Crescente domanda di energia
In tutto il mondo, un numero sempre maggiore di persone si trasferisce nelle città, accelerando la domanda di abitazioni e di infrastrutture per i trasporti, come reti ferroviarie e sistemi di ricarica per veicoli elettrici. La produzione annua di cemento è quadruplicata, passando da 1 miliardo a oltre 4 miliardi di tonnellate dagli anni ’90, principalmente a causa della crescita dei Paesi in via di sviluppo, come Cina e India. Negli ultimi 15 anni, la domanda di acciaio è aumentata di oltre il 40% e continua a crescere, soprattutto nelle economie emergenti. Questi sono solo alcuni esempi delle ragioni per cui la domanda di energia è in costante aumento. Maggiore è la domanda di energia, maggiore deve essere l’attenzione alle emissioni di CO₂ in atmosfera. La sfida non consiste soltanto nel soddisfare questa crescente domanda, ma nel farlo senza aumentare l’impatto sul clima e, nel lungo termine, riducendolo. L’introduzione di sistemi di economia circolare e la riprogettazione dei prodotti per aumentarne la durata e l’efficienza consentiranno di ridurre il fabbisogno di materie prime.
Crescita della domanda energetica: 2017-2040
Le industrie ad alta intensità energetica (EII)
Le industrie ad alta intensità energetica (EII) sono settori come quello siderurgico, chimico, cementiero, dell’incenerimento dei rifiuti e della produzione di cellulosa, che richiedono enormi quantità di energia per il loro funzionamento. Per ragioni storiche ed economiche, queste industrie hanno tradizionalmente fatto affidamento sui combustibili fossili per la produzione di energia. La sfida principale per le EII consiste nel conciliare gli obiettivi di neutralità climatica con la sostenibilità economica. La transizione verso tecnologie a basse emissioni richiede ingenti investimenti e l’accesso a elettricità verde a costi accessibili.
La biomassa e i rifiuti solidi producono energia attraverso processi di combustione, gassificazione o digestione anaerobica, trasformando la materia organica in elettricità e calore. Questo processo, spesso definito “waste-to-energy” (dai rifiuti all’energia), riduce il volume dei rifiuti destinati alla discarica e limita le emissioni di gas serra.
L’utilizzo di queste risorse offre importanti vantaggi, tra cui l’autosufficienza energetica locale, una gestione più efficiente dei rifiuti solidi e una riduzione delle emissioni nette di anidride carbonica, poiché sono generalmente considerate risorse a bilancio neutro di carbonio. Tuttavia, questi impianti richiedono sistemi avanzati di trattamento dei fumi per evitare il rilascio in atmosfera di particolato e altri inquinanti dannosi. Inoltre, si basano su filiere di approvvigionamento corte per garantire una reale sostenibilità ambientale.
L’economia circolare
L’incenerimento dei rifiuti e il loro utilizzo termico per la produzione di energia stanno assumendo un’importanza crescente in diversi Paesi, principalmente a causa delle normative in materia di tutela ambientale e gestione delle risorse, che mirano a promuovere un maggiore contributo delle fonti energetiche rinnovabili nella produzione di elettricità nei rispettivi mercati nazionali.
I sistemi in grado di recuperare energia riducendo le emissioni di sostanze inquinanti rispetto agli impianti convenzionali rappresentano la base di una società orientata verso l’economia circolare.
I sistemi di gestione dei rifiuti odierni pongono principalmente l’accento sulla riduzione della produzione di rifiuti. La soluzione più intuitiva e sostenibile per la gestione dei rifiuti è il riutilizzo o il riciclo; purtroppo, questo non è sempre possibile, ed è proprio in questi casi che gli impianti waste-to-energy assumono un ruolo fondamentale. La sfida del cambiamento climatico non è più soltanto un avvertimento, ma una realtà attuale. Nel frattempo, continua ad aumentare la domanda di materiali, beni e servizi che rappresentano la quota maggiore delle emissioni di CO2. La collaborazione con i principali operatori industriali è fondamentale per sostituire i combustibili fossili con elettricità priva di fonti fossili, idrogeno e calore, garantendo al contempo competitività e accessibilità economica.
Caratterizzazione dei rifiuti solidi
Le fonti di energia rinnovabile rappresentano un’alternativa ai combustibili fossili e contribuiscono a mitigare le problematiche legate alla sostenibilità ambientale. L’utilizzo dei rifiuti solidi generati dalle attività umane può essere considerato una fonte energetica alternativa, in grado di contribuire anche alla riduzione del 50% delle emissioni di CO₂ entro il 2050. I rifiuti solidi sono costituiti principalmente da rifiuti da biomassa, rifiuti agricoli e rifiuti solidi urbani. I combustibili derivati dai rifiuti, classificati come Solid Recovered Fuels (SRF), possono essere utilizzati direttamente nei processi di conversione energetica, come l’incenerimento, la combustione e la pirolisi, nei quali l’energia prodotta viene impiegata per fornire calore e/o energia elettrica. Ad esempio, l’industria cementiera sta adottando ampiamente gli SRF per ridurre le emissioni di gas serra, preservare le risorse naturali e promuovere pratiche sostenibili di gestione dei rifiuti. La conoscenza della composizione degli elementi organici presenti negli SRF, in particolare Carbonio (C), Idrogeno (H), Azoto (N), Zolfo (S) e Ossigeno (O), è fondamentale per valutare l’efficienza della combustione, il potenziale energetico e l’impatto ambientale. I contenuti di carbonio, azoto e zolfo sono particolarmente rilevanti nell’applicazione di trattamenti termici, a causa della formazione di CO₂, NOₓ e SO₂, composti che contribuiscono all’effetto serra, alle piogge acide e allo smog fotochimico. Un’analisi CHNS accurata inizia da un’adeguata preparazione del campione, poiché il grado di omogeneità chimica influenza significativamente l’affidabilità dei risultati.
Non solo analisi elementare
I rifiuti solidi contengono generalmente una miscela di carbonio biogenico e carbonio di origine fossile (ad esempio, proveniente dalle plastiche). Poiché gli impianti waste-to-energy rilasciano grandi quantità di emissioni combinate, l’identificazione precisa della frazione biogenica è fondamentale per rispettare le normative ambientali, evitare l’applicazione di tasse sul carbonio e consentire la commercializzazione di combustibili verdi. È quindi essenziale determinare la quantità di CO₂ biogenica emessa durante la combustione oppure verificare la percentuale di componente biogenica presente nel rifiuto solido destinato alla combustione, o entrambe le informazioni.
Un tipico impianto di termovalorizzazione dei rifiuti
Il tipo di processo mostrato sopra viene utilizzato anche da strutture diverse dagli impianti di incenerimento; in altre parole, combustibili alternativi, come i combustibili solidi secondari (SRF, Solid Recovered Fuels), vengono impiegati non solo negli impianti di incenerimento, ma anche in impianti industriali quali acciaierie, cementifici e altri stabilimenti produttivi. Tutti questi impianti richiedono pertanto la caratterizzazione chimica dei materiali utilizzati per la produzione di energia, includendo non solo l’analisi elementare, ma anche la determinazione della loro frazione biogenica.
La determinazione della frazione biogenica viene spesso effettuata non solo per valutare le emissioni di CO₂ in atmosfera, ma anche per determinare la quota biogenica dei materiali utilizzati come combustibili nei processi di combustione.
Metodo analitico per la determinazione CHNS mediante analisi elementare
L’analisi si basa sulla tecnologia di combustione catalitica ad alta temperatura, che ha dimostrato di fornire risultati precisi, affidabili e indipendenti dalla matrice del campione. I campioni vengono introdotti nel reattore di combustione tramite l’autocampionatore, dopo essere stati sottoposti a un lavaggio con gas di trasporto. Successivamente, i campioni vengono introdotti nel forno di combustione ad alta temperatura, intorno ai 1000 °C, in presenza di un catalizzatore e in eccesso di ossigeno puro. Durante la combustione, i componenti elementari del campione vengono convertiti quantitativamente nei corrispondenti prodotti gassosi di ossidazione (CO₂, H₂O, NOₓ e SO₂). Il flusso gassoso raggiunge quindi la colonna cromatografica, che garantisce una separazione omogenea e completa di tutti gli elementi prima della rivelazione finale mediante rivelatore a conducibilità termica (TCD, Thermal Conductivity Detector), senza necessità di utilizzare un gas di riferimento. La quantità di idrogeno, azoto e zolfo può variare nei diversi tipi di rifiuti solidi urbani, in funzione della natura e della tipologia del materiale da cui il rifiuto solido è generato.
Metodo analitico per la determinazione della frazione biogenica
Uno dei metodi più accurati per studiare la composizione di un materiale in termini di componente biobased rispetto a quella di origine petrolchimica consiste nell’analizzare il carbonio presente nel prodotto. Il carbonio di origine biogenica, proveniente dalle piante, è radioattivo, mentre il carbonio di origine fossile non presenta più radioattività. La quantità di carbonio radioattivo presente nel campione può quindi essere utilizzata per determinare la quantità di frazione biogenica presente nel materiale.
Il contenuto di carbonio radioattivo presente nel materiale organico può essere determinato mediante uno strumento analitico dedicato, attraverso la misura dell’isotopo del carbonio ¹⁴C presente nel campione. Questo metodo è comunemente utilizzato per determinare l’età dei materiali organici, ma può essere impiegato anche per valutare la quantità di carbonio presente nel materiale che deriva da biomassa rinnovabile e quella proveniente da fonti fossili.
Attraverso la misura della presenza di carbonio-14 (o radiocarbonio) è possibile determinare la frazione biogenica del campione rispetto alla frazione fossile. La rilevazione del 14C è estremamente complessa a causa della sua concentrazione molto bassa in natura: la sensibilità richiesta è pari a 1 parte su 10¹⁵. Pertanto, è necessario utilizzare un rivelatore dedicato ad alta sensibilità e accuratezza per garantire una determinazione affidabile. Lo spettrometro 14C SCAR (Saturated-absorption CAvity Ring-down) è uno strumento innovativo e di nuova generazione per la misura del 14C. Poiché il 14C SCAR richiede che il campione venga introdotto in forma gassosa, deve essere collegato a un sistema periferico. Il tipo di sistema periferico da collegare al 14C SCAR dipende dalla natura del campione da analizzare.
1° CASO – CAMPIONE SOLIDO
Se l’obiettivo è determinare la frazione biogenica del materiale in ingresso a un inceneritore, a un cementificio o a un’acciaieria, il Combustibile Solido Secondario (CSS/SRF, Solid Recovered Fuel) deve essere prima convertito in forma gassosa, prima di essere introdotto nel rivelatore 14C SCAR. La conversione dalla fase solida alla fase gassosa viene effettuata mediante un analizzatore elementare. Per procedere con l’analisi, il campione deve essere innanzitutto preparato (vedere la sezione Preparazione del campione) e successivamente caricato nell’analizzatore elementare. L’analizzatore elementare è direttamente interfacciato con il rivelatore 14C SCAR. Una volta avviata l’analisi, la frazione biogenica del campione viene determinata automaticamente, poiché i gas di combustione generati dall’analizzatore elementare vengono trasferiti direttamente al rivelatore per l’analisi del radiocarbonio. La parte principale del sistema 14C SCAR è costituita dalla cavità Fabry–Perot:
✓ il gas campione da analizzare viene introdotto nella cavità;
✓ un sistema di specchi ad alta tecnologia, posizionati su entrambi i lati della cavità, riflette un raggio laser;
✓ il laser esegue numerose scansioni delle molecole presenti nel gas campione; maggiore è il tempo di scansione, maggiore è la sensibilità ottenuta (un’analisi della durata di circa 1 ora è sufficiente per raggiungere una buona sensibilità).
Il fascio laser percorre una lunghezza di cammino ottico effettiva di diversi chilometri attraverso scansioni multiple; solo in questo modo è possibile rilevare le poche molecole di CO₂ contenenti 14C tra le molecole molto più abbondanti contenenti 12C.
2° CASO – CAMPIONE GASSOSO
Se l’obiettivo è determinare la frazione biogenica della CO₂ emessa attraverso i camini di impianti di incenerimento, cementifici o acciaierie a seguito della combustione dei rifiuti, la CO₂ deve essere purificata e concentrata prima di essere introdotta nel rivelatore 14C SCAR.
Le emissioni dei camini devono essere purificate a causa della loro composizione, che può includere:
➢ particolato fine;
➢ ossidi di azoto;
➢ acido cloridrico;
➢ acido fluoridrico;
➢ metalli pesanti;
ecc.
Dopo le necessarie fasi di purificazione, una frazione della CO₂ emessa viene campionata e iniettata nella nostra unità di purificazione e concentrazione: 8070 Air CO2. Basato su un brevetto, 8070 Air CO2 è un concentratore e purificatore della CO₂ contenuta nell’aria atmosferica. Grazie al suo utilizzo, è quindi possibile ottenere CO₂ purificata e introdurla in rivelatori di massa per determinare il rapporto isotopico δ¹³C oppure quantificare il contenuto di 14C, un isotopo radioattivo del carbonio. Questa unità si basa sulla produzione di un elevato volume di CO₂ pura secondo il principio di adsorbimento/desorbimento, con una linea di purificazione innovativa che consente l’eliminazione di acqua, VOC (composti organici volatili) e NOₓ, lasciando esclusivamente CO₂ pura. La CO₂ purificata viene quindi iniettata nel 14C SCAR per un’analisi completamente automatica della frazione biogenica del gas. Per ulteriori informazioni sull’analisi del 14C nella CO₂ atmosferica, consultare la Nota Applicativa: CO₂ biogenica nell’aria atmosferica.
Conclusioni
L’analisi elementare e l’analisi del radiocarbonio sono strumenti potenti per la caratterizzazione dei rifiuti solidi, poiché forniscono non solo informazioni chimiche di base sulla concentrazione di CHN, ma consentono anche di distinguere la frazione biogenica da quella fossile.
