Mettendo la Spazzatura a Buon Uso con Waste-to-Energy
Foto: Jan Truter
nel Corso degli ultimi quattro decenni, noi esseri umani abbiamo triplicato il nostro consumo di risorse naturali della terra, ha detto che un recente rapporto del Programma ambientale delle Nazioni Unite. E secondo il World Resources Institute ” una metà o tre quarti degli input annuali di risorse per le economie industriali vengono restituiti all’ambiente come rifiuti entro un solo anno.”
Nel 2013, gli Stati Uniti hanno prodotto 254 milioni di tonnellate di rifiuti, o rifiuti solidi urbani. Circa 87 milioni di tonnellate di questo è stato compostato o riciclato, 32.7 milioni di tonnellate sono state bruciate per l’energia e 134.3 milioni di tonnellate sono andate in discarica.
I rifiuti solidi urbani sono costituiti da carta, cartone, cibo, erba tagliata, foglie, legno, cuoio, plastica, metalli e materiali sintetici a base di petrolio. Nessun approccio unico può gestire tutti i tipi di rifiuti, quindi una “gerarchia di gestione dei rifiuti” viene utilizzata per classificare le strategie di gestione dei rifiuti in base al loro impatto ambientale. Un principio fondamentale della gestione sostenibile dei rifiuti è cercare di trattare i rifiuti il più in alto possibile nella gerarchia dei rifiuti.
La prima priorità è evitare di produrre 
rifiuti riducendo i consumi e gli imballaggi. La prossima opzione migliore è quella di riciclare; il compostaggio dei rifiuti organici viene dopo. Questo è seguito dalla combustione dei rifiuti post-riciclati per l’energia e poi, infine, lo smaltimento in discarica.
Il numero di discariche statunitensi è diminuito nel corso degli anni, ma la dimensione media delle discariche esistenti è aumentata. Le discariche possono emettere anidride carbonica, metano, composti organici volatili e altri inquinanti pericolosi nell’aria. Negli Stati Uniti, sono il terzo più grande contributore delle emissioni di metano, il cui potenziale di riscaldamento globale è 25 volte più potente dell’anidride carbonica negli anni 100. I gas di discarica possono anche muoversi sottoterra, causando potenzialmente incendi ed esplosioni, e il liquido o il percolato che si accumula nelle discariche può contaminare le acque sotterranee. Inoltre, le discariche sono sgradevoli e odorose.
Una discarica a Danbury, Conn. Foto: Nazioni Unite
La discarica dei rifiuti solidi porta con sé i problemi sopra descritti e significa anche che tutta l’energia inerente ai rifiuti viene sprecata. Bruciare i rifiuti negli impianti waste-to-energy non solo riduce il suo volume del 87 per cento, ma può anche sfruttare la sua energia incorporata e metterlo a buon uso.
Gli impianti che bruciano rifiuti per produrre elettricità sono stati costruiti per la prima volta negli anni ‘ 70. Dopo l’entrata in vigore del Clean Air Act, è diventato chiaro che gli impianti producevano pericolose emissioni di mercurio e diossina; sono state stabilite norme che vietavano la combustione incontrollata di rifiuti e le emissioni limitate di particolato. Durante gli anni 1990, gli Stati Uniti. Environmental Protection Agency ha stabilito i massimi regolamenti di tecnologia di controllo ottenibili, che richiedevano impianti di rifiuti-energia per installare i controlli dell’inquinamento atmosferico. Nel 2007, l’EPA ha confrontato le emissioni da rifiuti a energia tra il 1990 e il 2005; ha riscontrato diminuzioni del 24% nell’ossido di azoto, dell ‘ 88% nell’anidride solforosa, del 99% nelle diossine e del 96% nel mercurio.
Negli Stati Uniti, ci sono attualmente 77 impianti waste-to-energy in 22 stati, che elaborano 95.023 tonnellate di rifiuti ogni giorno, in grado di generare 20.800 gigawattora di elettricità all’anno. L’Europa ha oltre 400 piante di questo tipo e altre 300 si trovano in altre parti del mondo.
La maggior parte di queste piante sono impianti di combustione di massa. I rifiuti vengono immagazzinati in grandi bunker, quindi trasportati in una griglia mobile in un forno dove vengono bruciati a oltre 850 ° C per almeno due secondi per garantire la combustione completa. Il calore del forno riscalda l’acqua in una caldaia, creando vapore che trasforma una turbina per guidare un generatore che produce elettricità. L’elettricità entra quindi nella rete. In Europa, alcuni impianti combinano la produzione di elettricità con un sistema di teleriscaldamento, utilizzando il vapore in eccesso per creare calore utilizzato per riscaldare le case.
Rifiuti in attesa di essere bruciati. Foto: Ari Herzog
Circa il 20 per cento di ciò che rimane dopo la combustione è cenere di fondo non pericolosi; alcuni di essi viene utilizzato per la copertura in discarica per ridurre percolato o è in discarica. In Europa, è spesso utilizzato nel settore delle costruzioni o per la costruzione di strade.
La combustione di materie plastiche come il cloruro di polivinile produce emissioni tossiche, quindi lo scarico della caldaia, i gas di scarico, devono essere trattati con filtri, assorbimento, lavaggio e/o altre attrezzature prima che possano essere rilasciati nell’atmosfera. Il gas di combustione contiene ceneri volanti costituite da particolato e sostanze chimiche tossiche. Le ceneri volanti sono meno del 5% dei rifiuti che entrano nell’impianto; possono essere trattati, ma devono essere smaltiti come rifiuti pericolosi. Infatti, tutti gli inquinanti, anche se filtrati o intrappolati, devono essere smaltiti in apposite discariche. Le acque reflue prodotte dall’impianto vengono trattate e poi rilasciate.
Il Clean Air Act stabilisce norme per l’emissione di anidride solforosa, cloruro di idrogeno, ossidi di azoto, monossido di carbonio, particolato, cadmio, piombo, mercurio e diossine. Il federal Resource Conservation and Recovery Act richiede il test delle ceneri rimanenti per garantire che non sia pericoloso e sia correttamente smaltito o riutilizzato. I requisiti statali sono a volte anche più severi dei regolamenti federali.
Poiché le emissioni di diossina sono la principale preoccupazione per gli impianti waste-to-energy, Nickolas Themelis, direttore e fondatore del Centro di ingegneria della Terra della Columbia University e presidente del Global Waste-to-Energy Research and Technology Council, e il suo studente Henri Dwyer hanno pubblicato un inventario delle emissioni di diossina 2012.
“Tutti gli impianti waste-to-energy sono arrivati a qualcosa come tre grammi per un anno”, ha detto Themelis. “Per confrontare, le diossine totali degli Stati Uniti erano 3.000 grammi. Una delle grandi fonti era incendi discarica con 1.300 grammi.”
” Tutti gli impianti negli Stati Uniti. emettono emissioni di diossina significativamente più basse rispetto ai limiti stabiliti a livello nazionale about circa 100 volte più basse”, ha detto Athanasios Bourtsalas, assistente professore aggiunto nel dipartimento di terra e ingegneria della Columbia University. “E non ci sono prove di sostanze tossiche associate ai rifiuti energetici. Tutte le nostre ricerche passate hanno dimostrato che waste-to-energy è una tecnica di gestione dei rifiuti molto sostenibile per gli oltre 1.000 impianti attualmente operativi nel mondo.”
L’artiglio alla Haverhill di Covanta, MA plant. Foto: Rebecca Zieber
Covanta, leader del settore con 41 strutture in tutto il mondo, afferma che i suoi impianti statunitensi operano a oltre il 60-90% al di sotto dei limiti di emissioni richiesti. La sua tecnologia di controllo delle emissioni all’avanguardia inietta ammoniaca o urea nel forno per trasformare l’ossido di azoto (un componente dello smog e delle piogge acide) in azoto innocuo; il carbone attivo aggiunto ai gas di scarico assorbe mercurio e diossine; la sospensione di calce viene spruzzata nello scarico, rimuovendo il 95% di anidride solforosa e acido cloridrico; e un “baghouse”, molto simile a un aspirapolvere, rimuove il 99,5% del particolato dai gas di combustione. Covanta monitora le emissioni 24/7.
Oltre a una gestione sostenibile dei rifiuti, di energia dai rifiuti impianti a fornire altri benefici, come la porta di tasse (il costo per tonnellata pagati dal comune per l’impianto per la ricezione dei rifiuti), per l’energia elettrica e/o co-generato il calore che viene prodotto, il valore del metallo di scarto raccolti, e, potenzialmente, di crediti di carbonio per le energie rinnovabili (Perché la sua fonte di combustibile è sostenibile, energia dai rifiuti è considerata una tecnologia rinnovabile). Un impianto medio di trattamento dei rifiuti solidi urbani può generare circa 500-600 kWh per tonnellata; a 6 centesimi per kWh, una tonnellata di rifiuti può portare in $30 a $36. Produrre elettricità attraverso i rifiuti invece dei combustibili fossili consente di risparmiare anche un barile di petrolio o un quarto di tonnellata di carbone per ogni tonnellata di rifiuti solidi che viene bruciata. In termini di emissioni di CO2, quando questo metodo viene confrontato con le discariche che non recuperano le loro emissioni di metano, waste-to-energy consente di risparmiare una tonnellata di CO2 per tonnellata di rifiuti; rispetto alle discariche che recuperano i loro gas di discarica, si risparmia circa mezza tonnellata di CO2 per tonnellata di rifiuti.
Tre nuove tecnologie hanno il potenziale per ridurre ulteriormente le emissioni tossiche, lasciare meno residui e produrre syngas, una miscela di gas che può essere utilizzata come combustibile per l’elettricità o trasformata in altri prodotti energetici. Le tre nuove tecnologie-gassificazione, gassificazione al plasma e pirolisi-sono considerate “tecnologie di conversione”, che sono tecnologie che non comportano la combustione (combustione con ossigeno). Surriscaldano i rifiuti solidi in ambienti a basso contenuto di ossigeno, il che riduce notevolmente la produzione di emissioni tossiche e facilita l’immediato recupero di metalli e scorie, quindi meno residui vanno in discarica e ciò che rimane è meno tossico.
Nonostante questi vantaggi, nessuna di queste nuove tecnologie è stata ancora lanciata su scala commerciale negli Stati Uniti In Giappone e in Europa, dove i terreni per le discariche sono scarsi, gli impianti di tecnologia di conversione sono stati supportati con sussidi governativi e regolamenti favorevoli. Ma i costi sono elevati, perché alcune piante richiedono rifiuti più omogenei, il cui pre-ordinamento aumenta il costo, e gli attuali metodi di pulizia dei syngas sono costosi.
Bourtsalas ha spiegato che mentre gli impianti di combustione di massa possono elaborare oltre 1.000 tonnellate di rifiuti solidi al giorno, gli impianti di tecnologia di conversione in Giappone elaborano solo circa 100 tonnellate al giorno; sono in fase pilota. L’impianto di Tees 900 milioni di Tees Valley nel Regno Unito è stato costruito utilizzando la gassificazione per elaborare 700.000 tonnellate di rifiuti all’anno. Impostato per aprire nel 2015, non è mai decollato, ed è andato in bancarotta.
” Tutta la tecnologia in uso ora è la combustione di base, che produce vapore, ad eccezione dei piccoli impianti in Giappone. Sarebbe bello avere più di una tecnologia”, ha detto Themelis. “Ma uno dei problemi di waste-to-energy vs. landfilling è che costa un po’ di più—in media costa 2 20 per tonnellata in più. Anche quel po ‘ di soldi è sufficiente per fare la differenza, quindi se ottieni un nuovo processo che costerà 1 100 in più, non andrà. E ‘ economia.”
Le materie plastiche costituiscono il 13% dei rifiuti solidi urbani.
Il modo migliore per promuovere le tecnologie di conversione sarebbe quello di separare più di 10.000 diversi tipi di plastica nei rifiuti solidi urbani. Attualmente solo il 10 per cento delle materie plastiche sono separati nei programmi di riciclaggio. “Se potessi separare tutte le materie plastiche, allora avresti una buona materia prima per le tecnologie di conversione…ci stiamo lavorando”, ha detto Themelis. “I rifiuti solidi urbani di New York hanno in media 11 megajoule per chilogrammo. La plastica, se separata, avrebbe 35 megajoule per chilogrammo, quindi ha senso iniziare con quello.”
Poiché i tassi di riciclaggio degli Stati Uniti sono rimasti bloccati a circa il 34% per anni, alcuni sostenitori delle tecnologie di conversione sostengono che il riciclaggio e il compostaggio non possono gestire tutti i rifiuti e che per ridurre la quantità destinata alle discariche, è necessaria una qualche forma di trattamento termico. Quelli contro waste-to-energy sostengono che compete con il riciclaggio perché gli impianti devono essere in grado di elaborare abbastanza rifiuti per essere redditizi, e talvolta devono anche trasportarli da lontano, creando più emissioni di gas serra nei trasporti. E dal momento che quasi la metà del costo di un impianto va in controllo dell’inquinamento, mantengono il denaro potrebbe essere speso meglio avanzando la riduzione dei rifiuti e il riciclaggio.
L’impianto di Copenhagen waste-to-energy
In Europa, tuttavia, il waste-to-energy non è un deterrente al riciclaggio. Svezia, Danimarca e Paesi Bassi sono tra i paesi con il maggior numero di impianti per la produzione di energia da rifiuti e hanno alcuni dei più alti tassi di riciclaggio. Alcuni degli impianti all’avanguardia in Europa ora offrono anche altre attrazioni. Uno stabilimento a Copenhagen, che aprirà a marzo 2017, sarà caratterizzato da una pista da sci, e lo stabilimento di Spittelau a Vienna è considerato uno dei 10 migliori siti turistici della città per il suo design esterno fantasioso.
Lo stabilimento di Spittelau a Vienna
Negli Stati Uniti, il 12% dei rifiuti solidi urbani è stato bruciato nel 2013, rispetto al 15% dei primi anni ‘ 90. Ciò è dovuto in parte al fatto che la discarica è ancora un’opzione più economica negli Stati Uniti, dove la terra è abbondante. Le eccezioni sono luoghi come New York City che hanno bisogno di trasportare rifiuti per lunghe distanze.
Per molti anni, New York ha inviato circa 550.000 tonnellate di rifiuti per impianti waste-to-energy in altre parti dello stato, ma di recente, il Dipartimento di igiene impegnata a inviare 800.000 tonnellate, con aumenti in futuro. A New York City, il 25 per cento dei rifiuti va a tali impianti e il 75 per cento va in discarica, che è meglio rispetto alla media nazionale del 10 per cento e il 90 per cento, ha detto Themelis.
Ci sono diverse ragioni per lo sviluppo in fase di stallo di waste-to-energy negli Stati Uniti Ha ancora una reputazione infondata per l’inquinamento in alcuni ambienti, e le comunità possono obiettare di siting strutture in mezzo a loro. Inoltre, il costo di costruzione di una nuova struttura è elevato e possono essere necessari anni per fornire benefici economici.
“Nella maggior parte degli stati degli Stati Uniti, la tassa sulle discariche è meno costosa della tassa di gate waste-to-energy e non esiste una legislazione nazionale”, ha detto Bourtsalas. “In Europa ci sono direttive molto forti—tutti i paesi dell’Unione Europea sono obbligati a implementare il waste-to-energy nei loro sistemi di gestione dei rifiuti. Negli Stati Uniti, ogni stato ha una propria legislazione, non hanno una direttiva con la possibilità di premere i legislatori e le diverse parti interessate per far progredire la gestione sostenibile dei rifiuti.”
Il primo e unico impianto waste-to-energy da costruire negli Stati Uniti dal 1995 ha iniziato a funzionare la scorsa estate nella contea di Palm Beach, in Florida. L’impianto di state 672 milioni di state-of-the-art prevede di ridurre i rifiuti di andare in discarica del 90 per cento, generare 100 MW di energia elettrica, e recuperare 27.000 tonnellate di metalli dopo i rifiuti viene bruciato ogni anno. Soddisfa i limiti di emissioni più bassi di qualsiasi impianto di questo tipo in funzione negli Stati Uniti
L’impianto di Shenzhen
Il più grande impianto waste-to-energy del mondo è in costruzione a Shenzhen, in Cina. Impostato su 35 acri con un design dello stadio, l’impianto di cinque acri incenerirà 5.500 tonnellate di rifiuti al giorno, un terzo della spazzatura generata dai residenti di Shenzhen. L’impianto all’avanguardia, che dovrebbe aprire entro il 2020, dispone anche di un parco e di un hotel. La crescita della tecnologia in Cina è degna di nota: nel 2005 aveva 15 impianti waste-to-energy; oggi sono 188.
L’impianto norvegese di Klemetsrud di Oslo, che produce elettricità e calore, emette oltre 330.700 tonnellate di CO2 ogni anno mentre brucia i rifiuti solidi urbani. Recentemente, l’impianto ha eseguito un test per catturare le emissioni di CO2 dai fumi ed è stato in grado di mantenere fino al 90 per cento di loro di entrare nell’atmosfera. La Norvegia sta ora pianificando un impianto di cattura del carbonio su larga scala da 300 milioni di dollari entro il 2020. La CO2 catturata sarà spedita nel Mare del Nord per essere iniettata e immagazzinata sotto il mare, o iniettata in giacimenti di petrolio e gas per migliorare la produzione.
Si prevede che il mercato globale dei rifiuti-energia crescerà di circa il 5,9% all’anno per raggiungere billion 37,64 miliardi entro il 2020, rispetto a billion 25,3 miliardi nel 2013, secondo un rapporto del 2015. Il Waste-to-Energy Research and Technology Council sta aiutando a promuovere questa crescita promuovendo le migliori tecnologie, lavorando con le sue organizzazioni sorelle in Brasile, Cile, Cina, India, Italia e altrove, e diffondendo la parola sui benefici del waste-to-energy.