Valutazione dell'indice di Recupero Energetico R1 - MatER

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 


E P 

E F 

E W 

R1 

P 

= 0, 97 

( E ) 

F 

+ EI 

( E − E ) 

Definizione dell'indice R1 

energia annua prodotta sotto forma di energia termica o 

elettrica; 

alimentazione annua di energia nel sistema con combustibili 

che contribuiscono alla produzione di vapore; 

energia annua contenuta nei rifiuti trattati calcolata in base al 

potere calorifico netto dei rifiuti; 

E I 

energia annua importata, escluse E W 

ed E F 

; 

E 

− 

× 

0,97 fattore corrispondente alle perdite di energia dovute alle ceneri 

pesanti (scorie) e alle radiazioni. 

W 

F 

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%) 


Definizione dell'indice R1 

Considerando che: 

E 

p 

= 

2,6 ⋅ 

E 

e 

+ 

1,1 ⋅E 

th 

Si ottiene: 


= 

2,6 ⋅ η 

e 

+ 1,1 ⋅ η 

0,97 ⋅ 

th 

− ε 

( 1 − ε ) 

F 

F 

− ε 

I 

dove: 

η e 

= rendimento elettrico lordo 

η th 

= rendimento termico 

ε F 

= E F 

/ E W 

= frazione consumo combustibili ausiliari 

ε I 

= E I 

/ E W 

= frazione energia importata 

R1 (ovviamente !) aumenta: 

- all'aumentare di η e 

e η th 

- al diminuire di ε F 

e ε I 


Legame tra rendimento elettrico e R1 

1,4 

1,2 

E F 

= 0,65% E W 

η th = 40% PCI 



E I 

= 0,04% E W 

22,5% 24,4% 

1 


Indice R1 

0,8 

0,6 


0,4 

0,2 

0 

posizione di queste linee 

dipende da prestazioni 

turbina a vapore 

5 10 15 20 25 30 35 40 

Rendimento elettrico lordo, %PCI 


Impianti generazione (Elettricità/calore) vs. cogenerazione 

1,6 

Situazione europea (1 – dati CEWEP) 

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. 


1,6 


Impianti piccola – media – grande taglia 

1,2 


0,8 

0,4 

0 

250.000t/y 

max 1,45 1,37 1,33 


min 0,21 0,22 0,36 





Europa SudOvest (SW), Centrale (C), Nord (N) 

1,6 

1,2 


0,8 

0,4 

0 

SW C N 

max 1,04 1,17 1,45 


min 0,21 0,22 0,5 




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 (E P 

). 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 η e 

diminuisce di un punto percentuale, η th 

aumenta 

infatti di 5-6 punti percentuali 

La valenza “politica” della formula è 

preponderante rispetto a quella “fisica” 


R1: questioni aperte 

Definizione dei flussi facenti parte dell’energia complessivamente 

prodotta (E p 

). E p 

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 


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 E p 

(e.g. essiccamento fanghi). 

Stima del flusso di energia associato al rifiuto (E w 

) 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 E f 

) o per portare in temperatura la camera di combustione durante 

le fasi di avviamento (da conteggiare in E i 

) 

S. Consonni - Valutazione indice energetico R1 - Piacenza, 16 maggio 2013 

12

Bilancio di caldaia per la stima di E w 

INPUT 

E th 

rifiuti + E th 

altri combustibili + E th 

aria di combustione + E th 

altri input 

OUTPUT 

E th 

utile (vapore) + E th 

fumi + E th 

scorie + E th 

ceneri leggere + E th 

spurghi + E th 

irraggiamento 

Bilancio di energia della caldaia 

= 

Per differenza 

E th 

rifiuti 


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. O 2 

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 E w 

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 E w 


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 start-up 

Number of lines 2 

Thermal capacity per 

line 

Low Heating value 

(min./max./nom.) 

Waste capacity per line 

(min./max./nom.) 

Steam output per line 

22.67 MW 

9.6/13.6/10.9 MJ/kg 

8.5/6/7.5 ton/h 

28.8 ton/h 

Steam temperature 390 °C 

Steam pressure 

40 bar 

Net electrical power 10/11 MW 

output 

Year of commissioning 2002 

18

Confini del sistema per il calcolo dell’’indice R1 

Essiccatore 

fanghi 

confini dell’impianto 

E w - fanghi 

E w - rifiuti 

E w2 

Trattamento 

fumi 

E th,p 

confini del sistema 

considerato per il 

calcolo dell’indice 


E f 

Caldaia 

E i 

Turbina e 

generatore 

E el,p 

E el,exp 

E el,aux 


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 

Rifiuto Trattato Anno 2012 

119502 ton 

RUR + RSA + RS 

117322 ton 

Fanghi secchi 

2180 ton 

Carta e cellulosici 

Legno 

Plastica 

Vetro Metalli e 

inerti 

FORSU 

Verde 

Tessili 

Si corregge il bilancio di massa 

delle caldaie 

Si calcola la composizione chimica media del rifiuto a 

partire da quella delle singole frazioni merceologiche 


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) ton/a 2.180 

Produzione vapore caldaie ton/a 429.164 

Scorie (di fondo griglia - umide, senza ferrosi) ton/a 23.130 

Ferrosi ton/a 1.670 

Ceneri leggere (da tramogge caldaia e elettrofiltro) ton/a 2.476 

Produzione energia elettrica turbo-alternatore kWh 84.789.100 

Acquisto energia elettrica da rete Enel Distribuzione kWh 40.233 

Numero avviamenti con entrambe le caldaie ferme 1 

Numero avviamenti con una caldaia già in marcia 8 

Consumo gas naturale m n3 

/a 398.876 

Consumo gas nat. per avviamento con entrambe le linee ferme m n 

3 

4.650 

Consumo gas nat. per avviamento - 1 linea già in marcia m n 

3 

3.450 

Ore funzionamento totali delle caldaie h/a 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 125 

P acqua alimento bar 79 

T vapore uscita caldaia °C 390 

P vapore uscita caldaia bar 40 

P corpo cilindrico bar 45,5 

Portata blowdown (singola linea) ton/h 0,80 

Incombusti nelle scorie e ceneri (in massa, base secca) % 1,21 

T media di scarico delle ceneri leggere in caldaia °C 450 

Tenore umidità scorie (in massa) % 15 

T media del materiale scaricato a fine griglia °C 300 

C p 

ceneri e scorie kJ/kg-K 0,879 

C p 

ferrosi kJ/kg-K 0,561 

Ripartizione ceneri elettrofiltro/caldaia % 32,5 

Frazione aria secondaria e altri rientri su aria totale % 37 

DT ventilatori °C 5 

T aria secondaria (T amb. 

+ DT vent. 

) °C 19,5 

T aria primaria °C 162 

T media fumi all’uscita dalla caldaia °C 200 

Frazione molare O 2 

nei fumi in caldaia % 6,15 

Volume dei fumi secchi stechiometrici, specifico al kg di rifiuto m n3 

/kg 3,03 

Volume dei fumi umidi stechiometrici, specifico al kg di rifiuto m n3 

/kg 3,99 

CO nei fumi all’uscita S. Consonni della caldaia - Valutazione (base indice tal energetico quale) R1 - Piacenza, mg/ 16 maggio m 

3 2013 

n 

2,23

INPUT Calcolo consumo di vapore all’essiccatore 

Fanghi 

100 kg 

s.s. = 3% 

Centrifughe 

Impianto di 

depurazione 

Fanghi 

centrifugati 

12 kg 

s.s. = 25% 

Frazione liquida 

chiarificata 

88 kg 

Fanghi a 

tramogge caldaie 

1 kg 

11 kg 

Degasatore 

Aria 

2,44 kg 

Essiccatore 

Vapore 

- da turbina o 

caldaia - 

Fanghi essiccati 

3,44 kg 

s.s. = 80% 

Caldaie 

Vapori leggeri + Aria 

10 kg 


RISULTATI: Bilancio di massa ed energia delle due linee 

Input Bilancio di energia E th 

/E th rifiuto 

Bilancio di massa 

(lato fumi) 

Rifiuti (con umidità fanghi) 1260436 GJ/a 100,00 % 120546 ton/a 

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 

Vapori essiccatore 847 GJ/a 0,07 % 7265 ton/a 

Calce idrata dolomitica 0 GJ/a 509 ton/a 

Output 

Perdita nelle scorie e ferrosi -12862 GJ/a -1,02 % 21331 ton/a 

Perdita nelle ceneri -1519 GJ/a -0,12 % 2476 ton/a 

Perdita nei fumi -162338 GJ/a -12,88 % 839894 ton/a 

Perdita per irraggiamento -10301 GJ/a -0,82 % 

Perdita negli spurghi -7662 GJ/a -0,61 % 

Potenza ceduta al vapore -1141693 GJ/a -90,58 % 

PCI mix 

(RUR+RSA+RS+fanghi sec.) 

2524 kcal/kg 10,57 MJ/kg 

Rendimento di caldaia 85,31 % 


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) 

E w : 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 

E f : input di energia da combustibili primari 

272 ton/a 

24 ton/a 

40.233 kWh/a 

12.934 GJ/a 

E i : energia importata 

Generazione di energia e suo utilizzo 

1.514 GJ/a 

Calore utile recuperato in caldaia 

Produzione di energia elettrica del turbogeneratore 

Consumo di vapore all'essiccatore fanghi 

Energia termica consumata all'essicatore fanghi 

E p,el 

E p,th 

E p : energia prodotta 

Indice R1 (E p -(E i +E f ))/(0.97*(E w +E f )) 

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 

64,41 % 


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. 


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 


Conclusioni 

Grazie 

dell'attenzione 

S. Consonni - Valutazione indice energetico R1 - Piacenza, 16 maggio 2013

Valutazione dell'indice di Recupero Energetico R1 - MatER

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