La Tecnologie per il Controllo dell

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La Tecnologie per il Controllo dellImpatto
Ambientale nella Produzione di Energia
Master T.E.R.S.O.

• Daniele Cocco
• Dipartimento di Ingegneria Meccanica
• Università degli Studi di Cagliari
• cocco_at_dimeca.unica.it

Cagliari, Gennaio 2009
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I Sistemi Energetici

• Centrali Termoelettriche a Vapore
• Turbine a Gas
• Impianti Combinati Gas/Vapore
• Motori Alternativi (MCI)
• Impianti di Gassificazione (IGCC)
• Impianti Eolici
• Impianti Idroelettrici
• Impianti Solari, .

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e il loro impatto ambientaIe

• Altri impatti
• Impatto visivo
• Occupazione del suolo
• Emissioni elettromagnetiche
• altro ...

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La Normativa Ambientale

• Normativa sulle emissioni in atmosfera
• Normativa sulle acque
• Normativa sui rifiuti
• Normativa sulle emissioni acustiche
• Caratteristiche dei combustibili
• Quote di emissione di gas serra
• Valutazione di Impatto Ambientale
• Autorizzazione Integrata Ambientale

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Il D.lgs. 3 Aprile 2006 n. 152

• Il D.lgs. 152/2006 Norme in Materia Ambientale
  che ha sintetizzato in un testo unico ambientale
  la maggior parte delle preesistenti norme in
  materia ambientale, include
• Parte seconda, le procedure per la valutazione
  ambientale strategica (VAS), per la valutazione
  d'impatto ambientale (VIA) e per l'autorizzazione
  ambientale integrata (IPPC) Parte terza, la
  difesa del suolo e la lotta alla
  desertificazione, la tutela delle acque
  dall'inquinamento e la gestione delle risorse
  idriche Parte quarta, la gestione dei rifiuti e
  la bonifica dei siti contaminati Parte quinta,
  la tutela dell'aria e la riduzione delle
  emissioni in atmosfera Parte sesta, le norme
  per il risarcimento dei danni contro l'ambiente.

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Impatto Ambientale nella Produzione di Energia
Inquinanti Atmosferici
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D.lgs. 152/2006 Parte V

• Il Titolo I, ai fini della prevenzione e della
  limitazione dell'inquinamento atmosferico, si
  applica agli impianti industriali che producono
  emissioni in atmosfera e stabilisce i valori di
  emissione, le prescrizioni, i metodi di
  campionamento e di analisi ed i criteri per la
  valutazione della conformità delle misure ai
  valori limite (sono esclusi dal campo di
  applicazione gli impianti di incenerimento
  disciplinati dal D.lgs 133/2005)
• Il Titolo II disciplina gli impianti termici
  civili aventi potenza termica nominale inferiore
  a prefissate soglie, tranne quelli che utilizzano
  carbone, coke, antracite e prodotti antracitosi
  con potenza superiore a 3 MW
• Il Titolo III disciplina le caratteristiche
  merceologiche dei combustibili che possono essere
  utilizzati negli impianti di cui ai titoli I e II.

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D.lgs. 152/2006 Parte V

• inquinamento atmosferico ogni modificazione
  dell'aria atmosferica, dovuta all'introduzione
  nella stessa di una o di più sostanze in quantità
  e con caratteristiche tali da ledere o da
  costituire un pericolo per la salute umana o per
  la qualità dell'ambiente oppure tali da ledere i
  beni materiali o compromettere gli usi legittimi
  dell'ambiente
• effluente gassoso lo scarico gassoso, contenente
  emissioni solide, liquide o gassose la relativa
  portata volumetrica è espressa in Nm3/ora,
  valutata sul secco e con un prefissato tenore di
  ossigeno
• migliori tecniche disponibili le più efficienti
  ed avanzate modalità di realizzazione, esercizio
  e chiusura dell'impianto, disponibili a
  condizioni economicamente e tecnicamente valide
  nell'ambito del pertinente comparto industriale,
  in grado di garantire un elevato livello di
  protezione dell'ambiente nel suo complesso.

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Inquinanti e Gas Serra

• Ossidi di Zolfo (SOx). Si formano a partire dallo
  zolfo contenuto nel combustibile

• Ossidi di Azoto (NOx). Si formano a partire
  dallazoto dellaria e del combustibile

• Particolato. Si forma a partire dalle sostanze
  solide presenti nel combustibile

• Ossido di Carbonio e HC. Si formano per
  combustione incompleta

• Anidride Carbonica (CO2). Si forma durante la
  combustione di tutti i combustibili a base di
  carbonio.

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Concentrazione Inquinanti

• a) Bilanci di massa b) Fattori di Emissione
  c) Misure sul campo.

Unità di misura delle concentrazioni mg/m3,
ppmv, ppmm
N2O2
Eccesso daria
Diluizione
Aria stechiometrica
CO2H2O N2 SOX NOXPolveri
Reazioni di combustione
Combustibile (C, H, O, N, S, Ceneri, H2O)
Ceneri pesanti
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Bilancio di massa
SO2SO2
1 kg di S 2 kg di SO2
1kg carbone 12 kg di aria 13 kg di gas
combusti
?
1kg carbone 0,02 kg di S 0,04 kg di SO2
?
1,182 m3 a 180 C e 1,1 bar
1 kg di gas combusti
0,780 m3 a 0 C e 1,0 atm
0,04 kg di SO2
CSO2
2600 mg/m3 (3900 mg/Nm3)
131,182 m3 di gas
0,04 kg di SO2
CSO2
3080 ppm,m (1393 ppm,v)
13 kg di gas
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Fattori di Emissione
5,44 kg di NOX
mIFmC
CNOX
418 ppm,m 535 mg/Nm3
13 t di gas
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Misura delle Emissioni
a) Correzione per temperatura e pressione
T p0
C0 C (T,p)
T0 p
b) Correzione al secco
1
U tenore di acqua
CS CU
(1-U)
c) Correzione allossigeno di riferimento
O2,Rif O2 di riferimento
(21-O2,Rif)
CO CM
(21-O2,Mis)
O2,Mis O2 misurato nei fumi
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D.lgs. 152/06 limiti di emissione

• Il D.lgs. fissa dapprima i valori limite di
  emissione validi per le attività industriali in
  generale
• Vengono poi stabiliti i valori limite di
  emissione validi per alcune specifiche tipologie
  di impianti, come gli impianti di combustione
  fino a 50 MWt, le Turbine a Gas, i Motori a
  Combustione Interna, i Cementifici, Fonderie,
  Raffinerie, etc.
• Vengono inoltre stabiliti i valori limite per i
  Grandi Impianti di Combustione, ovvero quelli
  oltre 50 MWt, differenziati in relazione al
  combustibile utilizzato.

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D.lgs. 152/06 limiti di emissione

• Limiti di emissione per i Grandi Impianti di
  Combustione (ovvero oltre 50 MWt)

I limiti sono espressi in mg/Nm3, riferiti a fumi
secchi e con un tenore di ossigeno del 6 in
volume.
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Come ridurre le emissioni

• Impiego di combustibili puliti gas naturale,
  olio combustibile BTZ, ecc.
• Pre-trattamento del combustibile lavaggio del
  carbone, gassificazione
• Controllo della combustione uso di sorbenti,
  iniezione di acqua e vapore, combustione a stadi,
  ricombustione, ecc.
• Trattamento dei gas combusti Filtri per la
  rimozione di particolato, Desolforatori per gli
  SOX, sistemi catalitici per NOX e CO.

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La linea trattamento fumi
Fumi
carbone
generatore di vapore
aria
DeNOx
Camino

FGD
ESP
Ceneri leggere
Gesso
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La linea trattamento fumi
Configurazione High-Dust
Utilizzata in impianti nuovi e con ESP a
freddo Il sistema SCR opera con gas ricchi di
polveri e SOX Il rendimento dellimpianto rimane
elevato
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La linea trattamento fumi
Configurazione Low-Dust
Utilizzata in impianti nuovi e con ESP a
caldo Il sistema SCR opera senza polveri Il
rendimento dellimpianto rimane elevato
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La linea trattamento fumi
Configurazione Tail-End
Adatta al retrofit di impianti esistenti Il
sistema SCR opera senza polveri e SOX Il
rendimento dellimpianto diminuisce parecchio
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Riduzione catalitica NOX

• Ammoniaca NH3

Gas depurati
Gas con NO e NO2
350 C

4NH3 4NO O2 4N2 6H2O
Si neutralizzano circa l80-85 degli NOX
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Riduzione catalitica NOX

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Rimozione ceneri leggere

Filtro elettrostatico (ESP)
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Precipitatori Elettrostatici
particolato
Piastre di raccolta

Elettrodi di scarica
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Precipitatori Elettrostatici
particolato

LESP rimuove oltre il 99 del particolato
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Precipitatori Elettrostatici
ESP piccoli 20 m2/(m3/s) ESP medi 40
m2/(m3/s) ESP grandi 80 m2/(m3/s)
Rendimenti elevati (gt99,9) Basse perdite di
carico Costo iniziale elevato Funzionamento anche
a caldo
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Rimozione ceneri leggere
Manica filtrante
Uscita gas

Ingresso gas
Filtro a manica
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Filtri a manica
Il filtro rimuove oltre il 99 del particolato
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Filtri a manica
Rendimenti elevati (gt99,9), ma con alte perdite
di carico e temperature operative non molto
elevate
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Rimozione SOX
Rendimenti minimi S1 80-90 S4 95-98 (S
Sulcis 6-7)
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Rimozione SOX con sorbenti
32
Processi FGD ad umido
CaCO3 H2O SO2 0,5O2 CaSO4 H2O CO2
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Processi FGD ad umido
H2O100 kg
SO22 kg

• CaCO370 kg

FGD (?95)
SO2 40 kg
S 20 kg
120 kg di gesso
1 t di carbone (S2)
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Emissioni atmosferiche

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LEmission Trading

1. La Direttiva 2003/87/EC ha istituito un sistema
   per lo scambio delle quote di emissione (Emission
   Trading) dei gas serra, finalizzato a ridurre le
   emissioni secondo criteri di efficienza ed
   economicità
2. I grandi impianti sono obbligati ad ottenere un
   permesso allemissione in atmosfera di gas serra
   e a rendere alla fine dellanno un numero di
   quote (1 t ciascuna) pari alle emissioni
   rilasciate nellanno
3. In base al Piano Nazionale di Allocazione a
   ciascun impianto viene assegnata una quota di
   emissione, che può essere oggetto di vendita o di
   acquisto
4. La mancata resa di una quota di emissione
   comporta una sanzione di 40 /t nel periodo
   2005-2007 e di 100 /t nel periodo successivo

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Piano Nazionale di Allocazione
Le quote di emissione sono poi ripartite fra
i singoli impianti in relazione alla loro
tipologia (TG, IV, CC, etc.), al combustibile
primario utilizzato (gas naturale, carbone, etc.)
ed al numero di ore di funzionamento (impianti di
base o di punta)
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Riduzione emissioni di CO2
IV a carbone 800-900 g/kWh CC a metano 300-400
g/kWh IV a biomassa 0 g/kWh?
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Riduzione emissioni di CO2
La CO2 può essere rimossa dai gas combusti con
processi di separazione a base di solventi
chimici o fisici. Limpianto è costoso,
ingombrante e penalizzante sul rendimento (8-10
punti) ma adatto al retrofit di impianti
esistenti.
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Riduzione emissioni di CO2
La CO2 può essere rimossa dal combustibile,
previa conversione chimica (reforming o
gassificazione) in miscele di H2 e
CO2. Limpianto è meno costoso, ingombrante e
penalizzante sul rendimento (5-6 punti) ma non
adatto al retrofit di impianti esistenti.
40
Riduzione emissioni di CO2
La CO2 può essere rimossa facendo condensare
lacqua dai gas combusti prodotti dalla
combustione operata con ossigeno puro in luogo
dellaria. Limpianto, compresa la sezione di
potenza, deve essere completamente riprogettato.
41
Impatto Ambientale nella Produzione di Energia
Residui Solidi
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I Residui Solidi nelle CTE

• Le ceneri (leggere e pesanti) derivano dalle
  sostanze minerali presenti nel combustibile. I
  gessi sono il prodotto dei processi di rimozione
  dei composti dello zolfo (SO2 e SO3) mediante
  liniezione di calcare (carbonato di calcio,
  CaCO3).

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I Residui Solidi nelle CTE

• Le ceneri pesanti e leggere derivanti dagli
  inerti del combustibile possono essere
  riutilizzate nellindustria del cemento
• I residui solidi prodotti dalla sezione di
  desolforazione dei gas (gesso) trovano
  solitamente un utilizzo in edilizia
• Le piccole quantità di altri residui (fanghi,
  catalizzatori esausti, rifiuti vari) devono
  essere smaltiti in apposite discariche.

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I Residui Solidi nelle CTE

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Impatto Ambientale nella Produzione di Energia
Acque Reflue
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D.lgs. 152/2006 Parte III

• Sezione 1. Difesa del suolo e lotta alla
  desertificazione. Tali disposizioni sono volte ad
  assicurare la tutela ed il risanamento del suolo
  e del sottosuolo, il risanamento idrogeologico
  del territorio tramite la prevenzione dei
  fenomeni di dissesto, la messa in sicurezza delle
  situazioni a rischio e la lotta alla
  desertificazione
• Sezione 2. Tutela delle acque dallinquinamento.
  Tali disposizioni definiscono la disciplina
  generale per la tutela delle acque superficiali,
  marine e sotterranee
• Sezione 3. Gestione delle risorse idriche. Tale
  sezione disciplina la gestione delle risorse
  idriche e il servizio idrico integrato per i
  profili che concernono la tutela dell'ambiente e
  della concorrenza e la determinazione dei livelli
  essenziali delle prestazioni del servizio idrico
  integrato e delle relative funzioni fondamentali
  di Comuni, Province e città metropolitane.

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I consumi di acqua in Italia

• Contrariamente alla situazione attuale, fino agli
  anni 80 il consumo di acqua e la produzione di
  effluenti liquidi nel settore energetico non ha
  rappresentato un problema cui prestare una
  particolare attenzione.

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Lacqua nelle centrali elettriche
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Le acque reflue nelle CTE

• Materiali in sospensione (dimensioni inferiori a
  circa 0,1 micron), costituite da solidi o da oli
• Sostanze in dispersione colloidale (con
  dimensioni fra quelle delle molecole e quelle
  delle particelle solide)
• Sostanze disciolte sotto forma molecolare o
  ionica.

50
La acque reflue nel Dlgs 152/06
51
La acque reflue nel Dlgs 152/06
52
Il trattamento delle acque

• Gli impianti di trattamento degli effluenti
  liquidi delle centrali elettriche sono molto
  simili a quelli impiegati nelle altre industrie
• Il trattamento delle acque include processi di
  filtrazione, sedimentazione, flocculazione,
  neutralizzazione e chiarificazione
• Gran parte delle acque depurate possono essere
  riutilizzate, con una forte riduzione degli
  scarichi finali nellambiente circostante.

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Il trattamento delle acque
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Il trattamento delle acque
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Impatto Ambientale nella Produzione di Energia
Inquinamento Termico
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LInquinamento Termico
È la modifica dello stato termico naturale

• Inquinamento termico diretto deriva dal rilascio
  di fluidi caldi nellambiente (camino, acqua di
  raffreddamento, ecc.) e causa incrementi locali
  di temperatura
• Inquinamento termico indiretto deriva dalle
  sostanze che interferiscono sugli scambi
  energetici terrestri (effetto serra), prima fra
  tutte lanidride carbonica, e causa incrementi
  globali di temperatura.

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LInquinamento Termico

• Per i laghi la temperatura dello scarico non deve
  superare i 30 C e lincremento di temperatura
  del corpo recipiente non deve in nessun caso
  superare i 3 C oltre 50 metri di distanza dal
  punto di immissione.
• Per il mare la temperatura dello scarico non deve
  superare i 35 C e lincremento di temperatura
  del corpo recipiente non deve in nessun caso
  superare i 3 C oltre i 1000 metri di distanza
  dal punto di immissione.
• Lungo i corsi dacqua la variazione massima tra
  le temperature medie di qualsiasi sezione del
  corso dacqua a monte e a valle del punto di
  immissione non deve superare i 3 C e su almeno
  metà di qualsiasi sezione a valle, tale
  variazione non deve superare 1 C.

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LInquinamento Termico
A livello locale, il principale rilascio termico
è dato dal raffreddamento del condensatore
energia elettrica
Vapore
turbina a vapore
generatore di vapore
Vapore
Acqua
Acqua di mare
Acqua
Conden- satore
Pompe
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LInquinamento Termico
Centrale a Biomassa ?25 PE10 MW PT30 MW
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LInquinamento Termico
Le problematiche inerenti linquinamento termico
interessano solo gli impianti di generazione
elettrica in tutto o in parte basati su cicli a
vapore
61
Le opzioni a disposizione
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Le opzioni a disposizione
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LInquinamento Termico
64
Le opzioni a disposizione
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Impatto Ambientale nella Produzione di Energia
Emissioni Acustiche
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Emissioni Acustiche

• I principi fondamentali in materia di
  inquinamento acustico sono stabiliti dalla legge
  26 ottobre 1995 n. 447 (Legge quadro
  sullinquinamento acustico)
• Fra i decreti di attuazione della 447/95 è di
  fondamentale importanza il DPCM 14 novembre 1997
  che stabilisce i valori limite di emissione, di
  attenzione e di qualità, e il DPCM 16 marzo 1998
  che stabilisce le tecniche di rilevamento e di
  misura dellinquinamento acustico
• Infine, il D.lgs. N. 194 del 19 agosto 2005 ha
  recepito la direttiva europea 2002/49/CE relativa
  alla determinazione ed alla gestione del rumore
  ambientale, volta a definire un approccio comune
  nella U.E. per evitare o ridurre gli effetti
  nocivi prodotti dallesposizione al rumore.

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Le sorgenti di emissione
Livello di Potenza sonora LW LW10log(W/W0) Si
misura in dB Un raddoppio della potenza sonora
comporta un incremento di 3 dB del livello di
potenza sonora.

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Il livello di rumore
Livello di Pressione sonora Lp Lp20log(p/p0) Si
misura in dB LpLW - ?Ai Un raddoppio della
pressione sonora comporta un incremento di 6 dB
del livello di pressione sonora.

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La propagazione del rumore
LW
Divergenza geometrica Assorbimento
dellaria Riflessione del suolo Presenza di
barriere
LP
R

LPLW D (20 logR8) ?R Asuolo Abarriera
Assorbimento barriere
Assorbimento dellaria
Direzionalità sorgente
Divergenza geometrica
Effetto del suolo
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L. 447/95- La Zonizzazione

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I limiti di Emissione

• Il valore limite di emissione rappresenta il
  valore massimo di rumore che può essere emesso da
  una sorgente sonora, misurato in prossimità della
  sorgente stessa in corrispondenza degli spazi
  utilizzati da persone e comunità

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I limiti di Immissione

• Il valore limite di immissione rappresenta
  invece il valore massimo di rumore che può essere
  immesso da una o più sorgenti sonore
  nellambiente abitativo o nellambiente esterno,
  misurato in prossimità dei recettori

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I limiti di Immissione

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FINE