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di Dario Cozzi
 La definizione di biomassa data dalla Direttiva 2009/28/EC introduce la necessità di disporre di criteri e metodologie che permettano di stabilire quale sia il reale contenuto di biomassa all’interno dei combustibili ibridi. Caso tipico, quello dei rifiuti urbani e industriali, composti da una frazione biogenetica (carta, legno, residui animali e vegetali), ma anche da materiale di origine fossile (ad esempio, la plastica).
Questa necessità diviene ancor più evidente se si considerano i meccanismi di incentivazione introdotti con i cosiddetti Certificati Verdi. Inizialmente, per gli impianti ibridi la cosiddetta risoluzione CIP6 del 1992 estendeva l’incentivazione anche alla frazione fossile dei rifiuti urbani, di alcuni rifiuti industriali e del CDR (Combustibile Derivato dai Rifiuti). Successivamente, la Legge 296/2006 (legge finanziaria 2007) ha escluso ogni rifiuto non biodegradabile dal beneficio degli incentivi riservati alle fonti rinnovabili.
Nella forma attuale del DM 18/12/2008, ai rifiuti urbani e al CDR prodotto esclusivamente da rifiuti urbani spetta una quota forfetaria di energia incentivabile, che è stata fissata in misura pari al 51 per cento del totale di energia prodotta dall’impianto (base, questa, sulla quale il GSE elabora le statistiche sulla produzione in Italia). Per le altre tipologie di rifiuto occorre invece quantificare analiticamente la quota di energia rinnovabile prodotta.
È qui che entra in scena la normazione, ambito nel quale ERSE ha partecipato attivamente nelle attività sia di livello nazionale (CTI - Comitato Termotecnico Italiano) sia europeo (CEN - Comitato Europeo di Normazione, Comitato Tecnico 343 Solid Recovered Fuels).
“Queste attività sono state promosse dalla stessa Commissione Europea - spiega Giovanni Ciceri, vice direttore dipartimento Ambiente e Sviluppo Sostenibile di ERSE - allo scopo di fornire un supporto tecnico alle politiche comunitarie di incentivazione della energie rinnovabili. Tale processo ha portato all’emanazione di norme specifiche, atte alla quantificazione del contenuto di biomassa in un campione selezionato di combustibile solido secondario, di cui il CDR è parte integrale (vedi prEN 15440 - Solid Recoverd Fuels - Method for the Determination of the Biomass Content)”.
“Tuttavia, e soprattutto per rifiuti diversi dal combustibile solido secondario - prosegue Ciceri - l’impiego dei classici metodi di campionamento può risultare molto dispendioso in termini economici e può portare a campioni poco rappresentativi dell’intera massa avviata all’impianto. ERSE ha quindi iniziato ricerche specifiche, volte alla quantificazione del contenuto di biomassa, al fine di individuare una metodologia a basso impatto economico e facilmente applicabile ad altre tipologie di rifiuti (urbani e industriali)”.
Ci illustra i primi risultati ottenuti?
Un notevole passo avanti in tale direzione è rappresentato da un metodo che collega il contenuto in carbonio di origine biogenica alla concentrazione dell’isotopo radioattivo 14C nelle emissioni di CO2 prodotte dalla combustione.
La tecnica si basa sul fatto che il 14C, radionuclide naturale prodotto negli alti strati dell’atmosfera per collisione dei raggi cosmici con i nuclei di azoto, si pone in equilibrio con tutti gli esseri viventi, attraverso i processi fotosintetici e le catene alimentari. La conseguenza è che il contenuto di radiocarbonio (inteso come rapporto con il nuclide stabile 12C) in tutti gli organismi viventi è costante, per il fatto che il suo decadimento (tempo di dimezzamento pari a 5.730 anni) è costantemente compensato dall’introduzione di nuovo radionuclide fresco dall’esterno.
Una volta che l’organismo muore, la concentrazione di radiocarbonio diminuisce per decadimento, mentre cessa l’apporto esterno. Il risultato è che, dopo circa 50.000 anni dalla morte dell’organismo, il suo contenuto di radiocarbonio è praticamente prossimo a zero, così come lo è ovviamente nei combustibili fossili, sebbene questi abbiano avuto un’origine biogenica.
La misura del contenuto di 14C, nella CO2 generata dalla combustione di combustibili ibridi, fornisce quindi un rapporto in massa tra contenuto di carbonio di origine biogenica e fossile.
Il passo successivo?
È la conversione di un rapporto in massa, come fornito dalla misura del radiocarbonio, in un rapporto espresso in energia prodotta, essendo le due frazioni (biogenica e fossile) caratterizzate da poteri calorifici differenti. Il problema è attualmente trattato assumendo un potere calorifico inferiore standard per ognuna delle due frazioni, sulla base della composizione chimica e merceologica (ben nota, almeno per alcune tipologie di rifiuti) delle due frazioni.
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ITALIA 2008, DA BIOMASSE E RIFIUTI
IL 10,3 PER CENTO DELL'ENERGIA RINNOVABILE
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Le statistiche pubblicate lo scorso anno dal GSE delineano un trend evolutivo incrementale della produzione nazionale di energia elettrica da fonti rinnovabili (produzione lorda in GWh/ anno).
Questa si è attestata nel 2008 a complessivi 58.164 GWh, a fronte di una produzione lorda totale
di energia di 319.130 GWh. Il peso percentuale su
base annua delle rinnovabili risultava dunque pari
al 18,2 per cento. Se si valuta poi la produzione da fonti rinnovabili rispetto al Consumo Interno Lordo
di energia (CIL), i dati derivabili dalla fonte GSE indicano che la produzione rinnovabile interna è arrivata a coprire nel 2008 il 16,5 per cento del CIL;
un dato percentuale che sale per lo stesso anno
al 24 per cento includendo anche l’energia
rinnovabile acquistata (non di produzione nazionale).
L’analisi su base territoriale evidenzia come le varie Regioni italiane concorrano in modo marcatamente diverso alla produzione da fonti rinnovabili.
Quasi il 50 per cento del totale si deve, infatti, alla capacità produttiva di Lombardia, Trentino Alto Adige e Piemonte. Di contro, la produzione individuale delle Regioni centrali e meridionali è mediamente attestata attorno al 2per cento del totale nazionale.
Quanto all’origine dell’energia rinnovabile prodotta in Italia, si può evidenziare il ruolo sempre dominante della risorsa idrica naturale (71,6 per cento nel
2008); un peso percentuale abbastanza stabile
della geotermia (dall’8,4 per cento del 1997 al 9,5
per cento del 2008); un contributo comunque molto contenuto della fonte solare (0,33 per cento nel
2008) e uno più ampio dell’eolico (dallo 0,25 per
cento nel 1997 all’8,4 per cento nel 2008).
Quanto alla fonte biomasse e rifiuti, il contributo percentuale sul totale dell’energia rinnovabile passa da meno del 2 per cento del 1997 al 10,3 per cento del 2008.
In termini quantitativi ciò significa, per l’anno 2008,
una produzione lorda di energia complessiva da questa fonte valutata in 5.966 GWh. Gli impianti appaiono prevalentemente concentrati in tre Regioni (Lombardia, Emilia Romagna, Veneto) che coprono
da sole circa il 50 per cento della produzione.
Va tuttavia osservato che significativi contributi produttivi provengono anche da realtà quali la Puglia (13,4 per cento) e la Calabria (13,2 per cento),
in entrambi i casi costituiti prevalentemente da
energia da biomasse.
La crescente produzione di energia rinnovabile è anche stata conseguenza delle politiche comunitarie di settore. La Direttiva 2009/28/EC (che ne sostituisce una analoga del 2001), promuove la produzione e l’uso di energia da fonti rinnovabili, includendo tra queste la biomassa, intesa come la frazione biodegradabile di prodotti, rifiuti e residui di
origine biologica, derivanti dall’agricoltura (incluse sostanze di origine vegetale e animale), dalla selvicoltura e attività correlate, quali la piscicoltura
e l’acquacoltura, e la frazione biodegradabile
dei rifiuti industriali ed urbani.
Oltre a quello che la sensibilità comune intende per biomassa classica (ad esempio, biomasse vergini
da coltivazione, residui della lavorazione del legno, sfalci, potature e residui dell’industria agroalimentare), occorre quindi considerare residui e rifiuti industriali
e urbani, relativamente alla sola frazione biodegradabile ad essi associata.
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In quali altre direzioni state lavorando come ERSE?
Sostanzialmente in due direzioni: la prima riguarda casi specifici di rifiuti ai quali risultano difficilmente applicabili le metodologie analitiche attualmente disponibili, sia per motivi tecnici (ad esempio, pneumatici usati) che di rischio per l’operatore (rifiuti ospedalieri pericolosi o a rischio infettivo). In questo caso si cerca di stimare il contenuto di frazione biogenica e il relativo potere calorifico sulla base della composizione merceologica e chimica del rifiuto.
In alternativa al metodo del 14C è attualmente in studio presso ERSE un metodo per la valutazione del contenuto di frazione biodegradabile in combustibili ibridi, che si basa sull’estensione di un approccio definito bilancio di massa ed energia, fondato sulla risoluzione numerica di un sistema costituito da cinque equazioni di bilancio di massa e da una equazione di bilancio di energia. Questo sistema di equazioni è matematicamente sovra determinato, in quanto presenta un maggior numero di equazioni rispetto alle incognite, che nella fattispecie sono rappresentate dalla frazione di massa inerte, dalla frazione di massa di origine biogenica, dalla frazione di massa di origine fossile e dalla massa di acqua (umidità del rifiuto).
Le quattro variabili indipendenti così identificate consentono, una volta determinate, di valutare il contenuto percentuale di biomassa del rifiuto avviato alla combustione sia in termini di peso sia di energia prodotta. L’equazione di bilancio di energia è espressa in termini di potere calorifico inferiore delle due frazioni (biomassa e fossile), nota la produzione di vapore, il salto entalpico netto del ciclo a vapore e il rendimento dell’impianto, parametri generalmente conosciuti dal gestore dell’impianto.
Perché si è scelto un sistema sovra determinato? Sembra una complicazione in più...
Occorre considerare che siamo di fronte a equazioni dove i coefficienti delle incognite non sono delle costanti, ma delle variabili, a ognuna delle quali è associata un’incertezza attorno al valore misurato. Avere un sistema sovra determinato ci permette di poter operare iterativamente su questi coefficienti in modo da ottenere una soluzione reale del sistema che fornisce i valori delle quattro incognite e i valori più probabili dei coefficienti (variabili misurate).
Quali sono le maggiori criticità di ciascuno dei due metodi?
Per quanto riguarda il metodo del 14C, il passaggio chiave da un rapporto sperimentale in massa tra frazione biogenica e fossile ad un rapporto espresso in energia, prevede l’assunzione di valori standard dei poteri calorifici inferiori delle due frazioni: biogenica e fossile. Questi valori sono calcolati sulla base della composizione elementare delle due frazioni (contenuto di carbonio, idrogeno, ossigeno, azoto e zolfo), applicando una relazione empirica del tipo Dulong & Petit. Ciò, in realtà, non comporta un grosso errore nel caso di rifiuti la cui composizione media è ben nota e documentata in letteratura (per esempio, i rifiuti urbani). Nel caso, invece, di rifiuti la cui composizione elementare non è ben nota questo passaggio può risultare delicato e necessitare di studi preliminari che permettano di ottenere una buona stima del potere calorifico delle frazioni di biomassa e fossile.
Venendo al metodo del bilancio di massa, più elevata è la variabilità dei coefficienti, più elevata sarà l’incertezza associata alle incognite. Per contro, anche se la relazione tra massa ed energia è sostanzialmente la stessa che nel caso del metodo al 14C, l’incertezza del risultato è più contenuta, dato che anche questo calcolo segue il processo iterativo di riconciliazione.
Un’altra possibile fonte di errore è rappresentata dai valori dei parametri di processo che entrano nel sistema di equazioni (produzione di vapore, salto entalpico netto del ciclo a vapore e rendimento dell’impianto), che devono essere conosciuti o stimati correttamente.
Quando potrebbero essere disponibili e a quali utilizzatori finali saranno indirizzati?
Stiamo lavorando con il Comitato Termotecnico Italiano, ente federato all’UNI, affinché la sperimentazione del metodo del 14C al camino diventi presto una norma italiana. Questo processo, già in buono stato di avanzamento, richiederà ancora un anno di lavoro.
Il metodo potrà essere applicato sia dagli operatori, sia dagli enti deputati al controllo.
L’applicazione di questi metodi potrà influenzare il sistema degli incentivi?
Come già accennato, ai fini del riconoscimento dei Certificati Verdi, nel caso di impianti ibridi alimentati a rifiuti urbani o a CDR ottenuto esclusivamente da rifiuti urbani (entrambi intesi a valle della raccolta differenziata), il DM 18/12/2008 assegna attualmente una quota di energia rinnovabile forfetaria, pari al 51 per cento di quella complessivamente prodotta al netto dei consumi interni.
La quota del 51 per cento non è casuale, ma deriva da uno studio nel quale il contenuto di frazione biogenica e fossile del rifiuto urbano è stato stimato attraverso metodologie di selezione manuale delle componenti base del rifiuto, assegnando secondo criteri prestabiliti ogni componente separata ad una delle due frazioni (ad esempio, la carta alla frazione biogenica e la plastica a quella fossile). Questo criterio, basato sull’analisi merceologica del rifiuto, è concettualmente lo stesso utilizzato - con qualche variante tecnica - in altri Paesi (ad esempio Francia e Svizzera), dove la quota di energia rinnovabile prodotta dalla combustione di rifiuti urbani è stimata essere sostanzialmente la stessa di quella riconosciuta in Italia.
Lo stesso decreto, tuttavia, stabilisce che i criteri d’incentivazione possono essere rivisti ogni tre anni, anche sulla base della disponibilità di norme tecniche specifiche. Ovviamente la questione resta per la massima parte squisitamente politica, ma è evidente che una volta disponibile una norma nazionale sarà difficile disattenderla. Se le cose dovessero seguire questo iter, almeno dal punto di vista tecnico è probabile che la quota di energia incentivabile prodotta da impianti ibridi alimentati a rifiuti urbani possa essere rivista dal legislatore, qualora questa - determinata sperimentalmente con una norma di riferimento - risultasse sensibilmente diversa dal 51 per cento.
Qual è oggi, nel panorama energetico nazionale, il ruolo dei rifiuti intesi come fonte rinnovabile?
Le statistiche elaborate dal GSE relative alle biomasse comprendono le quote di energia prodotta anche da impianti alimentati a rifiuti biodegradabili, biogas e bioliquidi e con la frazione biodegradabile dei rifiuti solidi urbani, di cui analizzano il trend evolutivo dal 1997 al 2008.
Nel 2008, agli impianti alimentati con rifiuti è attribuita una quota di produzione lorda di energia rinnovabile pari a circa 1.556 GWh totali, (intorno al 26 per cento dell’energia rinnovabile attribuibile alla totalità delle biomasse). I singoli ambiti territoriali concorrono a questo risultato in modo diverso: la Lombardia, da sola, copre quasi il 57 per cento di questa produzione totale, seguita dall’Emilia Romagna (14,1 per cento), dal Lazio (7,1 per cento), dal Veneto (3,9 per cento) e dal Friuli Venezia Giulia (3,2 per cento). La maggior parte delle altre Regioni concorrono individualmente per non oltre il 2 per cento del totale nazionale di energia rinnovabile ottenuta da rifiuti. Infine, alcuni ambiti territoriali - Valle d’Aosta, Liguria, Umbria, Abruzzo, Sicilia - sembrano al momento non fornire alcun contributo.
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