Sviluppo di metodi di analisi e di software per la valutazione del

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
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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