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STUDIO DI UN SISTEMA DI GESTIONE DEL RIFIUTO

URBANO RESIDUO: MODELLIZZAZIONE DELLA DISCARICA

BIOREATTORE E ANALISI LCA

Stefano Dellavedova1,*, Mario Grosso1, Lucia Rigamonti1, Sergio Scotti2

1 Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Civile ed Ambientale, Milano.2A2A Ambiente, Giussago.

Ingegneria dell’Ambiente Vol. 3 n. 4/2016dx.doi.org/10.14672/ida.v3i4.352

Sommario – Lo studio descrive le prestazioni di un si-stema di recupero energetico dai rifiuti urbani residui,basato sulla produzione di un Combustibile Solido Se-condario (CSS) da sfruttare tramite co-combustionenel forno di un cementificio. Il CSS è prodotto in unimpianto di trattamento meccanico-biologico a singo-lo flusso in cui la bio-essiccazione dei rifiuti è seguitada una fase di raffinazione meccanica al fine di soddi-sfare i requisiti di qualità dei forni per la produzionedel cemento. La peculiarità di questo impianto TMB èche i residui di processo vengono smaltiti in una di-scarica adiacente, gestita non il modo tradizionale macome bioreattore, in cui il biogas prodotto viene sfrut-tato per la produzione di energia elettrica. Viene pre-sentato quindi il bilancio di massa ed energia dettagliatodel sistema sulla base dei dati operativi dell’impianto diuno specifico anno (2013), seguito dai risultati dell’ana-lisi del ciclo di vita (LCA) i quali dimostrano che il si-stema è efficiente sia dal punto di vista energetico cheda quello ambientale, con la maggior parte degli impattiche vengono più che compensati dal risparmio di mate-riali e di energia. Ruolo importante nel determinare talerisultato è la sostituzione parziale del petcoke nel fornodel cementificio, sia in termini di emissioni di CO2 fos-sile sia in termini di impatti evitati del suo ciclo di vita,il quale tiene conto anche del trasporto transoceanico.Per verificare la robustezza dei risultati, vengono effet-tuate due analisi di sensitività sull’efficienza di capta-zione del biogas in discarica e sul mix energetico elettri-co evitato grazie allo sfruttamento del biogas stesso.

Parole chiave: TMB, discarica bioreattore, co-combustione,CSS, cementificio.

CASE STUDY OF A RESIDUAL WASTEMANAGEMENT SYSTEM: MODELLINGOF THE BIOREACTOR LANDFILL ANDLIFE CYCLE ASSESSMENT

Abstract – The paper describes the performances of theenergy recovery pathway from the residual wastebased on the production of a Solid Recovered Fuel(SRF) to be exploited via co-combustion in cementkiln. The SRF is produced in a single stream Mechani-cal-Biological Treatment plant where bio-drying of thewaste is followed by mechanical refining in order tofulfil the quality requirements by the cement kilns. Pe-culiar of this plant MBT is the fact that disposal ofsorting residues are dispose in a nearby landfill, man-aged according to a bioreactor approach, where landfillgas is collected for electric energy recovery. A detailed

mass and energy balance of the system is presentedbased on one year (2013) operational data, followed byits Life Cycle Assessment Results show that the sys-tem is energetically and environmentally effective,with most of the impacts being more than compensat-ed by the savings of materials and energy. Major rolein determining such outcome is the displacement ofpetcoke in the cement kiln, both in terms of it fossilCO2 emissions and of its life cycle impacts, includingthe trans-oceanic transport. To check the robustness ofthe results, two sensitivity analyses are performed onthe landfill gas collection efficiency and on the avoid-ed electric energy mix.

Keywords: MBT, bioreactor landfill, co-combustion, SRF, ce-ment kiln.

Ricevuto il 22-6-2015. Modifiche sostanziali richieste il 28-10-2015.Accettazione il 4-11-2016.

1. INTRODUZIONE

Il dibattito sul recupero di energia dai rifiuti urbaniresidui (RUR) è dominato da due scuole di pensie-ro: l’uso di impianti dedicati (Waste to Energy) perla produzione di energia elettrica e/o calore e l’uti-lizzo di impianti industriali esistenti (cementifici ocentrali elettriche) in cui il rifiuto può essere usatocome fonte di energia in sostituzione parziale aicombustibili fossili tradizionali. In questo contesto,la tecnologia del trattamento meccanico biologico(TMB) risulta essere la terza scelta a causa del suopotenziale ruolo di pretrattamento dei rifiuti residui.Un’ulteriore approfondimento viene generalmenteeffettuato per valutare l’effettiva necessità di una ta-le fase intermedia, in particolare quando la destina-zione finale dei rifiuti è un impianto dedicato WTE. Il lavoro si basa su precedenti esperienze di studicomparativi basati sull’analisi di tipo LCA, volti aindirizzare i decisori verso la migliore scelta am-bientale ed energetica. Consonni et al., (2005a e2005b) hanno analizzato quattro differenti schemidi gestione dei rifiuti urbani residui, nei quali il di-retto incenerimento negli impianti WTE è statocomparato con tre tipologie diverse di impiantiTMB che trasformano il rifiuto solo in una frazio-ne essiccata o invece in un combustibile solido se-condario (CSS). In tutti i casi il recupero energeti-

* Per contatti: Cascina Darsena, 27010 Giussago (Pv).E-mail: [email protected].

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co avviene in un impianto WTE dedicato, ovvia-mente differente in termini di tipologia di combu-stione in accordo con le caratteristiche dei rifiutibruciati. Sia i forni a griglia sia i letti combustorifluidificati sono stati inclusi nell’analisi.Negli ultimi anni Rigamonti et al. (2012) hannocondotto uno studio LCA riguardante la più impor-tante esperienza italiana di produzione e co-com-bustione del CSS in una centrale termoelettrica acarbone. Questo sistema è stato comparato con ladiretta combustione del rifiuto urbano residuo in unimpianto WTE dedicato, nel quale in modo moltoambizioso ma realistico sono state assunte le mi-gliori performance di recupero energetico. Mentresimili esperienze di co-combustione del CSS sonostate difficilmente replicate in Italia, principalmen-te a causa della quota relativamente bassa del car-bone nel mix di produzione di energia elettrica (cheè dominato da gas naturale e da una splendida cre-scita delle fonti rinnovabili), l’opzione più diffusarimane l’utilizzo dei cementifici (Del Borghi et al.,2009). E questo nonostante si sia osservata una si-gnificativa riduzione della produzione di cemento inseguito alla crisi economica (secondo AITEC, 2012il mercato del cemento in Italia si è dimezzato ne-gli ultimi sei anni) e all’opposizione sistematica daparte di comitati locali di cittadini verso qualsiasiiniziativa di co-combustione dei rifiuti, preoccupa-ti per i possibili effetti sulla salute.Tra gli studi dedicati alla valutazione dell’utilizzodel CSS nei forni dei cementifici, si riporta quello diGenon e Brizio (2008), i quali hanno valutato il suoimpatto positivo sulla riduzione dei gas serra. Han-no inoltre dimostrato che l’andamento della con-centrazione della maggior parte degli inquinanti pro-dotti dalla combustione non viene influenzata dal-l’utilizzo del CSS e dal suo livello di sostituzione.D’altra parte, Del Borghi et al. (2009) analizzaronouna serie di dati provenienti da 73 forni per cemen-to in Italia e riscontrarono una generale diminuzio-ne dei valori di NOx, SO2, gran parte dei metallipesanti e PAH durante la co-combustione con com-bustibili alternativi rispetto al funzionamento di ba-se. Concentrazioni più elevate sono state osservatesolo per il COT (carbonio organico totale).Helftewes et al. (2012) hanno analizzato le emis-sioni di gas serra (GHG) provenienti dal tratta-mento dei rifiuti industriali e commerciali consi-derando cinque diverse composizioni dei rifiuti inbase allo specifico settore di produzione e quattrodifferenti scenari di trattamento in Germania. I lo-ro risultati hanno mostrato che la percentuale piùalta di risparmio di GHG può essere realizzata in

ciascuno dei settori industriali analizzati se il CSSviene prodotto per essere co-incenerito nei forni dacemento. Reza et al. (2013) hanno studiato gli im-patti e i benefici ambientali e i costi/benefici eco-nomici della produzione di CSS a partire dai rifiu-ti urbani, e il suo utilizzo come combustibile alter-nativo in due forni da cemento nell’area metropo-litana di Vancouver. La loro ricerca ha confermatoche la produzione di CSS e il suo utilizzo nei for-ni da cemento è una soluzione sostenibile sia dalpunto di vista ambientale sia da quello economico.Garg et al. (2009) e Cimpan e Wenzel (2013) hannoriscontrato che la co-combustione in forni da ce-mento del CSS produce risultati favorevoli rispettoad altre vie di recupero dell’energia. In particolareGarg et al. (2009) attraverso l’utilizzo di accurati bi-lanci di massa ed energia, di un’analisi dei rischi se-mi-quantitativa, di una valutazione ambientale e diuna valutazione finanziaria hanno dimostrato che laco-combustione del CSS in sostituzione del carbonenei forni dei cementifici è l’opzione ottimale tra quat-tro diversi scenari di co-combustione. I bassi rischitecnologici e la buona esperienza degli operatori deicementifici nella gestione dei combustibili derivantidai rifiuti sono stati considerati come ulteriori con-dizioni favorevoli. Cimpan e Wenzel (2013) hannoapplicato il bilancio energetico del ciclo di vita pervalutare il ruolo delle tecnologie TMB nel contestoattuale del recupero energetico dei rifiuti residui, conparticolare attenzione all’utilizzo del CSS in impiantiWTE dedicati. Oltre a trovare una buona ragione perl’implementazione degli impianti TMB nel sistemadi gestione dei rifiuti, a differenza del caso dei ter-movalorizzatori dedicati, per cui il pre-trattamento èsoltanto raramente necessario, viene sottolineato chele ceneri contenute nel CSS possono essere incorpo-rate nel clinker e quindi potrebbero sostituire altrematerie prime minerali, come il calcare, la sabbia ein parte i minerali del ferro.Le indicazioni trovate nella letteratura possono quin-di essere riassunte nelle seguenti considerazioni:• La produzione di un combustibile solido seconda-

rio (CSS) negli impianti TMB è l’opzione preferi-ta quando gli impianti industriali idonei per la suaco-combustione sono disponibili a una distanza ra-gionevole, e quando si ha come principale obietti-vo la riduzione delle emissioni dei gas serra.

• Tali impianti, che comprendono cementifici e cen-trali elettriche a carbone, devono essere struttureall’avanguardia, dotate delle migliori tecniche di-sponibili (BAT) in particolare per quanto riguardale tecnologie per la depurazione dei fumi e per losvolgimento di una ottimale combustione.

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Rifiuti• Potrebbero sorgere alcune preoccupazioni per gli

inquinanti per i quali le tecniche di abbattimentoinstallate negli impianti industriali, non sono effi-caci come quelli installati negli impianti tradizio-nali Waste-to-Energy; si tratta principalmente del-le sostanze altamente volatili come il mercurio, lediossine e furani. Il loro aumento potenziale in re-gime di co-combustione deve essere attentamen-te valutato in misura comparativa fra condizioni difunzionamento base e in co-combustione.

• L’efficienza energetica e ambientale derivantedal recupero di elettricità e calore negli impian-ti di termovalorizzazione è fortemente influen-zata dall’efficienza di produzione dell’energiaelettrica e termica, in particolare quando vienemessa in comparazione con gli impianti di co-combustione del CSS.

La presente ricerca è dedicata a valutare uno spe-cifico caso di studio in cui si ha la produzione diCSS a partire dai rifiuti urbani residui, il quale vie-ne poi inviato a co-combustione in un cementificioalimentato con petcoke. La particolarità di tale va-lutazione rispetto agli studi precedenti è che l’im-pianto TMB è accoppiato con una discarica, in cuivengono depositati i residui di produzione del CSS,gestita non in modo tradizionale ma come bioreat-tore, il quale consente di ottenere un migliore ren-dimento del processo di degradazione anaerobica euna più alta (e più veloce) resa di produzione dibiogas (Reinhart et al., 1996; Benson et al., 2007).

2. MATERIALI E METODI

2.1. Descrizione del sistema

Nel sistema analizzato, ci si è concentrati sul rifiu-to urbano residuo raccolto nella provincia di Cuneo,caratterizzata da un buon livello di separazione; nel2013 infatti, sono state prodotte 261.092 t di rifiuti(441 kg/ab) di cui 131.340 t indifferenziati (222kg/ab) e 129.752 t provenienti dalla frazione diffe-renziata (219 kg/ab). La percentuale di raccolta dif-ferenziata, effettuata con un sistema porta a porta, siassesta quindi al 49,7%; la composizione del rifiu-to residuo che ne scaturisce è riportata in Tabella 1. Esso viene conferito ad un impianto TMB operan-te a flusso unico (Consonni et al., 2005a).Ciò significa che, secondo lo schema riportato in Fi-gura 1, dopo una prima fase di triturazione, l’interamassa viene sottoposta al processo di bioessicca-zione condotto in condizioni aerobiche con aerazio-ne forzata per 12-15 giorni. La perdita di peso parimediamente al 26%, deriva principalmente dall’ac-

qua evaporata grazie al calore rilasciato dal proces-so biologico. Inoltre le frazioni organiche più putre-scibili (rifiuti organici e circa l’80% del sottovaglio)vengono degradate producendo anidride carbonica,acqua, calore, nuova biomassa microbica e compo-sti organici volatili in tracce. Il calore liberato in-nalza la temperatura all’interno della vasca di bio-essiccazione fino a circa 55-60°C, garantendo cosìanche un buon livello di igienizzazione. La corren-te gassosa insufflata dal pavimento forato su cuipoggiano i rifiuti disposti in cumuli, viene aspiratae trattata in un biofiltro costituito da un letto di tor-ba e ramaglia naturale che, attraverso la selezionedi ceppi batterici autoctoni, ossida le molecole odo-rigene, i COV (Composti Organici Volatili) e l’am-moniaca consentendo buoni standard di depurazio-ne. Alla fine del ciclo di bioessiccazione si ottienedunque un materiale di pezzatura omogenea e ri-dotta con un contenuto di acqua significativamenteinferiore al 20% e dalla elevata stabilità biologica.Esso viene inviato alla sezione di raffinazione mec-canica, finalizzata alla produzione di un CSS di al-ta qualità e idoneo all’utilizzo nei forni del cemen-tificio. In questa fase, vengono rimossi i metalli fer-rosi e non ferrosi insieme alla plastica clorurata(PVC), grazie ad un sensore ottico operante nellospettro infrarosso vicino (NIR). I residui della se-zione di raffinazione sono conferiti in una discarica,adiacente all’impianto TMB, gestita come bioreat-tore, consentendo rispetto a una di tipo tradizionale,di avere una produzione di biogas controllata trami-te il ricircolo del percolato prodotto che permette lariattivazione biologica degli scarti (Figura 2).I rifiuti sono posizionati in singole celle da120.000 m3 fino al raggiungimento dell’altezza fi-nale; nel frattempo vengono realizzati i pozzi diestrazione del biogas, che sono collegati al siste-ma di drenaggio del percolato sul fondo della cel-la. La cella viene poi sigillata con un telo in HDPEin modo che possa essere attivata tramite l’inie-

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Tabella 1 – Composizione media del rifiuto urbanoresiduo raccolto e trattato all’impiantoTMB nel 2013 (dato basato su quattrocampioni stagionali)

Frazione merceologica % in peso

Carta e cartone 18 ± 7

Plastica 35 ± 9

Organico putrescibile 4 ± 2,5

Metalli (ferrosi + non ferrosi) 6 ± 3

Legno e tessili 11 ± 6

Sottovaglio (<20mm) 26 ± 10

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contenuto di acqua ottimale (> 35%). Questo per-mette un avvio improvviso del processo di degra-dazione anaerobica. Va ricordato che il materialedi scarto disposto in discarica deriva da un prece-dente processo di degradazione aerobica, che lorende più stabile e non soggetto a degrado ap-prezzabile durante il periodo di tempo precedente

alla sua riattivazione. Il percolato viene ricircola-to con un rateo variabile , fra i 10 e i 70 m3 al gior-no, seguendo uno schema open-loop regolato dalcontenuto di acqua presente in discarica. Il biogasprodotto viene captato e, dopo essere stato depu-rato in un filtro a carboni attivi, inviato a combu-stione in appositi motori per la produzione di ener-gia elettrica.


Sovvallo

RIFIUTI ASSIMILABILI

PORTONE 5

RIFIUTO URBANO RESIDUO

PORTONI 1-2-3-4

Triturazione

BIOESSICCAZIONE

Estrazione

Sottovaglio

Frazione Pesante

CSS prodotto

DISCARICA CER191212

Vagliatura 20 mm

Scanner Ottico

Metalli non Ferrosi

Invio a recuperometalli

CER191202+191203

Metalli Ferrosi

Separatore Aeraulico

Triturazione II°

Deferrizzatore

Deferrizzatore

PVC

Deferrizzatore

DEMETALLIZZATORE Eddy Current

Metalli Ferrosi

Invio a Recupero energetico presso il cementificio Buzzi

Pressatura

Legatore

Frazione Leggera

By-pass

Deferrizzatore

Percolato

ricondensato

Biofiltro

Impianti di depurazione

Emissioni in atmosfera

Scarti Pesanti

Percolato da discarica

CER190703

IMPIANTO DI

TRATTAMENTO BIOCUBI®

Figura 1 – Schema dell’impianto TMB

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I metalli ferrosi e non ferrosi separati durante la fa-se di raffinazione vengono trasportati ad appositiimpianti per il loro riciclo, mentre il CSS prodotto,le cui caratteristiche sono riportate in Tabella 2, è in-viato a co-combustione in un cementificio in sosti-tuzione parziale al petcoke. Il forno del cementifi-cio è equipaggiato con ciclone pre-riscaldatore eprecalcinatore, dotato di un bypass degli alcali perconsentire un alto tasso di sostituzione termica concombustibili secondari che contengono una certaquantità di cloro (come lo è il CSS). L’urea è usataper controllare le emissioni degli NOX attraverso latecnologia della riduzione selettiva non catalitica(SNCR), mentre la depolverazione dei fumi vieneeffettuata con un filtro in tessuto.

2.2. Scopo e obiettivi dell’analisi LCA

L’obiettivo della presente analisi LCA è quello divalutare le prestazioni ambientali ed energetichedel trattamento applicato ai rifiuti urbani residui

raccolti in una parte della Provincia di Cuneo(Nord-Ovest dell’Italia) e conferiti all’impiantoTMB situato nel comune di Villafalletto.I confini del sistema comprendono tutte le unità diprocesso descritte in Figura 3, così come il tra-sporto del CSS dall’impianto TMB al cementifi-cio, dei metalli agli impianti di riciclo e delpercolato di discarica prodotto in eccesso all’im-pianto di trattamento delle acque reflue. Si è assuntal’ipotesi “zero burden”, ovvero di assenza di cari-chi ambientali associati alla “vita precedente” del ri-fiuto (Ekvall et al., 2007), il che significa che il ri-fiuto residuo non apporta alcun impatto negativosull’ambiente nel momento in cui varca il cancellodell’impianto TMB, mentre i problemi di multifun-zionalità sono stati risolti mediante l’espansione deiconfini del sistema per includere i benefici derivantidal riciclo dei metalli e dei prodotti evitati come ilpetcoke e l’energia elettrica (CE JRC-IES, 2010;Finnveden et al., 2009); quest’ultima in sostituzio-ne del mix locale produttivo, ricostruito partendodai dati resi noti dal gestore della rete (Tabella 3). È stata eseguita poi l’analisi di sensitività per ca-pire l’influenza del mix di produzione utilizzatoper modellizzare l’energia elettrica evitata sui ri-sultati (vedi Sezione 3.2).L’unità funzionale scelta è il trattamento di una ton-nellata di rifiuti residui conferiti all’impianto TMB.Tutti i dati di ingresso/uscita si riferiscono all’an-no 2013, con la sola eccezione dell’energia elettri-ca prodotta dal biogas di discarica. Questa è in re-altà originata dalla quantità di residui prodotti dalTMB e stoccati in discarica nel 2013, ma sarà pro-dotta durante un periodo di tempo più lungo, in ba-se alla cinetica di degradazione anaerobica. Unastima di tale lasso temporale è parte del presentestudio, ed è stata riportata nella sezione 2.3.2.


Tabella 2 – Caratteristiche medie del CSS prodottonell’anno 2013 (basato su 12 campionimensili)

Parametro Unità di misura Valore

Umidità % 12,46 ± 2,94

P.C.I. kJ/kg 19985 ± 1436

C % 54 ± 2,2

C biogenico % 26 ± 3,7

Ceneri % (s.s.) 14,13 ± 1,14

As mg/kg (s.s.) < 0,54

Cd + Hg mg/kg (s.s.) 0,67 ± 0,14

Cl % 0,56 ± 0,11

Cr mg/kg (s.s.) 53,45 ± 10,31

Cu (solubile) mg/kg (s.s.) 12,00 ± 3,31

Mn mg/kg (s.s.) 115,2 ± 39,9

Ni mg/kg (s.s.) 15,03 ± 4,8

Pb (volatile) mg/kg (s.s.) 9,92 ± 7,24

S % 0,17 ± 0,03a s.s.: sostanza secca.b P.C.I.: Potere Calorifico Inferiore.

Figura 2 – Schema di funzionamento della discaricabioreattore

Tabella 3 – Mix produttivo elettrico medio della Re-gione Piemonte usato per la sostituzionedell’energia elettrica prodotta dal recupe-ro del biogas (Terna, 2013)

Fonte energetica

Carbone 9,05%

Gas naturale (Ciclo combinato) 22,52%

Olio combustibile 1,09%

Gas di sintesi industriale 5,62%

Idroelettrico 22,05%

Eolico 0,07%

Fotovoltaico 4,17%

Biomasse (motori cogenerativi) 3,75%

Import dalla Svizzera 21,17%

Import dalla Francia 10,52%

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Rifiuti La valutazione degli impatti del ciclo di vita è sta-

ta effettuata seguendo il metodo di caratterizzazio-ne ‘’ILCD 2011 Midpoint” (European Commis-sion, 2012), integrato dal “Cumulative energy de-mand”(CED) (Hischier et al., 2010). Per eseguire icalcoli è stato utilizzato il software SimaPro 8, pertutti i processi in cui dati primari non erano dispo-nibili è stato utilizzato il database Ecoinvent v.2.

2.3. Analisi di inventario

2.3.1. Bilancio di massa ed energia

La Figura 3 riporta il bilancio di massa ed energiadell’intero sistema, inclusi i prodotti e l’energiaevitata, basato sui dati operativi dell’anno 2013,forniti dai gestori degli impianti coinvolti.Questi sono i principali input/output utilizzati perla valutazione del ciclo di vita del sistema in esa-me. I dati primari, derivanti dalla contabilità uffi-ciale fornita dai gestori, sono stati utilizzati per lamaggior parte dei processi principali, e soprattuttoper il bilancio di massa ed energia dell’impiantoTMB, così come per le emissioni in atmosfera dalbiofiltro e per i materiali usati nella sua costruzio-ne (ferro e cemento). Lo stesso vale per la costru-zione e il funzionamento della discarica bioreatto-re, per le emissioni in atmosfera del motore per il

recupero del biogas e il consumo di reagenti chi-mici. I dati sul chilometraggio dei trasporti si sonobasati sulle distanze effettive tra l’impianto TMBe le differenti destinazioni per il CSS, i materiali ri-ciclabili e i residui di processo.

2.3.2. Produzione di biogas nella discarica bioreattore

La valutazione della produzione effettiva del bio-gas da parte degli scarti prodotti dall’impiantoTMB e stoccati nella discarica bioreattore ha ri-chiesto una valutazione dettagliata a causa dellosfasamento temporale tra il loro deposito e la deri-vante produzione di biogas. È stato quindi neces-sario stimare la durata del periodo temporale di ef-fettiva degradazione, e conseguente produzione dibiogas, dei residui stoccati nell’anno 2013.Per i relativi calcoli è stato utilizzato il modelloLandgem (US EPA, 2005), in cui la capacità po-tenziale di generazione del metano (L0) è stata po-sta uguale a 70 Nm3/t, valore derivato da una pro-va sul Potenziale Biochimico di Produzione delMetano (BMP) effettuata su un campione di rifiu-ti prelevato direttamente dalla discarica in questio-ne, ed in linea con il range riportato da Cho et al.(2012). La costante cinetica k invece è stata sti-mata osservando quale curva ottenuta dal modelloLandgem al variare di k fra 0,1 e 0,3 anni-1 (Kim,


Figura 3 – Bilancio di massa e di energia dell’intero sistema (anno 2013). Sono incluse anche le distanze deitrasporti. 1Non considerati nell’analisi LCA a causa della mancanza di dati sul loro fine vita. 2Nonsono un dato primario ma derivato da Clemens and Cuhls (2003), che individuano 50 gN2O/t per unperiodo di bioessiccazione pari a due settimane

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Townsend, 2012) approssimasse meglio quella co-stituita dai dati reali. Dalla Figura 4 si evince cheusando k=0,17 anni-1 la simulazione con il model-lo Landgem descrive praticamente lo stesso anda-mento della curva dei dati misurati. Dalla Figura 5 si osserva come nell’anno 2021 laproduzione di biogas del bioreattore sia equivalen-te a quella della discarica tradizionale, il cui k èpari a 0,05 anni-1 (Kim, Townsend, 2012), per poiessere inferiore negli anni successivi. Si assumequindi che i rifiuti abbancati nel 2013 dopo 8 annisi siano quasi del tutto disattivati; dai risultati nu-merici della simulazione inoltre risulta un tasso diproduzione (mn

3/t) in drastico calo e prossimo allozero negli anni successivi. Tali risultati sono in li-nea con quelli riportati da Reinhart e Al-Yousfi(1996) e Benson et al. (2007).Tramite la simulazione con Landgem del bioreat-tore con k=0,17 anni-1 si calcola che gli scarti riat-tivati lungo la loro vita attiva di 8 anni producono110,62 mn

3/t di biogas. In linea con i risultati diŠpokas et al. (2006), l’efficienza di captazione delbiogas è stata assunta pari al 90%, mentre il re-stante 10% viene rilasciato direttamente in atmo-sfera. Questo valore è stato successivamente sot-toposto ad una analisi della sensibilità (vedi Se-zione 3.2). Del biogas raccolto, circa lo 0,8% è sta-

to bruciato in torcia. Essendo il PCI (Potere Calo-rifico Inferiore) medio del biogas pari a circa 18000kJ/m3 e il rendimento dei motori del 35 %, si ottie-ne una produzione elettrica di 193 kWhel/tscarti.L’ammoniaca è utilizzata per l’abbattimento degliNOx nei fumi di combustione del biogas in uscitadai motori, che viene effettuato con un sistema diriduzione selettiva catalitica (SCR).Si può notare che su base annua, la quantità dienergia elettrica prodotta dal biogas ottenuto dal-la degradazione degli scarti in discarica (3377MWh) è molto simile al consumo di energia per ilfunzionamento dell’impianto TMB stesso (3446MWh). Ovviamente le tempistiche del consumo edella produzione di energia sono completamentediverse perché il consumo di elettricità ha effetti-vamente luogo in un anno, mentre la produzione èdilazionata negli otto anni seguenti; tuttavia quan-do viene raggiunto il funzionamento a regime (co-me nel caso dell’impianto analizzato), possiamoaffermare che la produzione di biogas consente unquasi completo auto-sostentamento energetico del-l’impianto TMB.

2.3.2. La co-combustione del CSS in cementificio

Gli effetti dell’utilizzo del CSS in regime di co-combustione nel forno del cementificio sono mo-strati in Figura 6. Il PCI del petcoke è di 34 MJ/kgmentre quello del CSS è di 19 MJ/kg; inoltre è sta-ta considerata una percentuale di sostituzione ca-lorica del 26,5%. I risparmi si ottengono in termi-ni di emissioni di CO2 fossile evitata, grazie al mi-nor contenuto di carbonio fossile presente nel CSS


Figura 4 – Simulazioni con il modello Landgem per lastima del parametro k. Nota: i “valori mi-surati” utilizzati per costruire il grafico so-no stati forniti direttamente dal gestore del-la discarica e derivano dalle misurazioni diportata sui collettori di aspirazione del bio-gas prodotto, effettuate annualmente daquando la discarica è stata avviata

Figura 5 – Andamento della produzione annuale dibiogas per la discarica tradizionale e quel-la bioreattore

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rispetto a quello nel petcoke (28% vs 87%), al ci-clo di vita e al trasporto del petcoke (via nave da-gli Usa al porto di Savona e successivamente sutreno fino al cementificio) e dell’urea utilizzata perl’abbattimento degli NOx nel forno. La co-com-bustione del CSS ha infatti un ben noto effetto po-sitivo sulla formazione di NOx, in quanto causal’abbassamento della temperatura di fiamma nelforno (Del Borghi et al., 2009); in questa situa-zione specifica, e sulla base dell’analisi dei datioperativi dell’impianto con e senza utilizzo delCSS, questo beneficio non si riflette in una emis-sione di NOx inferiore durante la co-combustio-ne, ma piuttosto in una diminuzione del tasso dialimentazione dell’urea necessaria per mantenerela stessa concentrazione in uscita. Un’analisi si-mile è stata effettuata anche per gli altri inquinan-ti atmosferici, misurati sia durante il funziona-mento in bianco (solo petcoke) sia in regime dico-combustione; si è riscontrato che l’andamentodelle concentrazioni non è direttamente correlatoal variare del tasso di sostituzione termica del pet-coke con il CSS. Ciò è in linea con i molti risul-tati presenti attualmente in letteratura riportati nel-la parte introduttiva. Per questo motivo si è deci-so di trascurare nell’analisi LCA il delta emissivodegli inquinanti concentrandosi solo sui prodottievitati e sul conseguente bilancio della CO2, cal-colato tramite l’analisi differenziale fra il regimedi funzionamento “in bianco” e il regime di co-combustione.

3. RISULTATI E DISCUSSIONE

3.1. Risultati complessivi e analisi dei contributi

La Tabella 4 riporta i risultati dell’analisi LCA del-l’intero sistema, mentre la Figura 7 mostra i con-tributi di ogni singolo processo. La maggior partedegli indicatori sono di segno negativo, il che si-


Figura 6 – Effetto dell’utilizzo del CSS al 26,5% di sostituzione calorica nel forno del cementificio. Nota: ladifferenza fra il petcoke all’ingresso dell’impianto e quello polverizzato alimentato al forno è do-vuto alla fase di macinazione nella quale si ha una perdita in massa di circa il 9% (principalmen-te umidità)

Tabella 4 – Risultati analisi LCA dell’intero sistemariferiti all’unità funzionale (1 t di rifiutoresiduo conferito all’impianto)

Categoria d’impattoUnità dimisura

Cambiamento climatico kg CO2eq -423

Distruzione fascia di ozono kg CFC11eq -0,00011

Tossicità umana, cancerogena CTUh 8,37E-05

Tossicità umana, non cancerogena CTUh -1,49E-05

Materiale particolato kg PM2.5eq -0,18

Formazione fotochimica di ozono kgNMVOCeq -1,09

Acidificazione molc H+eq -2,34

Eutrofizzazione terrestre molc Neq -3,36

Eutrofizzazione acqua dolce kg Peq -0,06

Eutrofizzazione marina kg Neq -0,27

Ecotossicità acqua dolce CTUe 714

Uso del suolo kg C deficit -2974

Esaurimento risorse idriche m3 watereq -0,47

Esaurimento risorse minerali, fos-sili e rinnovabili

kg Sbeq -0,003

Impatto energetico totale MJ -14248

IdA

Rifiuti

gnifica che per queste categorie si manifesta un im-patto evitato, in quanto i risparmi sono superioriagli impatti, mentre i risultati con segno positivosono riferiti agli indicatori della tossicità umana(con effetti cancerogeni) e per l’ecotossicità del-l’acqua dolce. Per entrambi gli indicatori, il con-tributo di segno positivo è dovuto alla fase di re-cupero e riciclo dei metalli ferrosi, in particolareper le emissioni nel comparto acqua di cromo VIdalle scorie discarica (Nessi et al., 2014). Questo èun problema noto e dibattuto all’interno della co-munità LCA (Dong et al., 2014); infatti ulterioristudi sono attualmente in corso per una migliore

comprensione del fenomeno e per l’esistenza dieventuali distorsioni.Dalla Figura 7 si nota come il contributo percen-tuale principale per quasi tutti gli indicatori sia daattribuire al cementificio, grazie al notevole ri-sparmio di combustibile fossile e delle relativeemissioni ottenuti grazie alla co-combustione delCSS. La ripartizione più dettagliata degli impattidell’unità di processo relativa al cementificio (Fi-gura 8) mostra che le emissioni evitate dal ciclo divita del petcoke risparmiato sono quelle con il pe-so maggiore sul risultato, seguite dal trasportotrans-oceanico del CSS. Anche il contributo del-


Figura 7 – Contributo percentuale delle unità di processo del sistema sul risultato totale

Figura 8 – Ripartizione degli impatti nell’unità di processo relativa al cementificio

IdA

Rifiuti

l’unità di recupero dei metalli ferrosi separati dal-l’impianto TMB assume un peso rilevante, non so-lo con un contributo positivo come discusso in pre-cedenza, ma anche con un valore di segno negati-vo sia per l’eutrofizzazione sia per l’esaurimentodelle risorse idriche. Il riciclo dei metalli non fer-rosi invece ha un contributo di segno negativo perquasi tutte le categorie di impatto.Gli impatti derivanti dal funzionamento dell’im-pianto TMB sono apprezzabili solo per la tossicitàumana (con effetti non cancerogeni) e per l’esau-rimento delle risorse, mentre la discarica bioreat-tore gioca un ruolo più marginale. Il suo contribu-to è apprezzabile solo per l’indicatore del cambia-mento climatico a causa della, seppur modesta,quantità di biogas sfuggito dalla discarica e rila-sciata direttamente nell’atmosfera. D’altra parte ilrecupero energetico del biogas prodotto dalla di-scarica può essere apprezzato come un contributodi segno negativo soprattutto negli indicatori diesaurimento delle risorse.La ripartizione delle diverse sostanze inquinantiche contribuiscono al cambiamento climatico è il-lustrata in Figura 9, da cui si evince che la CO2

fossile risparmiata è di gran lunga l’elemento ca-ratterizzante di questo indicatore, mentre il meta-no emesso in atmosfera ma soprattutto l’N2O el’etano esafluoruro non incidono in maniera rile-vante sul risultato. La gran parte della anidride car-bonica risparmiata è da imputare alla co-combu-stione del CSS in cementificio che consente di evi-tare sia le emissioni di CO2 fossile al camino siaquelle derivanti dal ciclo di vita e dal trasporto delpetcoke e dell’urea. La CO2 emessa nella fase dibioessiccazione, dalla discarica bioreattore, dai mo-tori per il recupero del biogas e dalla combustionedella frazione di biomassa contenuta nel CSS è di

tipo biogenico e quindi non incide sul cambia-mento climatico in quanto il suo fattore di caratte-rizzazione è pari a zero; per ogni tonnellata di ri-fiuto urbano residuo trattato, il sistema lungo tuttala sua filiera ne emette un totale di 205 kg CO2 bio.La gestione della discarica in modalità bioreattorepermette inoltre di minimizzare la dispersione delmetano in atmosfera riducendo così il relativo im-patto sul global warming.

3.2. Analisi di sensitività

Sulla base dei risultati emersi finora, si è reputato ne-cessario sottoporre due parametri del sistema ad ana-lisi di sensitività, per valutare se e quanto una loro va-riazione possa cambiare in modo sensibile gli impatticomplessivi. I due parametri scelti sono l’efficienzadi captazione del biogas nella discarica bioreattore eil mix produttivo dell’energia elettrica evitata.Il parametro più incerto della valutazione appenaeffettuata è sicuramente l’efficienza di raccoltadel biogas; infatti il valore utilizzato nella LCA (il90% del biogas prodotto), deriva da un’ipotesisuggerita dal gestore dell’impianto e confermatadalla letteratura per tale tipo di discarica (Špokaset al., 2006). Nonostante tale livello di captazio-ne può essere effettivamente raggiunto in uno sta-to a regime, non si possono escludere delle perditepiù elevate soprattutto in caso di una gestione nonottimale della discarica. Barlaz et al. (2009) sug-geriscono una efficienza del 75% per la raccoltadel biogas in una discarica gestita come bioreat-tore, che è il valore con il quale è stata condottal’analisi di sensitività in questione. Questo datosembra trovare conferma anche in relazione aquello individuato da Scheutz et al. (2011) per lediscariche tradizionali (efficienza del 50%).Un’efficienza di raccolta inferiore significa un au-mento del rilascio di metano nell’atmosfera e unaconseguente diminuzione di produzione di energiaelettrica dai motori.La sensitività sull’energia elettrica evitata è statacondotta perché la scelta del mix energetico medionel caso di sistemi come quello in esame è uno deitemi più dibattuti all’interno della comunità LCA.Nell’analisi di sensitività, l’elettricità evitata è sta-ta quindi modellata come l’energia elettrica margi-nale nel nord Italia. Secondo Rigamonti et al.(2013), questo corrisponde all’energia elettrica pro-dotta da una centrale a ciclo combinato alimentatacon gas naturale.I risultati delle due analisi di sensitività sono ri-portati in Tabella 5. La diminuzione dell’efficien-


Figura 9 – Contributi dei diversi inquinanti sull’indi-catore del cambiamento climatico (per laCO2 biogenica si considera GWP=0)

IdA

Rifiuti

za di raccolta del biogas in discarica ha un impat-to non trascurabile sui cambiamenti climatici, co-me del resto ci si poteva aspettare, che è dell’ordi-ne dell’8% rispetto allo scenario iniziale. Tutte lealtre categorie di impatto manifestano delle varia-zioni inferiori al 5%. Applicando l’energia margi-nale basata sulle centrali a gas naturale per model-lizzare l’energia evitata si ottiene un quadro più va-riegato, in cui alcuni indicatori peggiorano mentresu altri si osserva una variazione migliorativa. Tut-tavia, concentrandosi su variazioni superiori al10%, peggiorano solo gli indicatori della tossicitàumana non cancerogena e dell’esaurimento dellerisorse, mantenendo comunque un generale valorenegativo.

4. CONCLUSIONI

La ricerca presentata nel documento è stato dedi-cato alla valutazione energetica e ambientale di uncaso di studio riguardante la produzione di CSS darifiuti urbani residui e della sua co-combustionenella fornace di un cementificio alimentato con pet-coke. Il CSS è stato prodotto in un impianto TMBa flusso unico (bio-essiccazione seguita da raffina-zione meccanica), in cui i residui di processo ven-gono conferiti in una discarica adiacente gestita co-me bioreattore, che consente una produzione dibiogas più veloce e più stabile. Dai risultati ottenuti tramite l’analisi LCA e daiconfronti effettuati con alcune filiere di trattamen-to analoghe, il sistema in oggetto si è dimostrato ef-

ficiente sia dal punto di vista energetico sia daquello ambientale grazie al fatto che la maggiorparte degli impatti risultano essere più che com-pensati dai benefici legati alle sostituzioni di ma-teria ed energia. Il punto di forza di questo sistemadi gestione del rifiuto è sicuramente il cementificio,in cui il CSS prodotto sostituisce parzialmente nelprocesso di co-combustione il petcoke, evitando inquesto modo gli impatti legati al suo ciclo di vitae al rilascio del carbonio fossile presente in questocombustibile. Questa unità è fondamentale in unafiliera simile, in quanto gli impatti provocati daltrattamento meccanico biologico del rifiuto nontroverebbero giustificazione in mancanza di un im-pianto adatto al co-incenerimento del CSS ottenu-to. Anche la fase di riciclo dei metalli separati dalTMB consente di ottenere un discreto numero diimpatti evitati tranne per le categorie di tossicità, icui risultati sembrano però essere condizionati dal-l’incertezza dei fattori di caratterizzazione di alcu-ni metalli pesanti che tendono a sovrastimare, inmaniera cautelativa, il valore finale dei relativi in-dicatori. La discarica gestita in modalità bioreatto-re, attraverso il recupero energetico del biogas pro-dotto grazie alla riattivazione degli scarti del TMB,permette di mitigare l’impatto provocato dalleemissioni di metano contenuto nella quota parte dibiogas che sfugge alla rete di captazione. Inoltre,grazie proprio al recupero energetico del biogascaptato dalla discarica bioreattore, il funziona-mento del TMB può raggiungere una situazione diregime stazionario in cui l’elettricità prodotta so-


Tabella 5 – Risultati delle due analisi di sensitività effettuate e variazioni rispetto al sistema

Categoria d’impatto Unità di misuraSensitività efficienza

captazione biogasSensitività mix produttivo

energia evitata

Cambiamento climatico kg CO2eq -389 (+8%) -452 (-6,9%)

Distruzione fascia di ozono kgCFC-11eq -0,00011 (+0,2%) -0,00011 (+0,2%)

Tossicità umana, cancerogena CTUh 8,38E-05 (+0,1%) 8,41E-05 (-0,4%)

Tossicità umana, non cancerogena CTUh -1,45E-05 (+2,3%) -1,33E-05 (+12,1%)

Materiale particolato kg PM2.5eq -0,18 (+0,3%) -0,18 (+0,9%)

Formazione fotochimica di ozono kgNMVOCeq -1,072 (+1,9%) -1,11 (-1,9%)

Acidificazione molc H+eq -2,33 (+0,5%) -2,33 (+0,7%)

Eutrofizzazione terrestre molc Neq -3,335 (+0,8%) -3,41 (-1,5%)

Eutrofizzazione acqua dolce kg Peq -0,059 (+1,2%) -0,055 (+7,6%)

Eutrofizzazione marina kg Neq -0,277 (+0,4%) -0,28 (-1,6%)

Ecotossicità acqua dolce CTUe 722 (+1,1%) 753,07 (+5,1%)

Uso del suolo kg C deficit -2972 (+0,1%) -2993,83 (-0,6%)

Esaurimento risorse idriche m3 watereq -0,465 (+2,2%) -0,43 (+9,9%)

Esaurimento risorse minerali, fossili e rinnovabili kg Sbeq -0,0028 (+5%) -0,0021 (+30,8%)

Impatto energetico totale MJ -14182 (+0,5%) -13853 (+2,9%)

IdA

Rifiuti stiene l’autoconsumo dell’impianto stesso. Tale ap-

proccio è risultato valido ed efficace tanto che po-trebbe essere replicato in contesti territoriali, nor-mativi e logistici paragonabili a quello analizzatoin questo studio.

5. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI Aitec, (2012). Sustainability report 2012 (available on

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RINGRAZIAMENTI

Il lavoro è stato svolto in stretta collaborazione conA2A Ambiente, che ha finanziato la ricerca. Il con-tributo di Buzzi Unicem per l’acquisizione dei da-ti di funzionamento del forno del cementificio edel Dott. Garuti per la modellizzazione della di-scarica bioreattore sono stati di fondamentale im-portanza per lo svolgimento dell’analisi.


www.aitecweb.com

http://lct.jrc.ec.europa.eu/assessment/publication

http://www.terna.it/default/Home/SISTEMA_ELETTRICO/statistiche/dati_statistici.aspx

http://www.epa.gov/ttn/catc/dir1/landgem-v302-guide.pdf

per il 2016 è sostenuta da:

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