Tecnologie e tendenze per il recupero da rifiuti Piacenza, 15-16 Maggio 2013 Sviluppo di metodi di analisi e di software per la valutazione del contenuto energetico della biomassa Roberto Guandalini RSE: chi siamo • Costituita nel 2005 come Società separata dalla fusione di diverse realtà di ricerca (Enel, CESI, CISE, Terna etc), è oggi partecipata totalmente da capitale pubblico (socio unico GSE SpA) • La missione è svolgere attività di ricerca in tutti i campi connessi con la produzione e l’utilizzo dell’energia, con particolare enfasi sulle fonti rinnovabili e l’efficienza energetica • Il focus della ricerca è orientato al beneficio degli utenti del sistema energetico nazionale e degli operatori industriali, con un approccio globale e multidisciplinare • Opera con fondi nazionali (Accordo di Programma con il MiSE) ed internazionali (oltre 60 progetti europei), fornendo inoltre servizi specialistici e consulenze per Istituzioni e terzi • RSE è tenuta alla massima diffusione dei risultati della ricerca finanziati dal MiSE ed a operarne il trasferimento tecnologico Il progetto Biomassa • Il progetto Biomassa è inserito nel Piano Triennale di Ricerca 2012-14 (D.M. 9/11/2012), area ‘Studi e sperimentazioni sulle energie rinnovabili’ - compatibilità ambientale delle filiere biomassa– energia - caratterizzazione biocombustibili ed emissioni - quantificazione della frazione di energia rinnovabile in impianti ibridi - contributo tecnico per gli enti normatori - tecnologie innovative per upgrade biogasbiometano - tecniche di monitoraggio della corrosione - facility LOOP per validazione sperimentale dei metodi di misura alle emissioni La frazione biogenica nel rifiuto: metodi Biomassa Frazione biodegradabile di prodotti, rifiuti e residui di origine biologica, agricola, silvestre e attività correlate, ed è anche la frazione biodegradabile dei rifiuti industriali ed urbani (Direttiva 2009/28/EC). Necessità di disporre di criteri e metodologie capaci di stabilire quale sia il reale contenuto di biomassa in combustibili “ibridi”, composti sia da una frazione biogenica (carta, legno, residui vegetali, ecc.) che da una frazione fossile (plastica, ecc.). Metodi di determinazione della frazione di energia biogenica Merceologica 14C (basata sull’analisi del rifiuto) Chimico-isotopica nelle emissioni (basato sulla concentrazione del 14C nelle emissioni di CO2 ) Metodo del bilancio di massa ed energia (risoluzione di un sistema di equazioni di bilancio di massa ed energia) (basata su analisi di laboratorio) Metodologia RSE (norma UNI/TS 11461 ) Software OBAMA (RSE) Il bilancio di massa ed energia I metodi basati sul bilancio di massa ed energia: vantaggi e svantaggi – – – – – – – hanno un basso costo e sono una metodologia di facile utilizzo forniscono una stima in continuo dell’energia rinnovabile e della relativa incertezza possono essere utilizzati per l’analisi di diversi scenari operativi, anche su base teorica sono fortemente dipendenti dalla qualità dei dati la soluzione dipende solo da parametri misurati dall’impianto e dalla relativa incertezza occorre conoscere la composizione chimica media del combustibile (C,H,N,O,S) il sistema di equazioni è sovradeterminato per cui richiede un approccio iterativo (riconciliazione dei dati) Il software OBAMA (Optimized BAlance Method Application)* – è dotato di un interfaccia utente interattivo – acquisisce direttamente i dati di impianto – la risoluzione temporale con cui sono noti i risultati è prefissata dall’utilizzatore – è consolidato dal punto di vista matematico ed è in fase di validazione sistematica su impianto – è portabile su diverse piattaforme di calcolo (Windows, Linux, Unix) – è disponibile a titolo gratuito con licenza d’uso ‘single user computer locked’ (*) Sviluppato con i fondi della Ricerca di Sistema Elettrico (RdS) (D.M. MiSE 19/3/2009 e D.M. MiSE 9/11/2012) L’analisi del 14C alle emissioni L’analisi del 14C : vantaggi e svantaggi – – – – ha un elevato costo e richiede laboratori specializzati fornisce una stima precisa dell’energia rinnovabile viene fornito il valore di pmC con metodi AMS e/o LSC richiede una correzione ‘a posteriori’ del pmC misurato (effetto bomba, frazionamento isotopico, diluizione delle CO2 atmosferica) – è previsto dalla normativa UNI/TS 11461 Condizioni operative di campionamento: – soluzioni di assorbimento: idrossido di potassio (KOH) (4M) e Carbosorb (3-metossipropilammina, CH3-OC3H6-NH2) – volume inserito nei gorgogliatori: tra i 10 e i 100 g – flusso: da 30 a 500 mL/min – durata della prova: tra le 2 e le 24h – efficienza da raggiungere: circa l’80% per l’idrossido di potassio e tra il 40 e il 70% per il Carbosorb – numero di campionamenti per giornata: da 1 a 4 OBAMA: modello di bilancio Sistema a sei equazioni e quattro incognite risolto con un algoritmo di riconciliazione dei dati: 1 Min ( x m − x) T Σ −1 ( x m − x ) 2 x = vettore delle N variabili misurate alla iterazione n-esima xm = vettore dei corrispondenti N valori misurati; Σ = matrice quadrata di ordine N di varianza-covarianza delle variabili misurate OBAMA: procedura di analisi La procedura di analisi prevede quattro fasi distinte: – Fase 1: definizione dei parametri di scenario (intervallo temporale, tipologia di rifiuto e di combustibile ausiliario) – Fase 2: acquisizione dei dati da impianto (dati al camino, peso del rifiuto e delle ceneri, portata di vapore) e dei dati di aria comburente – Fase 3: esecuzione della simulazione – Fase 4: calcolo delle frazione biogenica Fase1: i parametri di scenario Definizione di uno scenario Assegnazione dei parametri Selezione della composizione chimica di riferimento Fase 2: i dati di processo da impianto Caricamento dei dati SME Visualizzazione grafica dei dati Verifica del punto di funzionamento Fase 3: esecuzione della simulazione La fase di esecuzione include: – suddivisione automatica del periodo acquisito in scenari, su base oraria (es. ogni 6 ore), giornaliera o mensile – scarto automatico di dati non validi – calcolo sulla base della miglior combinazione di equazioni di bilancio – correzione contenuto di umidità della frazione biogenica e fossile e dell’aria in ingresso Fase 4: analisi dei risultati E bio = m B (PCI x BC + PCI H x BH − PCI O x BO + PCI N x BN + PCI ∆H S vap PCI gas V gas + PCI oil W oil η − + L vap m W W tot W tot C S x BS ) Scenario 1: composizioni standard(*) Scenario 2: composizioni sperimentali Frazioni di massa % di energia (*) J. Fellner et alii - A new method to determine the ratio of energy production from fossil and biogenic sources in WTE plants – Env.Sci.Tech.,2007,41 La procedura di validazione sperimentale Caratterizzazione chimica elementare Esempio per un rifiuto CER 200301 con due distinti campionamenti Analisi sul tal quale Campione PCS [MJ/kg] F [%] Br [%] S [%] 15.74 ± 0.53 15.47 ± 0.57 0.32 ± 0.10 n.d. n.d. 0.12 ± 0.01 35.32 ± 0.15 33.76 ± 0.10 2.40 ± 0.23 n.d. n.d. 0.10 ± 0.02 Sottovaglio < 20 mm 10.83 ± 0.53 10.01 ± 0.54 6.98 ± 1.45 n.d. n.d. 0.19 ± 0.01 Biomassa 15.87 ± 0.08 15.68 ± 0.01 0.32 ± 0.03 n.d. n.d. 0.08 ± 0.01 35.67 ± 0.39 33.95 ± 0.40 1.34 ± 0.11 n.d. n.d. 0.07 ± 0.01 Biomassa 1° giorno Fossile 2° giorno Fossile Sottovaglio < 20 mm METODO PCI [MJ/kg] Analisi fumi Cl [%] Caratterizzazione chimica per Cl, F, Br, S effettuata mediante cromatografo ionico Valori di PCI e PCS ottenuti dall’analisi al calorimetro isoperbolico 14.61 ± 1.08 13.64 ± 1.10 0.49 ± 0.01 n.d. n.d. 0.28 ± 0.03 UNI 15400:2006 UNI 15408:2010 Campione Caratterizzazione chimica mediante analizzatore CHNS, quantificazione di umidità e ceneri (la quantità di ossigeno contenuta è complementare alle quantità di C, H, N, S, Cl, F e Br) Biomassa Umidità [%] Ceneri [%] C [%] Analisi elementare su tal quale H [%] N [%] S [%] 5.42 ± 0.03 10.56 ± 1.39 40.97 ± 0.97 6.31 ± 0.16 0.34 ± 0.07 0.55 ± 0.10 1.29 ± 0.24 7.06 ± 0.04 70.82 ± 5.40 10.05 ± 1.05 0.69 ± 0.27 1.07 ± 0.15 Sottovaglio < 20 mm 1.11 ± 0.30 46.46 ± 1.99 31.50 ± 1.93 4.50 ± 0.32 1.68 ± 0.18 0.65 ± 0.06 Biomassa 6.00 ± 0.21 12.81 ± 1.23 41.79 ± 0.70 6.36 ± 0.07 0.73 ± 0.33 0.72 ± 0.05 1.36 ± 0.26 3.63 ± 2.48 75.29 ± 2.47 11.24 ± 0.98 1.16 ± 0.45 1.14 ± 0.12 1.81 ± 0.37 29.28 ± 2.25 43.95 ± 0.93 6.54 ± 0.20 1.87 ± 0.22 0.92 ± 0.04 1° giorno Fossile 2° giorno Fossile Sottovaglio < 20 mm UNI 15414- UNI 15440METODO 3: 2007 3: 2007 UNI 15407:2010 Interno RSE basato su applicativo Perkin-Elmer Confronto dei metodi di valutazione(*) Manual sorting IPLA method WTE plants Selective dissolution CEN/TS 15440 Pre-combustion 14C CEN/TS 15440 Post-combustion 14C UNI/TS 11461:2012 Balance Model OBAMA software Fed with SRF (from MSW) MSW Health care wastes Combustion technology Moving Grate Fluidized bed Rotary kiln (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 Confronto dei metodi di valutazione(*) MSW HCW Manual sorting SRF Pre-comb. 14C worst performance Agreement SRF MSW HCW Pre-comb. 14C vs Selective diss. Low Pre-comb. 14C vs Post-comb.14C Low Post-comb. 14C vs Selective diss. Relative Post-comb. 14C vs OBAMA model (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 Good Confronto dei metodi di valutazione:test 1(*) Installed power MWe 84,4 Authorized treatment ton/y 810000 Combustion technology Moving Grate Fed with : MSW + other industrial wastes TEST: fed with MSW only Manual sorting Ebio%daf 50 uncertainty 30% WT%biodaf 50 Ebio%daf 33 uncertainty 24% WT%biodaf 47 Ebio%daf 32 uncertainty 6% WT%biodaf 67 Post-combustion14C (LSC) OBAMA model (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 Confronto dei metodi di valutazione:test 2(*) Installed power: MWe 9,3 Authorized treatment: ton/y 75000 Combustion technology: Fluidized bed Fed with: SRF+ other industrial wastes TEST: fed with SRF from MSW only day 1 day 2 day 3 WT%biodaf Cbiowt%daf Ebio% Pre-combustion14C (LSC) WT%biodaf Cbio%daf Ebio%daf 58,8 46,1 56,3 43,5 55,0 42,5 na na na 67,0 57,9 51,9 72,7 61,0 55,1 67,2 54,9 48,9 Post-combustion14C AMS) WT%biodaf Cbiowt%daf Ebio%daf (LSC) WT%biodaf Cbiowt%daf Ebio%daf 54,3 41,8 36,1 55,0 42,5 36,6 57,1 44,6 38,7 53,6 41,8 36,1 58,9 46,3 40,4 Selective dissolution na na na (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 Confronto dei metodi di valutazione:test 3(*) Installed power: MWe 10,5 Authorized tretament: ton/y 870000 Combustion technology: Moving Grate Fed with: MSW + other industrial wastes TEST: fed with MSW only day 1 day 2 62,1 49,2 58,9 44,2 50,1 46,7 Post-combustion14C (AMS) Cbio%daf Ebio%daf 56,2 45,7 62,1 51,2 OBAMA model 40,7 47,6 39,9 51,7 Manual sorting calculated WT%bioar Ebio%ss Ebio%daf WT%bioar Ebio%daf (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 Confronto dei metodi di valutazione:test 4(*) Installed power: MWt 15 Authorized treatment: ton/y 20000 Combustion technology: Rotary kiln Fed with: mixed Health Care Wastes TEST: fed mainly with CER 180103 Manual sorting day 1 day 2 day 3 CER 180103 WT%bioar 45,0 34,1 (calulated values) Ebio%ss Post-combustion14C (AMS) Cbio %daf Ebio%daf 24,3 23,4 24,8 23,8 21,9 21,0 (LSC) Cbio%daf Ebio%daf 26,2 25,1 26,8 25,7 25,3 24,3 OBAMA model average WT%bioar Ebio%daf (*) Fonte: contributo RSE alla IEA Bioenergy Conference 2012 - Vienna - 12-13 Novembre 2012 25,8 24,3 Conclusioni L’impiego della strumentazione RSE per le misure del 14C al camino e del software OBAMA basato sul metodo dei bilanci di massa ed energia per la valutazione della frazione di energia biogenica porta a concludere che: a) si tratta di metodi applicabili ad una ampia gamma di tipologie di impianto e di rifiuto b) sono potenzialmente adatti ad analisi di routine c) non richiedono condizioni particolari di prova, per cui non interferiscono con il normale esercizio Nel caso specifico del software OBAMA si può inoltre osservare che: a) l’uso non richiede uno specifico addestramento dell’utente b) fornisce contestualmente alla frazione di energia la ripartizione in massa del rifiuto in termini di frazione biogenica, fossile, acquosa ed inerte c) la sua validazione in campo è al momento ancora limitata Grazie per l’attenzione! R. Guandalini [email protected] RSE Ricerca sul Sistema Energetico SpA Dipartimento Sostenibilità e Fonti Energetiche Via Rubattino, 54 – 20134 Milano, Italy Tel: +39 02 3992 5181 Fax: +39 02 3992 4608 web: www.rse-web.it This work has been financed by the Research Fund for the Italian Electrical System under the Contract Agreement between RSE (former ERSE) and the Ministry of Economic Development - General Directorate for Nuclear Energy, Renewable Energy and Energy Efficiency stipulated on July 29, 2009 in compliance with the Decree of November 11, 2012