturale per termovalorizzazione:

Dai dati di Tabella 1, adottato un PCI per il gas naturale pari a 9,59 kWh/Sm³, si ricavano i consumi di energia termica riportati in Tabella 2.

Tabella 2) Consumi unitari di energia termica per la termovalorizzazione:

Consumi di energia elettrica

Per quanto riguarda i consumi di energia elettrica i dati resi disponibili sono riportati nella Tabella 3.

Tabella 3) Consumi unitari di energia elettrica per termovalorizzazione:

Tabella 4) Valori di riferimento per i consumi unitari di energia per la termovalorizzazione:

⁽¹⁾ Riferito a un PCI dei rifiuti pari 10,4 MJ/kg (2,9 MWh/t)

Si riporta in Tabella 4 il riepilogo dei consumi termici ed elettrici espressi come consumi di energia rispetto all’energia primaria totale immessa.  Tali valori debbono essere considerati indicativi e non possono essere impiegati tout court per la definizione della baseline di riferimento, a causa delle motivazioni alle quali si è già accennato e che vengono di seguito dettagliate:

• i dati disponibili presentano una dispersione consistente, con una forbice tra valore minimo e massimo che può arrivare anche a un rapporto 1 a 3;
• le prestazioni energetiche sono strettamente correlate alle condizioni progettuali, come pressione e temperatura del vapore, presenza o meno di spillamento per recupero calore, ecc., legate a fattori non strettamente tecnici che possono rendere non confrontabili impianti solo apparentemente simili;
• l’influenza di fattori locali come, ad esempio, particolari prescrizioni autorizzative che limitano i parametri di esercizio, svincolandoli dal perseguimento della migliore efficienza impiantistica;
• le condizioni al contorno presenti nel periodo di costruzione o revamping degli impianti, potenzialmente condizionate da particolari situazioni autorizzative a livello locale;
• i dati di riferimento, raccolti tramite un’indagine effettuata ad hoc, derivano dalle informazioni fornite da un numero limitato di impianti.

Tutto ciò porta a concludere che per questa tipologia impiantistica risulta assai difficoltoso definire una baseline di riferimento a livello generale. Ne consegue che interventi di efficientamento energetico effettuati su queste tipologie di impianti debbano necessariamente essere valutati caso per caso.

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Il Trattamento Meccanico e Meccanico-Biologico

Secondo l’indagine effettuata nel rapporto ENEA–Federambiente, erano presenti sul territorio nazionale, al 31 dicembre 2008, 135 impianti di trattamento meccanico e meccanico-biologico di rifiuti, la stragrande maggioranza dei quali dedicati ai rifiuti urbani, costituiti da 141 linee e aventi una capacità complessiva di trattamento pari 14,5 Mt/a.

I trattamenti di tipo meccanico-biologico hanno come funzione principale la stabilizzazione della frazione organica putrescibile, la separazione delle diverse frazioni contenute nei rifiuti ai fini del recupero di materia ed energia, quest’ultima attraverso la produzione di CSS/CDR.

Essi possono essere articolati secondo due distinte modalità:

• “a flusso separato”, nel caso in cui il trattamento biologico viene applicato alla sola frazione “umida”, precedentemente separata meccanicamente da quella “secca”;
• “a flusso unico” se la corrente di rifiuti in ingresso all’impianto è sottoposta nel suo complesso a trattamenti meccanico-biologici.

I consumi di energia

Un impianto di TMB di rifiuti urbani richiede l’impiego di energia elettrica per il funzionamento delle sue apparecchiature principali, ausiliarie e accessorie. Non sono di norma previsti invece consumi di energia termica.

I consumi di energia elettrica risultano inoltre fortemente influenzati da:

• la pezzatura del materiale triturato da destinare al successivo trattamento biologico;
• la pezzatura richiesta per il CSS/CDR che, a titolo esemplificativo, risulta variabile tra nessuna richiesta per impianti con forno a griglia, inferiore a 150 mm per forni a letto fluido, inferiore a 30 mm per la combustione in cementifici (fiamma soffiata), inferiore a 10 mm per la combustione in centrali termoelettriche a carbone;
• le rese di produzione e il grado di purezza richiesti per i materiali di recupero (CSS/CDR, metalli, inerti, plastiche ecc.). Maggiore è il valore del prodotto (resa per purezza), maggiore risulta la complessità del trattamento e di conseguenza maggiori i consumi di energia elettrica.

È da notare come lo schema del processo, e quindi le conseguenti scelte impiantistiche con i relativi consumi elettrici, dipendano in ultima analisi anche dalle caratteristiche dei rifiuti in ingresso, ovvero dalle modalità adottate per la raccolta differenziata effettuata a monte.

Il compostaggio e la digestione anaerobica

283 impianti di cui i 252 che risultano operativi coprono il 93% della capacità complessiva autorizzata a livello nazionale, pari a 6,98 Mt/a.  Gli impianti possono essere distinti in tre categorie, in base alla taglia, individuata da quantitativi annui di rifiuti di cui è autorizzato il trattamento.  Sulla base di tale classificazione sono 30 gli impianti che trattano fino a 1.000 t/a, 59 quelli che trattano fino a 10.000 t/a e 193 quelli autorizzati per quantitativi annui di rifiuti superiori a 10.000 t/a.

Gli impianti di digestione anaerobica di frazioni organiche selezionate

La capacità media autorizzata è pari a circa 40.000 t/a, se si escludono gli impianti di piccola taglia del Trentino Alto-Adige aventi capacità inferiore a 1.000 t/a. A livello nazionale si tratta di impianti industriali di medio-grande taglia per il recupero di energia e di materia da frazioni organiche raccolte in maniera differenziata. Gli impianti di digestione anerobica prevedono il recupero energetico tramite la produzione di energia elettrica e/o termica attraverso la combustione del biogas prodotto, mentre il digestato è molto spesso sottoposto a un’ulteriore fase di compostaggio. Un’elaborazione dei dati di ISPRA porta a concludere che dal trattamento di una tonnellata di rifiuti organici è possibile produrre in media 125 Nm³ di biogas, oltre a 270 kg di digestato.

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I consumi di energia

Gli impianti di compostaggio e di digestione anaerobica di rifiuti urbani richiedono l’impiego di energia elettrica per il funzionamento delle apparecchiature principali, ausiliarie e accessorie. Non sono, di norma, previsti consumi di energia termica. Ai fini del reperimento dei dati, oltre ad una ricerca bibliografica, sono state svolte alcune analisi di dettaglio di impianti di compostaggio e di digestione anaerobica di rifiuti organici.  L’elaborazione dei dati ha evidenziato una casistica caratterizzata da un’applicazione di tecnologie molto variegate che di fatto influenza in modo significativo la dispersione riscontrata nei dati raccolti, che vengono riportati in Tabella 5.

I valori riportati sono stati ricavati sia tramite l’elaborazione di dati relativi ad alcuni casi rappresentativi di impianti italiani, sia tramite analisi in campo, nonché da riferimenti bibliografici.  In bibliografia, ad esempio, i dati di consumo relativi al solo compostaggio risultano compresi tra 6 e 60 kWh/t di rifiuti trattati. Per rendere più preciso questo dato l’indagine eseguita è entrata nel dettaglio delle varie tecnologie e delle varie fasi di processo (pre-trattamento, fase attiva, post-trattamento, raffinazione, biofiltrazione, ecc.). In questo modo è stata ridotta la variabilità dei dati, ma rimane comunque una “forchetta” abbastanza ampia a testimonianza del fatto che i dati risultano moltodisomogenei.

Tabella 5) Stima dei consumi energetici in impianti di  compostaggio/digestione anaerobica:

(1) Ex DLgs 75/2010.
Legenda ACV: Ammendante compostato verde; ACM: Ammendante compostato misto;  ACF: Ammendante compostato con fanghi; FORU: Frazione organica dei rifiuti urbani.

In sintesi, si sottolinea come i risultati esposti in Tabella 5 possano costituire un utile mezzo per valutare le richieste energetiche unitarie del settore (che dovranno essere moltiplicate per i quantitativi di rifiuti totali trattati), nonché per dare una indicazione dei perimetri di consumo degli impianti stessi. Tale perimetro è certamente soggetto a diverse eccezioni e considerazioni particolari, influenzate da vari fattori, ad esempio, tecnologie impiegate, assetti impiantistici e di processo, situazioni locali dipendenti dalle prescrizioni contenute nelle autorizzazioni, ecc., che portano a dover considerare ogni situazione impiantistica come un caso a sé stante.

Conclusioni

Si è molto parlato del termovalorizzatore di Copenaghen che ha la forma di una gigantesca discesa con neve artificiale, perfetta per lanciarsi dalla sua cima in uno slalom sugli sci o in snowboard: è il CopenHill. L’avveniristico impianto di Copenaghen preso a esempio dal Ministro dell’Interno Matteo Salvini per dimostrare che i termovalorizzatori possono contribuire alla soluzione del problema dei rifiuti in Campania e forse anche in modo “virtuoso”. I rifiuti ovunque nel mondo significano ricchezza, energia e acqua calda. A Copenaghen inaugureranno l’inceneritore con la pista da sci e una parete per arrampicata, mentre altrove queste opere sono musei.

Foto: Jorrit Tornquist