(Politecnico di Milano) - Valutazione dell`indice di recupero

Transcript

Convegno MatER 2013
Piacenza - 15-16 Maggio 2013
Valutazione dell'indice di
Recupero Energetico R1
prof. Stefano Consonni
ingg. Federico Viganò , Carlo De Servi
Dipartimento di Energia - Politecnico di Milano
ing. Claudio Mazzari
Tecnoborgo SpA
Sommario
1. Indice di Recupero R1
2. La situazione attuale
3. Implicazioni e Criticità
4. Metodologia di calcolo
5. Il caso Tecnoborgo
6. Conclusioni
S. Consonni - Valutazione indice energetico R1 - Piacenza, 16 maggio 2013
2
Genesi dell'indice R1
Direttiva europea
2008/98
La termovalorizzazione dei rifiuti solidi urbani costituisce operazione
di recupero se consegue un’efficienza energetica (R1) pari a:
0,60 in impianti funzionanti autorizzati in conformità della
normativa comunitaria applicabile anteriormente al 1° gennaio
2009;
0,65 in impianti autorizzati dopo il 31 dicembre 2008.
R1 - Utilizzazione dei rifiuti principalmente come
combustibile o come altro mezzo per produrre energia
3
Definizione dell'indice R1
E P − (E F + E I )
R1 =
0,97 × (EW − EF )
energia annua prodotta sotto forma di energia termica o
elettrica;
alimentazione annua di energia nel sistema con combustibili
EF
che contribuiscono alla produzione di vapore;
EW
energia annua contenuta nei rifiuti trattati calcolata in base al
potere calorifico netto dei rifiuti;
EI
energia annua importata, escluse EW ed EF;
0,97 fattore corrispondente alle perdite di energia dovute alle ceneri
pesanti (scorie) e alle radiazioni.
EP
Tutte le energie sono espresse in termini di energia primaria,
moltiplicando:
- energia elettrica per un fattore 2,6 (rendimento 38,5%)
- energia termica per un fattore 1,1 (rendimento 90,9%)
4
Definizione dell'indice R1
Considerando che:
Ep = 2,6 ⋅ Ee + 1,1 ⋅ E th
Si ottiene:
2,6 ⋅ ηe + 1,1 ⋅ ηth − εF − εI
R1 =
0,97 ⋅ (1 − εF )
dove: ηe = rendimento elettrico lordo
ηth = rendimento termico
εF = EF / EW = frazione consumo combustibili ausiliari
εI = EI / EW = frazione energia importata
R1 (ovviamente !) aumenta:
- all'aumentare di ηe e ηth
- al diminuire di εF e εI
5
Legame tra rendimento elettrico e R1
1,4
η th = 40%PCI
EF = 0,65% EW
Indice R1
1,2
η th = 30%PCI
η th = 20%PCI
EI = 0,04% EW
1
η th = 10%PCI
0,8
η th = 0%PCI
0,6
0,4
posizione di queste linee
dipende da prestazioni
turbina a vapore
0,2
22,5%
0
5
10
24,4%
15
20
25
30
Rendimento elettrico lordo, %PCI
35
40
6
Situazione europea (1 – dati CEWEP)
Impianti generazione (Elettricità/calore) vs. cogenerazione
1,6
R1
1,2
0,8
0,4
0
elettricità
calore
CHP
max
0,85
1,08
1,45
media
0,55
0,64
0,76
min
0,22
0,21
0,23
Fonte: Dieter O. Reimann (2012) “Results of Specific Data for Energy, R1 Plant Efficiency Factor
and NCV of 314 European Waste-to-Energy (WtE) Plants” - Cewep Energy Report III.
7
Impianti piccola – media – grande taglia
1,6
R1
1,2
0,8
0,4
0
<100.000t/y
100.000250.000t/y
> 250.000t/y
max
1,45
1,37
1,33
media
0,63
0,7
0,77
min
0,21
0,22
0,36
8
Europa SudOvest (SW), Centrale (C), Nord (N)
1,6
R1
1,2
0,8
0,4
0
SW
C
N
max
1,04
1,17
1,45
media
0,58
0,62
0,97
min
0,21
0,22
0,5
9
Criticità dell’indice R1
I confini del sistema NON comprendono tutte le attività dell’impianto
(vedi linee guida emesse nel 2011).
La formula R1 utilizza una stima dell’energia lorda complessivamente
prodotta (EP). Sembra più corretto considerare l’energia netta.
La formula è svantaggiosa per impianti di piccola taglia (causa effetto
scala sul rendimento), particolarmente se non cogenerativi (come
spesso accade nei paesi mediterranei).
Rapporto 2,6/1,1 tra energia elettrica ed energia termica favorisce
(eccessivamente ?) la generazione di calore: in un impianto
cogenerativo, se ηe diminuisce di un punto percentuale, ηth aumenta
infatti di 5-6 punti percentuali
La valenza “politica” della formula è
preponderante rispetto a quella “fisica”
10
R1: questioni aperte
Definizione dei flussi facenti parte dell’energia complessivamente
prodotta (Ep). Ep include sia l’energia esportata al di fuori dei confini
del sistema che quella riutilizzata nell’impianto stesso (come il
riscaldamento dei fumi prima dell’SCR).
La conversione dell’energia elettrica e termica in energia primaria su
base PCI si basa su fattori di equivalenza (2,6 / 1,1) , che tuttavia
non sono univocamente accettati / definiti.
Revisione della formula con "Climate Factor" per tenere conto delle
penalizzazioni conseguenti a elevata temperatura ambiente.
Iter di verifica del valore dell’indice R1 conseguito dai vari impianti.
Designazione degli enti preposti alla valutazione e/o certificazione
dell’indice R1:
The R1-formula shall be either calculated or verified by an independent
third person before is presented to the competent authority of the EU
Member State by the operator of respective facility
11
PROBLEMATICHE DELLA VALUTAZIONE DELL’INDICE R1
Definizione volume di controllo per la stima dei flussi di energia in
ingresso e in uscita che compaiono nella formula. Linee guida
specificano di considerare solo {combustore + caldaia}, {turboalternatore} e {trattamento fumi}. Sono quindi esclusi i sistemi di
pretrattamento del rifiuto. L’energia consumata nei pretrattamenti
deve tuttavia essere conteggiata in Ep (e.g. essiccamento fanghi).
Stima del flusso di energia associato al rifiuto (Ew) dal bilancio di
energia della caldaia con il "metodo indiretto". Data l’eterogeneità e
variabilità della composizione dei rifiuti, la stima del loro PCI sulla
base di analisi di campioni del materiale in fossa é infatti aleatoria.
Ripartizione del consumo di combustibile ausiliario dell’impianto tra
quote rispettivamente utilizzate per produrre vapore (da conteggiare
in Ef) o per portare in temperatura la camera di combustione durante
le fasi di avviamento (da conteggiare in Ei)
12
Bilancio di caldaia per la stima di Ew
INPUT
Eth rifiuti + Eth altri combustibili + Eth aria di combustione + Eth altri input
OUTPUT
Eth utile (vapore) + Eth fumi + Eth scorie + Eth ceneri leggere + Eth spurghi + Eth irraggiamento
Bilancio di energia della caldaia
=
Per differenza
Eth rifiuti
13
Procedura per calcolo portate aria e fumi
Portata d’aria e portata+composizione fumi sono ottenute sulla base
di (i) modello di rifiuto; (ii) reazioni di combustione; (iii) bilancio di
massa in caldaia. Misurazioni dirette effettuate con la strumentazione
d’impianto sono utilizzate solo parzialmente (e.g. O2 nei fumi).
In questo modo, le portate di aria e di fumi sono valutate in modo
coerente, nel complesso più accurato di quanto fattibile sulla base dei
valori medi delle misure --> eliminazione delle contraddizioni tra
misure e bilanci di massa ed energia.
Questa procedura richiede necessariamente un modello di rifiuto -->
ipotesi sulla composizione delle singole frazioni merceologiche
(discreta letteratura + analisi) + ipotesi sulla presenza nel rifiuto delle
varie frazioni merceologiche (analisi).
Ulteriore variabilità / incertezza dovuta a mix RSU / RSA
14
Modello di rifiuto
Composizione chimica, [%] in massa su base tal quale
PCI
Frazioni:
C
Cl
H
O
N
S
Ceneri
Umidità
MJ/kg
Cellulosici
32,91
0,13
4,56
31,56
0,17
0,10
8,58
22,0
10,71
Legno
37,98
0,08
4,59
31,87
0,45
0,07
2,96
22,0
13,60
Plastica
49,45
1,60
7,10
6,59
0,58
0,14
4,55
30,0
20,64
Vetro, Metalli,
Inerti
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
0,00
95,00
5,0
-0,12*
FORSU
18,13
0,22
2,46
13,53
0,96
0,10
4,60
60,0
5,51
Verde
14,14
0,06
1,78
11,49
0,48
0,05
12,00
60,0
3,82
Tessili
41,89
0,24
5,45
30,13
2,83
0,21
4,25
15,0
15,69
Fanghi Secchi
30
0,26
4,34
17,8
4,1
1,2
42,3
-
12,5
•Per la convenzione adottata nella definizione del bilancio di caldaia, all’umidità è associato un PCI negativo e pari al
calore di evaporazione dell’acqua a 25°C. Poiché le ceneri hanno PCI nullo, ne consegue che il vetro, i metalli e più in
generale gli inerti hanno un PCI negativo, dato dal prodotto tra il calore di evaporazione dell’acqua a 25°C e la frazione
massica dell’umidità in essi contenuta.
15
Procedura di calcolo di Ew
Composizione merceologica del mix individuata con una regressione
che mira a riprodurre quattro parametri:
1) PCI
2) contenuto di ceneri
3) volume fumi tal quali
4) volume fumi secchi
Essendo n.o di gradi di libertà (n.o frazioni merceologiche) >
n.o vincoli (4 parametri riportati sopra), si considerano vincoli
addizionali --> corrispondenza con composizione merceologica tipica
del bacino (TUTTAVIA, auspicabile la definizione di un percorso
deterministico).
Determinazione della composizione media del rifiuto con metodo
iterativo.
16
Procedura di calcolo di Ew
17
Il caso Tecnoborgo
Il termovalorizzatore di Piacenza, entrato in esercizio nel 2002, consta di
due linee di trattamento con forno a griglia MARTIN, per una capacità
termica totale di 45,35 MW.
L’energia termica generata dalla combustione del rifiuto è recuperata nel
ciclo di potenza dell’impianto, che alle condizioni nominali genera 11,7 MW
elettrici lordi.
Attualmente, l’impianto è autorizzato per il trattamento di 120.000
ton/anno di rifiuto.
Technical data at startstart-up
Number of lines
2
Thermal capacity per
line
Low Heating value
(min./max./nom.)
22.67 MW
Waste capacity per line
(min./max./nom.)
8.5/6/7.5 ton/h
Steam output per line
28.8 ton/h
Steam temperature
390 °C
Steam pressure
40 bar
9.6/13.6/10.9 MJ/kg
Net electrical power
10/11 MW
output
S. Consonni - Valutazione indice energetico
Piacenza, 16 maggio 2013
Year R1
of- commissioning
2002
18
Confini del sistema per il calcolo dell’’indice R1
confini dell’impianto
Essiccatore
fanghi
Ew2
Ew
Ew
Ef
Ei
confini del sistema
considerato per il
calcolo dell’indice
R1
- fanghi
Trattamento
fumi
Eth,p
- rifiuti
Caldaia
Turbina e
generatore
Eel,exp
Eel,p
Eel,aux
19
Il caso Tecnoborgo
20
Procedura di calcolo del bilancio di caldaia: CALCOLO EW
Dai bilanci di massa ed energia sulle due
caldaie dell’impianto si determina il potere
calorifico medio del rifiuto nell’anno 2012
Si stima la percentuale in massa delle varie frazioni
merceologiche del mix che costituisce il rifiuto, in
modo tale da riprodurne il potere calorifico medio
RUR + RSA + RS
117322 ton
Rifiuto Trattato Anno 2012
119502 ton
Si corregge il bilancio di massa
delle caldaie
Carta e cellulosici
Legno
Plastica
Vetro Metalli e
inerti
FORSU
Verde
Tessili
Fanghi secchi
2180 ton
Si calcola la composizione chimica media del rifiuto a
partire da quella delle singole frazioni merceologiche
21
DATI DI INPUT PER CALCOLO INDICE R1
Dati generali d’impianto
Rifiuti trattati totali (mix comprensivo dei fanghi secchi)
ton/a
119.502
Fanghi (base secca)
Produzione vapore caldaie
ton/a
ton/a
2.180
429.164
Scorie (di fondo griglia - umide, senza ferrosi)
Ferrosi
ton/a
ton/a
23.130
1.670
Ceneri leggere (da tramogge caldaia e elettrofiltro)
Produzione energia elettrica turbo-alternatore
ton/a
kWh
2.476
84.789.100
Acquisto energia elettrica da rete Enel Distribuzione
Numero avviamenti con entrambe le caldaie ferme
kWh
Numero avviamenti con una caldaia già in marcia
Consumo gas naturale
mn3/a
Consumo gas nat. per avviamento con entrambe le linee ferme mn3
Consumo gas nat. per avviamento - 1 linea già in marcia
mn3
Ore funzionamento totali delle caldaie
h/a
40.233
1
8
398.876
4.650
3.450
16.000
In tabella si evidenzia: le ipotesi del modello di calcolo in rosso, i flussi
totali in ingresso ed uscita all’impianto (rifiuti conferiti, energia elettrica
prodotta, autoconsumi, scarti generati, etc.) in blu, le variabili che
derivano da medie di misurazioni di impianto in verde.
22
DATI DI INPUT PER CALCOLO INDICE R1
Parametri e misure di caldaia
T acqua alimento
°C
P acqua alimento
bar
T vapore uscita caldaia
°C
P vapore uscita caldaia
bar
P corpo cilindrico
bar
Portata blowdown (singola linea)
ton/h
Incombusti nelle scorie e ceneri (in massa, base secca)
%
T media di scarico delle ceneri leggere in caldaia
°C
Tenore umidità scorie (in massa)
%
T media del materiale scaricato a fine griglia
°C
Cp ceneri e scorie
kJ/kg-K
Cp ferrosi
kJ/kg-K
Ripartizione ceneri elettrofiltro/caldaia
%
Frazione aria secondaria e altri rientri su aria totale
%
DT ventilatori
°C
T aria secondaria (Tamb. + DTvent.)
°C
T aria primaria
°C
T media fumi all’uscita dalla caldaia
°C
Frazione molare O2 nei fumi in caldaia
%
Volume dei fumi secchi stechiometrici, specifico al kg di rifiuto mn3/kg
Volume dei fumi umidi stechiometrici, specifico al kg di rifiuto mn3/kg
S. Consonni
- Valutazione
indice
16 maggio
CO nei fumi all’uscita
della caldaia
(base
tal energetico
quale) R1 - Piacenza,mg/
mn3 2013
125
79
390
40
45,5
0,80
1,21
450
15
300
0,879
0,561
32,5
37
5
19,5
162
200
6,15
3,03
3,99
2,23
INPUT Calcolo consumo di vapore all’essiccatore
Fanghi a
tramogge caldaie
1 kg
Fanghi
100 kg
s.s. = 3%
Centrifughe
Fanghi
centrifugati
12 kg
s.s. = 25%
Frazione liquida
chiarificata
88 kg
Impianto di
depurazione
11 kg
Aria
2,44 kg
Essiccatore
Fanghi essiccati
3,44 kg
s.s. = 80%
Caldaie
Vapori leggeri + Aria
10 kg
Degasatore
Vapore
- da turbina o
caldaia -
24
RISULTATI: Bilancio di massa ed energia delle due linee
Input
Bilancio di massa
(lato fumi)
120546 ton/a
Bilancio di energia
Eth/Eth rifiuto
1260436 GJ/a
100,00 %
Aria primaria
64377 GJ/a
5,11 %
462568 ton/a
Aria secondaria
-1510 GJ/a
-0,12 %
271667 ton/a
Evaporazione sol. ammoniacale
-1847 GJ/a
-0,15 %
850 ton/a
Gas Naturale
14072 GJ/a
1,12 %
296 ton/a
847 GJ/a
0,07 %
7265 ton/a
Rifiuti (con umidità fanghi)
Vapori essiccatore
Calce idrata dolomitica
Output
Perdita nelle scorie e ferrosi
Perdita nelle ceneri
Perdita nei fumi
Perdita per irraggiamento
Perdita negli spurghi
Potenza ceduta al vapore
PCI mix
(RUR+RSA+RS+fanghi sec.)
Rendimento di caldaia
0 GJ/a
509 ton/a
-12862 GJ/a
-1,02 %
21331 ton/a
-1519 GJ/a
-0,12 %
2476 ton/a
-162338 GJ/a
-12,88 %
839894 ton/a
-10301 GJ/a
-0,82 %
-7662 GJ/a
-0,61 %
-1141693 GJ/a
-90,58 %
2524 kcal/kg
85,31
10,57
MJ/kg
%
25
Stima finale dell’indice R1
Input di energia al sistema da rifiuti, combsutibili primari e elettricità
Quantità totale di rifiuti trattati (mix RUR+RSA+RS+fanghi secchi)
Umidità totale nei fanghi alimentati in caldaia
PCI dei rifiuti trattati (mix RUR+RSA+RS+fanghi secchi)
Ew : input di energia prodotto dalla combustione dei rifiuti
119.502 ton/a
1.044 ton/a
10,57 MJ/kg
1.260.436 GJ/a
Consumo di gas naturale per produzione vapore
Consumo di gas naturale per avviamenti impianto
Elettricità acquistata dalla rete
272 ton/a
24 ton/a
40.233 kWh/a
Ef : input di energia da combustibili primari
12.934 GJ/a
Ei : energia importata
1.514 GJ/a
Generazione di energia e suo utilizzo
Calore utile recuperato in caldaia
Produzione di energia elettrica del turbogeneratore
Consumo di vapore all'essiccatore fanghi
Energia termica consumata all'essicatore fanghi
Ep,el
Ep,th
Ep : energia prodotta
Indice R1
1.141.693 GJ/a
84.789.100 kWh/a
7.237 ton/a
14.939 GJ/a
793.626 GJ/a
16.433 GJ/a
810.059 GJ/a
(Ep-(Ei+Ef))/(0.97*(Ew+Ef))
64,41
%
26
CONCLUSIONI: il caso Tecnoborgo
Per l'impianto Tecnoborgo, indice R1 per l'anno 2012 risulta 64,4%.
Trattandosi di impianto entrato in funzione prima del 2009, l'impianto
si configura come impianto di recupero
Questa prestazione é significativamente condizionata da:
− piccola taglia
− no cogenerazione
− vincolo su ore di funzionamento (max 8000 ore/anno)
Senza vincolo su ore di funzionamento, nel 2012 R1 sarebbe stato
circa 65,1%. Ancor più, ovviamente, nel caso di collegamento a rete
di teleriscaldamento cittadina.
27
CONCLUSIONI: Indice R1
Introduzione dell'indice R1 introduce una fondamentale classificazione
degli impianti di Termo-utilizzazione rifiuti:
- impianti di recupero (soddisfano requisito su R1)
- impianti di smaltimento (non soddisfano requisito su R1)
Alcune incongruenze / criticità della formula rispetto alla realtà fisica
--> auspicabile maggior aderenza tra indice di prestazione e "qualità"
del processo di recupero di energia
Modalità di calcolo e iter di "certificazione" ancora da definire
compiutamente.
A prescindere da incongruenze e criticità, R1 introduce importante
stimolo all'efficienza energetica e alla sostenibilità della
termoutilizzazione
28
Conclusioni
Grazie
dell'attenzione

(Politecnico di Milano) - Valutazione dell`indice di recupero

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