Analisi delle prestazioni e life cycle costing delle principali filiere di produzione e utilizzo del CSS in Italia

This Thesis concerns the Life Cycle Costing analysis (LCC) and evolutionary scenarios relating to the most significant supply chains located in Italy and is done in collaboration with Ricerca Sistema Energetico-RSE S.p.A. The main goal is to identify treatments that can improve the transformation process of municipal solid waste into energy. It was decided to analyze the economic sustainability and efficiency of supply chains that create and use Refuse-derived fuel (RDF). These supply chains consist of mechanical biological treatment plants (MBT), whose goal is transform the incoming waste into RDF, dry fraction and biodried, used for the production of electricity and/or heat in a waste to energy plant (WtE). An analysis of the state of art of the supply chains was carried out, using data from ISPRA source for 2010-2015. About 2015, some emblematic cases were analyzed, creating performance indicators and splitting out the supply chains into three different clusters based on organic waste treatment technology. For the most representative supply chains was represented the mass balance and was done al LCC analysis in order to find which cluster requires lower costs. Life Cycle Cost analysis has been carried out considering three different functional units: - one ton of municipal solid waste (input); - one ton of refuse-derived fuel produced; - one MWh of energy produced, expressed in terms of exergy. The analysis showed that the supply chain that requires lower costs for the production of 1 MWh of exergy, is the one that biodries all the incoming waste and send the RDF to co-combustion in cement plan. In order to optimize the economic sustainability, I have investigated different configurations and it was found that the best one is the one that sends the RDF to cement plan (for MBT 1) or to WtE 1 (the one with best performance of transformation of energy) for the other supply chains.

L’ uomo utilizza da sempre risorse naturali al fine di rendere più agevole la propria esistenza. Tuttavia oggigiorno siamo arrivati al punto in cui lo sfruttamento intensivo di queste fonti porta a sopperire il fabbisogno energetico nell’immediato, causando però danni ingenti per l’ambiente. La dipendenza dai combustibili fossili e l’enorme impatto ambientale apportato alla natura, fanno sentire l’esigenza di trovare materie prime alternative, che si sostituiscano a quelle altamente inquinanti. L’evoluzione della ricerca scientifica in questo contesto ha avuto moltissimi risultati, incrementando l’utilizzo e l’efficienza delle energie “pulite”. In particolare, la tutela e la salvaguardia dell’ambiente risultano essere molto sentite da parte della popolazione, che con il passare del tempo acquisisce sempre più consapevolezza della necessità di moderare l’utilizzo di risorse esauribili, limitando l’immissione in atmosfera di sostanze inquinanti e climalteranti. A tal proposito sia a livello nazionale che europeo vi è la volontà di raggiungere tali obiettivi tramite l’imposizione di limiti quantitativi precisi: uno degli intenti è quello di ridurre l’emissione dei gas serra entro il 2050 di una quota pari all’80-95% rispetto ai livelli del 1990 [1]. Tuttavia, benché si voglia attuare una politica volta alla decarbonizzazione, è importante mantenere sicurezza e competitività nell’approvvigionamento energetico; nasce quindi l’esigenza di potenziare la produzione di energia da fonti rinnovabili. È proprio in questo contesto che ha origine il presente elaborato di Tesi, sviluppato in collaborazione con Ricerca Sistema Energetico-RSE S.p.A., volto ad individuare i trattamenti in grado di migliorare il processo di trasformazione del rifiuto urbano residuo (RUR) in energia. A tale scopo si è deciso di analizzare la sostenibilità economica e l’efficienza delle filiere di produzione e utilizzo del combustibile solido secondario (CSS) attualmente presenti in Italia. Queste constano di impianti di trattamento meccanico biologico (TMB) del materiale in ingresso, il cui obiettivo è la sua trasformazione in CSS, frazione secca e bioessiccato utilizzati per la produzione di energia elettrica e/o termica. In particolare si è proceduto a: • analizzare come sia variata la gestione integrata dei rifiuti urbani in Italia negli ultimi anni, facendo riferimento alla gerarchia di gestione dei rifiuti urbani, esaminando la produzione di rifiuti a livello nazionale per macro area geografica ed individuando i vari destini di questi ultimi; • illustrare l’architettura delle linee di lavorazione degli impianti di trattamento meccanico biologico (TMB) ed i vantaggi e svantaggi del loro utilizzo; • descrivere l’evoluzione normativa relativa al principale prodotto della lavorazione del rifiuto urbano residuo (RUR) negli impianti di TMB: da Combustibile da Rifiuti (CDR) a Combustibile Solido Secondario (CSS), evidenziando quali siano i parametri utili per la sua classificazione e le specifiche richieste; • studiare la recente evoluzione (2010-2015) delle principali filiere di produzione e utilizzo del CSS, sviluppando indicatori aggregati rappresentativi delle prestazioni complessive in Italia; • approfondire l’analisi relativa ai rifiuti entranti/uscenti da TMB autorizzati alla produzione di CSS nel 2015, creando indicatori impianto specifici; • valutare l’ampliamento del concetto di sostenibilità applicato alla gestione integrata dei rifiuti urbani, includendo l’ambiente (LCA: analisi del ciclo di vita), la società e l’economia (LCC: Life Cycle Costing); • sviluppare valutazioni economiche derivanti da analisi di LCC eseguite per alcune filiere rappresentative del parco impianti italiano nel 2015 ed individuare scenari evolutivi futuri, in un’ottica di ottimizzazione della sostenibilità economica. In particolare la realizzazione di quest’ultima fase è stata possibile grazie ad una ricostruzione degli schemi di flusso e dei bilanci di massa relativi ad alcune filiere di produzione e utilizzo del CSS rappresentative dello scenario italiano nel 2015. I dati utilizzati provengono da fonte ISPRA per quanto riguarda l’arco temporale valutato (2010-2015). Tali valori sono stati confermati ed integrati da dati forniti dai gestori degli impianti per quanto riguarda l’annualità più recente in modo tale da avvalorare gli esiti dell’LCC. La suddetta analisi è stata condotta al fine di valutare quale sia l’alternativa più efficiente tra le filiere di trattamento a cui è sottoposto il rifiuto urbano residuo dal suo ingresso nell’impianto di TMB fino a quando, dopo essere stato trasformato in combustibile solido secondario, viene inviato a termovalorizzazione, co-combustione in cementificio o a centrale termoelettrica. In seguito ai risultati ottenuti dell’analisi di Life Cycle Costing effettuata su quattro filiere esemplificative del panorama italiano nel 2015, anno più recente per cui siano disponibili dati, si auspica che gli impianti dotati di una tecnologia di trattamento a flusso separato (Cluster 3), in futuro possano essere sostituiti da quelli a flusso unico (Cluster 2), in quanto più economici ed efficienti. In particolare si è potuto verificare che questi ultimi abbiano una resa di produzione di CSS maggiore (con valori che oscillano tra il 47% per il TMB 1 ed il 74% per il TMB 3) rispetto a quanto accade per il TMB 4 (24%), in accordo con la volontà espressa dal Ministero dell’Ambiente nel Decreto 22/2013 [10] di aumentare la produzione di CSS di elevata qualità da utilizzare in regime di co-combustione in impianti dedicati come cementifici e centrali termoelettriche, sostituendo i combustibili convenzionali. Inoltre il CSS uscente dagli impianti a flusso unico è dotato di un PCI mediamente maggiore rispetto a quanto accade per i TMB a flusso separato, in quanto l’intera massa viene sottoposta al processo di bioessicazione. Questo rende possibile il conferimento del combustibile solido secondario in impianti che effettuino co-combustione in cementificio (solitamente richiedenti un PCI maggiore per il materiale in ingresso), producendo così un quantitativo di exergia elevato. In aggiunta, per gli impianti a flusso unico, l’assenza della produzione di materiale di difficile gestione quale la FOS, permette di evitare un dispendio economico ed energetico per il trattamento di una frazione non remunerativa, che poi verrebbe conferita a discarica. Nello specifico si è potuto riscontrare che a parità di taglia degli impianti, le tecnologie che si servono di una tipologia di trattamento a flusso unico possano richiedere costi totali [€/a] minori rispetto a quanto accade per gli impianti a flusso separato (9.698.894 €/a per il TMB 2 appartenente al Cluster 2 contro i 15.578.627 €/a per il TMB 4 appartenente al Cluster 3). Tuttavia si è rilevata un’importante differenza tra i tre TMB dotati di impianti di trattamento a flusso unico (TMB 1, TMB 2 e TMB 3) relativa al contesto in cui sono inseriti. Infatti il TMB 1 risulta collocato in maniera autonoma rispetto agli impianti di destino del CSS (avviato a cementificio), trattando al suo interno unicamente gli scarti destinati a discarica. Diversamente il TMB 2 ed il TMB 3 si trovano in siti impiantistici più complessi, dotati di impianti di termovalorizzazione dedicati. Questo comporta che il quadro dei costi rilevati per il TMB 1 sia più veritiero e rappresentativo della realtà di mercato, rispetto agli altri due, dove le diverse politiche aziendali di gruppo si possono ripercuotere sulla effettiva rappresentatività delle voci di costo. In particolare, a seconda delle politiche interne ad ogni sede, possono essere registrati più o meno dipendenti a servizio del TMB, assegnando formalmente i restanti a servizio del termovalorizzatore. Da questo punto di vista si può ritenere che l’allocazione del personale per il TMB 4 sia coerente con le effettive esigenze. Pertanto allo scopo di un confronto tra i due cluster tecnologici individuati (flusso unico e flusso separato), dovranno essere presi in considerazione rispettivamente i TMB 1 e i TMB 4. In accordo con tutte le osservazioni fatte, si può notare che il TMB 1 complessivamente abbia costi minori (5.434.070 €/a), mentre il TMB 4 i costi maggiori (15.578.627 €/a), tuttavia questo dato potrebbe essere influenzato dal quantitativo differente di rifiuti trattati, quindi si è proceduto ad analizzare i costi in funzione delle tre diverse unità funzionali considerate e si è osservato che tra le filiere analizzate, gli impianti a flusso unico detengono sempre costi inferiori. In particolare il TMB 1 risulta richiedere i costi minori sia per il trattamento di una tonnellata di RUR in ingresso (82 €/tRURin) che per la produzione di una tonnellata di CSS (237 €/tCSS), rispetto al TMB 4 dove i costi ammontano a 96 €/tRURin e 398 €/tCSS. Relativamente all’ energia prodotta, gli impianti appartenenti al Cluster “flusso unico” generano un quantitativo maggiore di exergia [MWhex/a] rispetto al Cluster “flusso separato”, con relativi costi minori in termini di [€/MWhex]. Nello specifico l’impianto che destina il CSS prodotto a cementificio (TMB 1) risulta essere quello economicamente più sostenibile se si considera come unità funzionale un MWh di exergia prodotta, con un costo pari a 46 €/MWhex contro gli 815 €/MWhex del TMB 4. Dopo aver analizzato lo stato di fatto di alcune filiere rappresentative del parco impianti attualmente esistente in Italia ed aver individuato quale sia la tecnologia di trattamento che comporta sia un costo minore che una maggior efficienza nella produzione di CSS ed exergia, si è deciso di confrontare quanto accade attualmente con degli scenari ipotetici, che possano proporre dei miglioramenti in un’ottica di ottimizzazione della sostenibilità economica. In particolare la maggior parte delle considerazioni, si basa sul fatto che non tutto il potenziale energetico intrinseco ai flussi uscenti dai differenti TMB venga utilizzato per produrre energia nello scenario reale. Infatti, parte di bioessiccato e frazione secca vengono conferiti a discarica, causando una perdita di efficienza. Per questo motivo sono stati analizzati vari scenari (Figura a) per i quali viene modificato non solo il quantitativo di materiale convogliato ai differenti impianti finali, ma anche la tipologia di destino ultimo e le tonnellate di RUR in ingresso ad ogni impianto di TMB. Figura a: scenari alternativi proposti. Si può ritenere che la soluzione ottimale sia quella riportata nell’elaborato con il nome di “Scenario 6”, per la quale ogni filiera vede in ingresso all’impianto di TMB un quantitativo di rifiuti pari alla capacità autorizzata di trattamento dello stesso, per poi valorizzare energeticamente la totalità di CSS, frazione secca e bioessiccato uscenti, grazie alla co-combustione in cementificio per quanto riguarda il TMB 1, e tramite l’incenerimento nel Termovalorizzatore 1 ( più efficiente per la produzione di energia) per il TMB 2, TMB 3 e TMB 4. Infatti tale configurazione presenta i costi minori in termini di €/MWhex, per ogni filiera considerata. In futuro, per poter sviluppare un’idea di sostenibilità più ampia, che metta in relazione sia gli aspetti economici che ambientali, si potrebbe eseguire un’analisi LCA sulle medesime filiere in modo tale da poter creare degli indicatori di eco-efficienza che mettano in relazione costi ed impatti ambientali. In questo modo sarebbe possibile avere una visione completa dei carichi energetici, ambientali ed economici associati al sistema di gestione dei rifiuti lungo l’intero ciclo di vita degli stessi.