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2021-11-30 19:17

Recupero energetico di biogas da discarica

LA CORRETTA GESTIONE DEI RIFIUTI URBANI

di: 
Vito Iaboni

Nel 2010, la produzione nazionale di rifiuti urbani si è attestata su 32,5 milioni di tonnellate, pari a 536 kg pro capite, di cui 248 kg pro capite smaltiti in discarica. Le relative emissioni di gas serra sono ammontate a 14,1 milioni di tonnellate di CO2 eq., pari a 234 kg CO2 eq. pro capite.
Nel 2011, con il biogas captato in discarica, nei 260 impianti di recupero energetico esistenti è stata prodotta energia elettrica per 1.528.100 MWh, pari a 25 kWh pro capite. Ciò ha contribuito alla riduzione dei gas serra per circa 764.000 tonnellate di CO2 eq., pari a 13 kg CO2 eq. pro capite (5% delle emissioni da discarica).
Restando predominante lo smaltimento in discarica, lo sfruttamento del biogas prodotto è un buon metodo per recuperare energia da materiali che non possono più essere utilizzati altrimenti. È pertanto auspicabile un incremento dell’efficienza di captazione del biogas, per aumentare la quota di recupero energetico e ridurre l’emissione di gas serra."


Cenni normativi
Le discariche di rifiuti sono soggette alle norme generali previste nel DLgs 152/2006 “Norme in materia ambientale” [1] ed alle norme specifiche previste nel DLgs 36/2003 “Attuazione della direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti”[2].

Tali prescrizioni indicano che la corretta gestione dei rifiuti deve essere basata sul principio di smaltire in discarica soltanto rifiuti che non possono essere recuperati o trattati, inoltre il succitato DLgs 36/2003 prevede che le discariche che accettano rifiuti biodegradabili devono essere dotate di impianti per l'estrazione del biogas, che garantiscano la massima efficienza di captazione e il biogas, dopo eventuali trattamenti di purificazione, deve essere di norma riutilizzato.

Il termine “biomassa” definito dalla direttiva comunitaria 2009/28/CE [3] sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, deve intendersi come “la frazione biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui di origine biologica provenienti dall’agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali), dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, comprese la pesca e l’acqua coltura, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.

D’altra parte con la direttiva comunitaria 2001/77/CE [4] l’Europa ha deciso di dotarsi di uno strumento per promuovere la produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili, in un quadro di mercato unico europeo dell’energia, fissando per i Paesi membri precisi obiettivi di produzione di elettricità da fonte rinnovabile, per cui la legislazione nazionale il DLgs 387/03 [5] sull’incentivazione economica delle fonti rinnovabili include esplicitamente il “gas di discarica”.

L’attuale normativa promuove la diffusione degli impianti di produzione di energia elettrica da fonti rinnovabili mediante un sistema di tariffe di cessione incentivate e tramite il meccanismo dei certificati verdi (CV). Hanno diritto ad accedere al mercato dei CV gli impianti nuovi, in esercizio dopo l’entrata in vigore del DLgs 79/1999 “Attuazione della direttiva 96/92/CE recante norme comuni per il mercato interno dell'energia elettrica" [6] e quelli esistenti a tale data, ma in seguito ripotenziati. In questo ultimo caso il riconoscimento dei CV è limitato alla sola produzione aggiunta.

Non va, a questo proposito, sottaciuto che il DLgs n. 387/2003, sulla promozione dell’energia elettrica prodotta da fonti rinnovabili, recepisce l’importanza del ruolo che la produzione di energia da rifiuti biodegradabili può svolgere all’interno del sistema di produzione dell’energia, ammettendoli a beneficiare del regime riservato alle fonti energetiche rinnovabili.

La discarica in Italia
In Italia nel 2010 (tabella 1) a fronte di una popolazione di circa 60,6 milioni d’abitanti, sono stati prodotti circa 32,5 milioni di tonnellate di rifiuti urbani, corrispondenti ad una produzione di 536 kg pro capite, con punte massime in Emilia Romagna e Toscana (677 e 670 kg pro capite) e minime in Basilicata e Molise (376 e 413 kg pro capite).

Nello stesso anno, i rifiuti urbani smaltiti in discarica per rifiuti non pericolosi ammontano a circa 15 milioni di tonnellate, corrispondenti a 248 chilogrammi pro capite, il 46% della produzione.

Analizzando i dati in dettaglio, a livello di macroregioni, si evidenziano le seguenti situazioni:

  • il Nord con circa 3,7 milioni di tonnellate (132 kg pro capite) si attesta al 24,8% (Liguria 78,6% - Lombardia 7,7%);
  • il Centro con circa 4,5 milioni di tonnellate (378 kg pro capite) si attesta al 61,6% (Lazio 73,9% - Toscana 43,4%);
  • il Sud con circa 6,8 milioni di tonnellate (326 kg pro capite) si attesta al 66% (Sicilia 93,4% - Sardegna 40,6%).

Impianti di recupero energetico in discarica
Nel 2010 le discariche per rifiuti non pericolosi erano pari a 211, confermando la tendenza alla riduzione di tali impianti. Con l’entrata in vigore del DLgs 36/2003 è stato completamente ridisegnato il quadro impiantistico nazionale (tabella 2), nel 2010 erano presenti nel territorio nazionale 211 impianti (139 in meno rispetto al 2005).

Produzione del biogas
Nelle discariche per rifiuti non pericolosi, il principale prodotto di degradazione, assieme al percolato, è il biogas, composto prevalentemente da metano (CH4) e anidride carbonica (CO2). Il CH4, come noto, ha un Global Warming Potential (GWP) potenziale di riscaldamento globale di un gas ad effetto serra, rispetto a quello della CO2 pari a 21 volte. Tale problematica che, non riguarda soltanto gli impianti in gestione operativa è riferibile anche a quelli non operativi.

In termini nazionali, anno 2010, le emissioni di gas climalterante (tabella 3) ammontano a circa 14,16 Mt CO2 eq. (234 kg CO2 eq. pro capite); viene registrato inoltre che, tali emissioni, nelle discariche non gestite, sono pari a circa 1,6 Mt CO2 eq. equivalenti, circa l’11% di quelle totali. 

Non tutto il gas è captabile(1), ma parte di esso viene disperso in atmosfera, l’IPCC 2006 [9] e l’AEE 2001 [10] valutano (EU 27) nel 20% il valore medio di captazione (combustione in torcia e recupero energetico)(2), l’ARPA Emilia Romagna [11] attraverso un’indagine condotta nel 2005 ha valutato un’efficienza media di captazione del 23%. L’AEE 2012 [12] registra un’efficienza di recupero di biogas pari al 47% (media EU-15) che risulta compresa dal 76% per l’Irlanda al 14% per il Lussemburgo.

Nel 2010 l’efficienza di captazione, a livello nazionale (tabella 3), è ascrivibile al 41%, inferiore di 6 punti percentuali rispetto alla media europea. Esistono pertanto ampi margini, da valutare per incrementare il recupero energetico del biogas da discarica.

Recupero energetico del biogas
Il biogas, dato l’elevato contenuto in CH4, ha un buon potere calorifico (PCI circa 18.000 kJ/Nm3), ben si presta ad una valorizzazione energetica per combustione diretta in caldaia (produzione di calore), in motori a combustione interna accoppiati a generatori elettrici (produzione di energia elettrica) e in cogenerazione (produzione di energia elettrica e calore).

La figura 1 mostra in modo schematico un impianto di produzione di energia elettrica da biogas, costituito dalle seguenti sezioni:

- estrazione del biogas (pozzi di captazione, collettori e linee di trasporto ecc);

- linee di aspirazione e condizionamento del biogas (collettore generale, separatori di condensa, filtri, aspiratori ecc.);

- produzione di energia elettrica (gruppi elettrogeni) e torcia (per il biogas non combusto nella sezione di produzione energetica).

Figura 1 – Schema di un impianto produzione energia elettrica da biogas di discaricaFonte GSE [13]

In termini di energia recuperata dalle discariche, i principali dati disponibili a partire dall’anno 1997 fino al 2011: numero impianti, potenza efficiente lorda installata e produzione lorda di energia elettrica, sono riassunti nella tabella 4 e nelle figure 2 e 3.

Dall’esame della tabella, sotto riportata, si registra che nell’anno 2011 è stata prodotta energia elettrica per 1.528.100 MW equivalenti a circa 25 kWh pro capite.

Figura 2 – Impianti di recupero energetico in discarica e potenza elettrica efficiente lorda (1997-2011)Elaborazione su fonte GSE [13] e TERNA [14]

Figura 3 –Impianti di recupero energetico in discarica e energia elettrica prodotta (1997-2011)
Elaborazione su fonte GSE [13] e TERNA [14]

Nel nella produzione di energia elettrica da centrali termoelettriche, a livello nazionale, il fattore della quantità di CO2 emessa per la produzione elettrica dipende dal mix dei combustibili utilizzati ed è funzione delle loro caratteristiche chimico-fisiche (contenuto di carbonio, potere calorifico inferiore ecc.).

In tabella 5 sono riportati, i fattori di emissione, per le diverse tipologie di combustibili utilizzati nelle centrali termoelettriche nazionali (1990-2009), dal cui esame emerge che i gas derivati presentano fattori di emissione più elevati tra i combustibili fossili, seguiti dai combustibili solidi e dai prodotti petroliferi, mentre gli altri combustibili ed il gas naturale mostrano fattori di emissione più bassi.

Con il ricorso della produzione di energia elettrica da biogas di discarica, in sostituzione di quella ottenuta da combustibili fossili, è possibile valutare il vantaggio ambientale ottenibile considerando la maggior quantità di gas serra che verrebbe immessa nell’atmosfera.

Tali quantità possono essere definite come emissioni evitate di “CO2 equivalenti”, i valori riportati nella tabella 5 sopra riportata hanno permesso di ricavare una curva di regressione (figura 4), espressiva dell’andamento del fattore di emissione del mix di combustibile fossile, l’estensione di tale curva all’anno 2011 porta a definire un valore del fattore di emissione di circa 500 gCO2/kWh lorda. Valore che si ritiene attendibile, a fronte dei dati disponibili e nei limiti della metodologia adottata.

E’ possibile affermare, quindi, che le emissioni evitate, riferite all’anno 2011, sono circa 764.000 tonnellate di CO2 eq. (13 kg CO2 eq. pro capite), corrispondenti a circa il 5% delle emissioni totali di gas serra da discarica, che nel 2010 (tabella 3), erano circa 14,2 milioni di tonnellate di CO2 eq..

Figura 4 - Andamento del fattore di emissione di CO2 per kWh elettrico prodotto dal parco termoelettrico
Elaborazione su fonte ISPRA [15]

In tema di gestione dei rifiuti urbani, pur essendo aumentata negli ultimi anni la tendenza al riciclaggio e al recupero, resta predominante, tuttavia, lo smaltimento in discarica, per cui lo sfruttamento del biogas prodotto in discarica è sicuramente un ottimo metodo per poter recuperare energia da materiali che non possono più essere recuperati.

Valutazioni economiche
L’utilizzo del biogas prodotto dalle discariche rappresenta una significativa opportunità energetica e ambientale. Considerando che produzione teorica media di biogas è orientativamente di circa 200 Nm3/t di rifiuto [16] e che il processo si compie in circa 20 anni, esistono larghi margini di potenzialità complessiva sfruttabile nelle discariche italiane.

Il costo del biogas generato durante la vita della discarica ha valore nullo, in quanto le opere necessarie alla sua captazione sono un obbligo di legge connesso alla gestione.

I costi di investimento ed O&D [17] delle strutture impiantistiche energetiche, per la produzione di energia elettrica da biogas, sono stimabili rispettivamente in 1.800.000 Euro/MW e 150.000 Euro/MW. 


 NOTE

(1) Il sistema di captazione del biogas è parte integrante dell’impianto discarica. E’ buona norma procedere alla captazione del biogas sin dalle prime fasi di esercizio della discarica (sei mesi/un anno). A tale scopo si ritiene opportuno adottare tutti i possibili interventi progettuali (coltivazione per lotti a rapido esaurimento, sistemi di captazione temporanei orizzontali o verticali) e gestionali per accelerare i tempi di attivazione del sistema di captazione

(2) In tal caso di combustione si ha la conversione del CH4 in CO2 non conteggiata come gas effetto serra perché di origine biogenica. Secondo il Dlgs 36/2003 (di recepimento della Direttiva Discariche 1999/31/CE) nelle discariche per rifiuti biodegradabili il biogas deve essere captato, trattato ed utilizzato. Nel caso in cui il biogas non possa essere utilizzato per la produzione di energia, esso deve essere combusto in torcia. In entrambi i casi può essere necessario un trattamento preliminare del biogas, specialmente nel di recupero energetico, a causa della presenza di composti dannosi per i dispositivi di conversione dell’energia, che devono essere rimossi prima della combustione.

BIBLIOGRAFIA

[1] Decreto Legislativo 3 aprile 2006, n. 152 "Norme in materia ambientale" pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 88 del 14 aprile 2006 - Supplemento Ordinario n. 96

[2] Decreto Legislativo 13 gennaio 2003, n. 36 Attuazione della direttiva 1999/31/CE relativa alle discariche di rifiuti pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 59 del 12 marzo 2003

[3] Direttiva 2009/28/CE del Parlamento europeo e del Consiglio del 23 aprile 2009 sulla promozione dell’uso dell’energia da fonti rinnovabili, recante modifica e successiva abrogazione delle direttive 2001/77/CE e 2003/30/CE

[4] Direttiva 2001/77/CE del Parlamento europeo e del Consiglio del 27 settembre 2001 sulla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità

[5] Decreto Legislativo 29 dicembre 2003, n. 387 "Attuazione della direttiva 2001/77/CE relativa alla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità" pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 25 del 31 gennaio 2004 - Supplemento Ordinario n. 17

[6] Decreto Legislativo 16 marzo 1999, n. 79 "Attuazione della direttiva 96/92/CE recante norme comuni per il mercato interno dell'energia elettrica" pubblicato nella Gazzetta Ufficiale n. 75 del 31 marzo 1999

[7] ISPRA – Rapporto rifiuti urbani 2012 (Rapporto 163/2012)

[8] ISPRA – Italian greenhouse gas inventory 1990-2010 - National Inventory Report 2012

[9] Intergovernmental Panel on Climate Change – 2006 IPCC Guidelines for National Greenhouse Gas Inventories

[10] EEA (European Environment Agency) - ETC/RWM working paper 2008/1 - Municipal waste management and greenhouse gases -31 january 2008

[11] ARPA Emilia Romagna – NINFA – Extended workpackage “Emissioni e scenari emissivi – I inventario (2007)

[12] EEA (European Environment Agency) - Technical report No 3/2012 - Annual European Union greenhouse gas inventory 1990–2010 and inventory report 2012

[13] GSE (Gestore della rete di trasmissione nazionale) – http://www.gse.it/it/Pages/default.aspx

[14] Terna (Rete elettrica di trasmissione nazionale) - http://www.terna.it/

[15] ISPRA – Produzione termoelettrica ed emissioni di CO2 - Fonti rinnovabili ed impianti soggetti a ETS (Rapporto 135/2011)

[16] Iaboni V. - Situazione europea e nazionale dello smaltimento dei rifiuti urbani in discarica e produzione di biogas (2012) – Amici della Terra http://astrolabio.amicidellaterra.it/node/294

[17] Lorenzoni A. e Bano L. - I costi di generazione di energia elettrica da fonti rinnovabili - Università degli Studi di Padova,  Dipartimento di Ingegneria Elettrica