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lunedì 8 settembre 2014

Valutazione del Ciclo di Vita, applicata a Compostaggio, Digestione Anaerobica, Incenerimento. 2^ parte.




Lo studio intitolato " Confronto ecologico, energetico ed economico della digestione anaerobica con diverse tecniche concorrenti per il trattamento degli scarti biologici" che abbiamo introdotto nella prima parte di questo post  mette a confronto,  con un approccio LCA, sei diversi impianti utilizzati in Svizzera per il trattamento delle frazioni organiche, compreso l'incenerimento con recupero energetico:
- due tipi di impianti di compostaggio, siglati EC e OC.
EC: prevede il compostaggio in ambiente chiuso (biocella), con controllo automatico e la biofiltrazione dell’aria in uscita dalle biocelle.
OC: compostaggio all’aperto con cumuli posti sotto tettoia; i cumuli ricoperti con teli permeabili all’aria, sono rivoltati frequentemente.
-  tre tipi di digestori anaerobici siglati DP, DE e DO
DP: digestione secca termofila (con riscaldamento della biomassa) in impianto completamente chiuso (digestore orizzontale Kompogas) con post trattamento aerobico (compostaggio) in biocella dotata di biofiltro.
DE: combinazione della Digestione  termofila secca in combinazione con compostaggio automatico in biocelle chiuse (tecnologia BRV) , digestione del 40% del materiale grezzo prima del suo inserimento nella linea di compostaggio. L’aria in uscita è depurata con bio-lavaggi.
DO: digestione termofila (tecnologia romOpur) seguito da compostaggio in cumuli all’aperto.
-       -  IS: incenerimento in un moderno impianto di incenerimento con sistema avanzato  per il  
                  trattamento dei fumi, denominato IS.

Tutti gli impianti prevedono il trattamento annuo di 10.000 tonnellate di frazione organica, proveniente da raccolta differenziata, composta per il 60% da scarti di cucina e il 40% da potature.

La composizione chimica di questi scarti organici è stata stimata pari al valore mediano di un ampio archivio dati ottenuto con misure sperimentali, effettuate su frazioni organiche da raccolta differenziata.

Il modello adottato per la LCA prevede che gli scarti organici in arrivo agli impianti abbiano una quantità di scarti indesiderati (vetro, metalli, plastiche…) pari all’1%, scarti che sono separati prima del trattamento biologico. Questi scarti, dopo separazione, sono inviati all’incenerimento e le emissioni di questo specifico trattamento sono state inserite nel bilancio ambientale della LCA.

Nel caso dell’inceneritore, la potenzialità dell’impianto è di 100.000 tonnellate all’anno e lo studio prevede che le 10.000 tonnellate di frazione organica siano mescolate con 90.000 tonnellate di rifiuti urbani indifferenziati.

La stima LCA parte dal momento in cui i rifiuti organici, differenziati dai residenti, lasciano le abitazioni e include tutte le operazioni finali che riguardano l’uso agricolo del compost e lo stoccaggio, in una adeguata discarica, delle ceneri prodotte dall’inceneritore.

Poiché l’energia ha un ruolo importante nel trattamento delle frazioni organiche, sia per quanto riguarda l’energia utilizzata che quella prodotta, si è stimato che l’energia elettrica utilizzata derivi, in proporzione, dalla combinazione di tutte le principali fonti energetiche usate per produrre energia elettrica in Europa nel 1999, compresa l’energia nucleare.

La stima LCA include tutte le emissioni dei trattamenti, comprese quelle prodotte dalla combustione del biogas, dell’inceneritore, dall’uso agricolo del compost prodotto e dallo stoccaggio delle ceneri. Sono stati anche stimati i contributi materiali ed energetici per la costruzione degli impianti e delle necessarie infrastrutture e per la loro demolizione a fine vita.

Nelle emissioni è stata inserita anche quella del metano liberato in atmosfera nel corso del compostaggio, per l’inevitabile presenza, nei cumuli di frazione organica in fase di compostaggio, di zone prive di ossigeno.

Questi valori sono stati misurati sperimentalmente, con intercettazione delle emissioni gassose diffuse che avvengono negli impianti di compostaggio.

In base a questi risultati, si è stimato che nelle emissioni gassose (CO2 + CH4) dell’impianto di compostaggio EC, il 10,3%  in volume sia formato da metano (CH4), una percentuale simile alle perdite complessive di metano, da parte dell’ impianto di digestione anerobica DP.

Per la stima degli impatti degli impianti esaminati sono stati usati due programmi dedicati: EcoIndicator 95 e il metodo UBP del BUWAL (Bundesamt fur Wald, Abfall und Lanschaft ) di Berna.

Fig. 1 Impatti, effetti e danni presi in considerazione nella LCA

Il programma EcoIndicator 95 stima gli impatti dei seguenti effetti (in parentesi i composti presi in considerazione):
-       Diminuzione ozono stratosferico (cloro-fluoro carburi)
-       Tossicita da metalli pesanti (Pb, Hg, Cd)
-       Cancerogenicità (Idrocarburi Policiclici Aromatici, polvere)
-       Smog estivo (IPA, composti organici volatili)
-       Smog invernale (polvere, anidride solforosa)
-       Pesticidi (DDT)
-       Effetto serra (CO2, CH4)
-    Acidificazione piogge (SO2, NOx)
-       Eutrofizzazione (NOx, fosforo)

Insieme all’emissioni di radioattività ( in prevalenza emessa dalle centrali nucleari europee che, in parte, coprono i consumi di elettricità degli impianti esaminati), altri composti chimici presi in considerazione dal programma sono stati: ammoniaca (NH3), protossido di azoto ( N2O), idrogeno solforato (H2S), gas emessi durante i trattamenti biologici.

Per ognuno degli impatti presi in considerazione, Ecoindicator 95+ stima un punteggio, la cui somma permette di valutare l’impatto complessivo dell’impianto in esame.

Entrambi gli impianti di digestione anaerobica (DO e DP) si distinguono per avere importanti impatti negativi, ovvero impatti evitati, in particolare quelli dovuti alla emissione di radioattività, allo smog invernale, all’acidificazione e alle risorse energetiche e alla emissione di cancerogeni.

Questo è dovuto al fatto che questi impianti sono produttori netti di energia rinnovabile, ossia producono più energia rinnovabile, sotto forma di elettricità e calore, di quanto ne serva per costruire, smantellare e far funzionare i rispettivi impianti.

Pertanto la digestione anerobica evita la produzione di energia da fonte fossile e nucleare e di qui il minore impatto, su scala globale, quando questi impianti entrano in funzione, rispetto alla situazione preesistente.

Al contrario, gli impianti di compostaggio sono consumatori netti di energia, pari a 100 kWh di elettricità per tonnellata di frazione organica trattata.

Per produrre questa elettricità, il ricorso a fonte fossili e nucleari provoca l’emissioni di inquinanti che il metodo di calcolo ha stimato, come già segnalato, in proporzione alla composizioni di fonti energetiche (carbone, gas naturale, nucleare, idroelettrico, altre fonti rinnovabili) utilizzate in Europa, nel 1999, per produrre elettricità.

Infine, il metodo LCA adottato permette di calcolare la somma di tutti gli indicatori, opportunamente normalizzati e in questo modo sono possibili diretti confronti tra le diverse tecnologie prese in esame.

La figura che segue sintetizza i risultati finali.

Fig 2. Totale del punteggio calcolato dal programma Ecoindicator 95 per i sei impianti studiati

A titolo di esempio, se si considera anche l’impatto delle emissioni di NH3, N2O e H2S (figura 2 prima colonna - + gas- , per ogni impianto esaminato) e si ipotizza che non ci sia trasferimento di metalli pesanti (figura 2  prima colonna, 0% heavy metals) dal compost usato in agricoltura, alla falda idrica, il punteggio dell' impatto ambientale delle sei tecnologie prese in considerazione è:
Compostaggio in biocella (EC):                                                         0,00085
Compostaggio in cumulo aperto (OC):                                              0,0007
Combinazione Digestione/Compostaggio in biocella (DE):              0,0004
Combinazione Digestione/ Compostaggio in cumulo aperto( DO):  0,0005
Digestione con post-trattamento (DP):                                               0,00015
Incenerimento con trattamento fumi (IS):                                          0,0007

In questo esempio, l'impatto complessivo, nettamente piu basso, è quello della Digestione con post-trattamento (DP), il più alto è quello del compostaggio in biocella (EC), seguito dal compostaggio in cumulo aperto (OC) e dall'incenerimento (IS).

Conclusione
E' corretto premettere che l'Analisi del Ciclo di Vita che abbiamo sintetizzato, in base ai criteri descritti, è valido per lo specifico dominio e per l'anno preso in cosiderazione.

Questi risultati pertanto fanno specifico riferimento alla realtà Svizzera e non possono essere semplicemente trasferiti alla realtà Italiana.

Inoltre, le stime pubblicate sono state valutate in base alla composizione di fonti energetiche operanti in Europa nel 1999.

Nel 2014, in Europa  sono certamente diventate più importanti le fonti energetiche rinnovabili a basso impatto ambientale (solare e eolico) e pertanto gli aspetti energetici della LCA dovrebbero essere aggiornati. Ad esempio, ai fini della stima degli impatti ambientale, l'autonomia energetica della digestione anaerobica,  oggi dovrebbe avere un peso minore.

Tuttavia, alcune delle considerazioni che emergono da questo studio hanno una validità generale.

Il minor impatto ambientale della Digestione Anaerobica deriva, in parte, dal basso livello di contaminanti ( metalli pesanti) presenti nella frazione organica trattata, grazie alla raccolta differenziata di questa frazione. Questa caratteristica è comune anche al compostaggio a cui si sottopongono le frazioni organiche da raccolta differenziata.

Questo aspetto sottolinea, in generale, l'importanza della Raccolta Differenziata ed, in particolare, l'importanza della qualità delle singole frazioni differenziate.

Un vantaggio specifico della digestione anaerobica, rispetto al compostaggio, probabilmente la voce più importante,  è l'autonomia energetica degli impianti di digestione anerobica e la possibilità che questi impianti producano più energia di quanto ne consumino, grazie al biogas autoprodotto.

In questo bilancio è anche importante l'impatto relativamente basso di questo combustibie se confrontato, ad esempio, all'impatto del carbone e dell'olio combustibile.

In questa LCA si è valutato l'uso diretto del biogas con la sua combustione e produzione di calore e elettricità. L'analisi non ha preso in considerazione la possibilità del biogas di essere raffinato per diventare biometano da usare per l'autotrazione e per essere immesso nella rete di distribuzione del gas al posto di un analogo volume di gas naturale.
E' probabile che questa scelta, tecnicamente possibile e attualmente in pratica anche in Svizzera, riduca  ulteriormente l'impatto  ambientale della digestione anaerobica, a causa della migliore qualità del biometano, rispetto al biogas e ad una maggiore sostituzione di un combustibile rinnovabile (biometano) rispetto ad un combustibile fossile ( gas naturale) e all'impatto derivante dalla sua estrazione ( fraking...).

Sia la digestione anaerobica che il compostaggio si avvantaggiano dal fatto che gli ammendanti agricoli che entrambe queste tecniche producono, hanno un contenuto di azoto, fosforo, potassio che evita la produzione di fertilizzanti chimici e il corrispondente impatto ambientale.

Questo aspetto avvantaggia il compostaggio, che ha una produzione specifica di compost, maggiore della digestione anaerobica,  ma non tale da superare i vantaggi della digestione.

Al contrario l'incenerimento della frazione organica, anche se produce energia, distrugge integralmente questo potenziale e costringe a produrre fertilizzanti di sintesi (ad esempio urea) con elevati consumi energetici.

Un ulteriore aspetto a sfavore del compostaggio, di solito trascurato, è l'emissione di metano di questi impianti, dovuto alla inevitabile formazione di sacche anaerobiche nei cumuli di frazioni organiche in fase di compostaggio. In queste condizioni i batteri anerobi fanno il loro mestiere producendo metano che, se si cerca, si trova anche nelle emissioni di un impianto di compostaggio. Misure sperimentali, effettuate nell'ambito di questa LCA, hanno quantificato questo fenomeno, evidenziando come l'immissione di metano in atmosfera da impianti di compostaggio sia confrontabile con le perdite di metano di un impianto di digestione anaerobica.

E per finire, anche se la Svizzera è uno di quei paesi citati per aver dato la preferenza all'incenerimento dei materiali post consumo, questo studio evidenzia, con chiarezza, che l'incenerimento, dal punto di vista energetico ed ambientale non è il migliore sistema di trattamento.

Per coloro che fossero interessati ai costi di questi trattamenti, accenniamo che in assoluto i più alti (285 franchi svizzeri/ton) sono quelli dell'incenerimento, il piu basso (126 fs/ton) il compostaggio con cumuli all'aperto (OC), di poco superiore (137 fs/ton) la digestione termofila con compostaggio (DO). Ovviamente questi sono i costi al 1999, ma è ragionevole ritenere che le differenze tra i costi di queste tecnologie, siano rimaste simili.

Per chi volesse  approfondire gli argomenti trattati  si rinvia all'articolo originario (in inglese) da cui è stata tratta la documentazione di questo post, scaricabile da mio Drow Box