Tecnologia di decarbonizzazione collaudata nell'impianto di termovalorizzazione

I ricercatori danesi hanno dimostrato che è possibile rimuovere la maggior parte dell'anidride carbonica (CO₂) dalle emissioni di un inceneritore di rifiuti; dimostrando la fattibilità del processo, i ricercatori ritengono di aver sviluppato una tecnologia fondamentale nella lotta ai cambiamenti climatici. Un impianto pilota è operativo a Copenaghen da diversi mesi e una nuova tecnologia di monitoraggio del gas ha consentito l'ottimizzazione dell'efficienza dell'impianto.

Crediti immagine:  Hufton&Corvo / ARC

Se i leader mondiali vogliono mantenere l'impegno di raggiungere le zero emissioni nette, uno dei loro obiettivi chiave sarà quello di sviluppare e sfruttare tecnologie di decarbonizzazione come cattura e stoccaggio del carbonio (CCS) e cattura, utilizzo e stoccaggio del carbonio (CCUS). I ricercatori dell'Università tecnica della Danimarca (DTU) stanno quindi collaborando con un impianto di incenerimento dei rifiuti altamente innovativo a Copenaghen per sviluppare un processo in grado di catturare l'anidride carbonica (CO₂) dalle sue emissioni. Il progetto utilizza analizzatori di gas avanzati di Vaisala per misurare l'efficienza di cattura del carbonio e quindi la fattibilità del CCUS.

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I ricercatori hanno sviluppato un impianto pilota per catturare la CO₂ dalle emissioni dell'inceneritore presso l'impianto di termovalorizzazione Amager Bakke, che è uno dei più grandi impianti di cogenerazione (CHP) del nord Europa, in grado di trattare 560.000 tonnellate di rifiuti all'anno. Sviluppato dalla società di gestione dei rifiuti con sede a Copenaghen ARC (Amager Ressourcecenter), che è di proprietà congiunta di cinque comuni dell'area di Copenaghen, l'impianto di cogenerazione presenta una serie di innovazioni, tra cui una pista da sci artificiale sul tetto, che fa parte di un centro di attività all'aperto noto come CopenHill.

L'impianto pilota è stato sviluppato per catturare CO₂ dalle emissioni di processi quali il trattamento delle acque reflue, la produzione di biogas, la digestione anaerobica e l'incenerimento dei rifiuti. Tuttavia, i ricercatori stanno anche studiando il modo di catturare e anche utilizzare la CO₂. Prima della sua installazione ad Amager Bakke, l'impianto pilota di cattura dell'anidride carbonica veniva utilizzato in un impianto di trattamento delle acque reflue. "La tecnologia in sé non è nuova", spiega Jens Jørsboe, ricercatore del DTU. "Tuttavia, l'obiettivo del nostro lavoro è quello di ridurre il costo della cattura del carbonio, in modo che possa diventare economicamente fattibile".

Il gas di scarico dell'inceneritore Amager Bakke viene fatto passare attraverso un precipitatore elettrostatico (ESP) per rimuovere il particolato, i composti NOx vengono rimossi mediante riduzione catalitica selettiva (SCR) e uno scrubber rimuove gli ossidi di zolfo. Alti livelli di CO₂ permangono nei fumi e lo scopo principale dell'impianto pilota di cattura del carbonio è quello di studiare la fattibilità della loro cattura. Per ottenere ciò, il gas viene fatto passare verso l'alto attraverso una colonna riempita con pietre e un solvente monoetanolammina (MEA) che separa la CO₂ dal gas. Il solvente viene quindi passato ad un desorbitore che rimuove la CO₂, che ora è quasi pura, e rigenera il MEA per il riutilizzo. Come progetto di ricerca, la CO₂prodotta è attualmente ancora scaricata nell'aria, ma su base commerciale ci sono molte diverse applicazioni industriali che ne prevedono l'utilizzo. Ad esempio, la CO₂ può essere aggiunta in una reazione con l'idrogeno nel processo Sabatier per produrre metano (un gas combustibile) e acqua, a temperatura e pressione elevate, in presenza di un catalizzatore di nichel. Questo può essere un metodo ecologico per la produzione di carburante nel caso in cui l'idrogeno sia generato dall'elettrolisi utilizzando energia rinnovabile, ad esempio solare, biogas o eolica.

La CO₂ viene utilizzata anche in un'ampia varietà di altri settori, tra cui alimentare e delle bevande, refrigerazione, medicina, orticoltura, antincendio, saldatura ecc.; quindi sarebbe disponibile una varietà di potenziali mercati se la CO₂ venisse prodotta con qualità e su scala commerciale.

Monitoraggio dell'efficienza della cattura del carbonio

Si ottiene un'ottimizzazione del processo di cattura del carbonio solo se le concentrazioni di CO₂ possono essere continuamente monitorate sia prima che dopo il processo di cattura. È stata quindi una fortuna che il primo monitoraggio in linea al mondo di CO₂, umidità e metano sia stato sviluppato da Vaisala in Finlandia prima della costruzione dell'impianto pilota.

Il gas di scarico proveniente dagli inceneritori è un gas corrosivo e potenzialmente esplosivo, quindi in passato non era possibile effettuare il monitoraggio in linea. Fino a poco tempo fa, l'unica soluzione era estrarre i campioni per l'analisi al di fuori del processo, ma questo metodo non è adatto per il controllo e l'ottimizzazione del processo e presenta una serie di difetti intrinseci, come la necessità di rimuovere l'umidità dalla linea del campione e la necessità di frequenti ricalibrazioni.

Lo sviluppo della sonda multigas Vaisala, l'MGP261, ha risolto tutte queste sfide di monitoraggio, soprattutto quando è stato seguito da un prodotto gemello, l'MGP262, che è stato adattato per misurare alte concentrazioni di CO₂ ed era quindi ideale per il monitoraggio continuo in linea di CO₂ quasi pura dopo il desorbitore dell'impianto pilota.

L'impianto pilota impiega in totale tre sonde Vaisala, con l'MGP261 che monitora i gas di scarico dell'inceneritore in ingresso e l'MGP262 che misura la purezza della CO₂ estratta. La terza sonda è una sonda Vaisala CARBOCAP® CO2, la GMP251, che controlla i livelli di CO₂ (dopo la cattura del carbonio) nei gas di scarico dell'impianto pilota.

Tecnologia di monitoraggio unica

Tutte e tre le sonde di monitoraggio si basano sulla tecnologia CARBOCAP® che utilizza un filtro interferometro Fabry-Pérot (FPI) sintonizzabile elettricamente. Oltre a misurare le specie target, il filtro FPI micromeccanico consente una misurazione di riferimento a una lunghezza d'onda in cui non si verifica alcun assorbimento. Quando si esegue la misurazione di riferimento, il filtro FPI viene regolato elettricamente per commutare il filtro passa-banda dalla lunghezza d'onda di assorbimento a una lunghezza d'onda di non assorbimento. Questa misurazione di riferimento compensa eventuali cambiamenti nell'intensità della sorgente luminosa e la contaminazione nel percorso ottico, il che significa che il sensore è altamente stabile nel tempo. 

All'interno della sonda MGP261 e MGP262, l'umidità e la CO₂ vengono misurate con lo stesso filtro ottico, mentre un secondo canale ottico misura il metano. Secondo varie modalità, questo strumento combina la potenza analitica di uno spettrometro da laboratorio con il design semplice e robusto di uno strumento di controllo del processo industriale.

Commentando le prestazioni delle apparecchiature di monitoraggio, Jens Jørsboe afferma: "Siamo rimasti molto soddisfatti della precisione e dell'affidabilità delle sonde multigas, anche perché ci hanno permesso di imparare molto sulla gestione dei fumi dall'incenerimento dei rifiuti. Si sa molto sulle emissioni della combustione di combustibili fossili, ma sono disponibili meno informazioni sulle emissioni derivanti dall'incenerimento dei rifiuti. 

La tecnologia impiegata dalle sonde Vaisala sta anche aiutando a ridurre al minimo i costi operativi perché, calibrando in modo efficace le stesse, la necessità di assistenza delle sonde è minima e consente quindi di evitare i tempi di fermo".

Cattura del carbonio a Copenaghen e nel mondo

Con il vantaggio del monitoraggio in linea continuo, i ricercatori sono stati in grado di ottimizzare le prestazioni di cattura del carbonio dopo una valutazione di dodici diverse configurazioni dell'impianto pilota. Avendo dimostrato la fattibilità del processo di cattura del carbonio, il passo successivo è stato valutare i vantaggi relativi dello stoccaggio e dell'utilizzo del carbonio. Jens Jørsboe afferma: " Attualmente, l'utilizzo di CO₂ è l'opzione più costosa a causa dei costi associati all'ulteriore depurazione della CO₂ necessaria, quindi i proprietari dell'impianto di Amager Bakke stanno progettando di richiedere 1,5 miliardi di corone danesi (230 milioni di dollari) per un impianto CCS in grado di catturare 500.000 tonnellate di CO2 all'anno, se il governo danese fornirà il giusto quadro normativo e finanziamenti sufficienti. Questo impianto impiegherebbe lo stesso processo di scrubbing delle ammine che è stato testato dall'impianto pilota di cattura del carbonio".

L'incenerimento di 1 tonnellata di rifiuti urbani (RSU) è associato al rilascio di CO₂ per una quota compresa tra 0,7 e 1,7 tonnellate, a seconda del contenuto dei rifiuti. Di conseguenza, la produzione di energia dall'incenerimento dei rifiuti ha una maggiore quantità di carbonio rispetto alla combustione di gas fossile, quindi la cattura del carbonio offre l'opportunità di gestire il crescente fabbisogno di trattamento dei rifiuti urbani senza generare livelli inaccettabilmente elevati di gas serra.

Guardando al futuro, Jens ritiene che questa tecnologia possa essere applicata a tutti gli inceneritori di rifiuti del mondo, che secondo gli ultimi dati di ecoprog sono pari a circa 2.500 impianti di termovalorizzazione, con una capacità di smaltimento di circa 400 milioni di tonnellate di rifiuti all'anno. 
Inoltre, dovrebbe essere possibile recuperare il calore residuo, che potrebbe essere trasferito all'industria locale o a una rete di teleriscaldamento. 

Riassumendo, Jens afferma: "La recente conferenza COP26 sui cambiamenti climatici a Glasgow ha evidenziato l'urgente necessità di tecnologie che possano aiutare a ridurre le emissioni globali di gas serra come la CO₂. Molti paesi si sono impegnati a raggiungere gli obiettivi delle zero emissioni nette, quindi il nostro lavoro presso l'impianto di termovalorizzazione Amager Bakke offre loro l'opportunità di investire in uno dei modi in cui tale obiettivo può essere raggiunto".