I metodi della termodinamica per l’analisi del ciclo di smaltimento e recupero dei rifiuti solidi urbani

 II 
processo o per riscaldamento, oppure pu  essere imp iegata in un ciclo termodinamico per produrre 
elettricit . L inquinamento potrebbe essere evitato  utilizzando adeguati filtri.  
Le soluzioni che appaiono energeticamente le piø favorevoli contemplate in questa tesi sono quindi 
il riciclaggio di alcune frazioni e la termovalorizzazione dei rifiuti residui. 
In Italia la produzione di rifiuti Ł di 26 milioni di tonnellate. Alcune regioni hanno fissato obiettivi 
di raccolta differenziata elevati (fino al 40%), anche se l’esperienza finora maturata in Europa 
suggerisce che la percentuale riutilizzabile o riciclabile in modo economico potrebbe attestarsi tra il 
25 e il 35%. In tal caso rimarrebbero circa 17-20 milioni di tonnellate annue da smaltire: in 
discarica occuperebbero un volume elevato, mentre il volume potrebbe essere ridotto al 10% 
iniziale se fossero bruciate in termovalorizzatori con recupero di energia, con un doppio vantaggio! 
Nel caso in cui si produca energia bruciando biomasse o rifiuti organici, vi Ł un effetto positivo 
derivante dal fatto che non si fornisce una quota aggiuntiva di emissione di CO2 in atmosfera: la 
CO2 emessa si inserisce in un ciclo chiuso che parte dalla fissazione con la fotosintesi della CO2 
atmosferica nella massa legnosa del vegetale durante il suo sviluppo e si chiude nel rilascio della 
stessa durante il recupero energetico.  
E  quindi interessante studiare se sia piø vantaggioso aumentare la frazione riciclata per ridurre la 
quantit  di nuove materie prime richieste oppure ri durla per avere a disposizione una maggiore 
quantit  di rifiuti da utilizzare come combustibile . Ad esempio, la combustione della plastica d  
luogo a sostanze tossiche, anche se l energia che pu  essere ottenuta dalla sua combustione Ł 
elevata; inoltre il suo riciclo pu  essere anche en ergeticamente vantaggioso in quanto evita la 
produzione di nuova plastica con conseguenti spese energetiche di lavorazione.  
Lo scopo di questa tesi Ł quello di analizzare questo problema dal punto di vista energetico, 
mirando ad introdurre criteri oggettivi tali da determinare quale sia la percentuale di raccolta 
differenziata che ottimizzi dal punto di vista energetico il sistema. Questo Ł fatto attraverso l analisi 
exergetica, che permette di attribuire un valore alle grandezze quali elettricit  e calore, fornendo 
cos  uno strumento di valutazione. L ottimo si otti ene individuando la percentuale di frazione 
differenziata che minimizza il costo in termini exergetici dell energia elettrica e del calore prodotto, 
cioŁ la soluzione ottimale che permette di ridurre le irreversibilit  del processo. Come caso studio s i 
considera la citt  di Torino: l analisi considera l a situazione ipotetica che potrebbe verificarsi se 
sar  realizzato il termovalorizzatore di rifiuti so stitutivo dell attuale discarica. Le fonti per i dati 
sono stati l Amiat e la Provincia di Torino, mentre per quelli non disponibili si sono usati i valori 
della letteratura di settore (Consonni, 1996). Lo strumento di calcolo utilizzato per giungere ai 
risultati finali Ł un programma Excel che permette di calcolare tutti i parametri energeticamente 
interessanti del sistema variando i parametri di raccolta differenziata; vengono di conseguenza 
creati gli scenari di costo exergetico dell energia (elettrica e termica) prodotta e delle materie 
riciclate. Per fare questo sono stati innanzitutto individuati i confini del sistema in esame, che va dal 
deposito dei rifiuti (differenziati e non) nei relativi cassonetti alla produzione di energia dalla 
frazione indifferenziata e al riciclo per la frazione differenziata. A tal fine Ł stato indispensabile 
ricercare i dati di Torino sulla produzione di rifiuti e sulla loro composizione, per poter in seguito 
calcolare le grandezze fondamentali del rifiuto indifferenziato trattato come un potenziale 
combustibile. Questo Ł bruciato in un impianto di termovalorizzazione, con ottenimento di energia 
elettrica e calore. Nel sistema per  l energia non Ł solo prodotta, ma anche consumata nella raccolta 
dei rifiuti, nel processo di riciclaggio delle frazioni differenziate e nell inertizzazione delle ceneri 
prodotte, cosa di cui si tiene conto (Amiat 2001, SimaPro 5.1). Per procedere all analisi 
termoeconomica sono individuati tutti i flussi exergetici in gioco in ogni trasformazione; in seguito 
si effettua il bilancio exergetico del sistema scrivendo un sistema di equazioni. Tramite il calcolo 
matriciale si individua il costo exergetico di ogni flusso per un determinato scenario. Tra tutti gli 
scenari si cerca infine quello che presenta il minor costo dell energia prodotta ed eventualmente 
anche quello associato ai flussi di materia differenziata. Lo scenario di raccolta che minimizza i 
costi exergetici Ł associato alla migliore politica di raccolta su base termodinamica, per il migliore 
uso delle risorse a disposizione con le minori irreversibilit  di processo. 
  
1 
Capitolo 1  
 
I RIFIUTI 
 
 
 
 
 
 
 
 
La grande produzione di rifiuti nelle societ  indus triali Ł spiegabile con ragioni di tipo sociale. Nelle 
societ  povere, dove il lavoro vale poco rispetto a lle materie prime e ai manufatti, un bene viene 
scartato solo come ultima possibilit ; nelle societ   ricche invece accade il contrario in quanto la 
sostituzione di un bene Ł piø conveniente ed interessante della sua riparazione o del suo riutilizzo (a 
questo proposito Ł bene ricordare il ruolo che ha la pubblicit  nell influenzare il nostro stile di vi ta); 
di qui l esplosione della quantit  di beni non piø ritenuti utili.  
Di pari passo con l’aumento della produzione dei rifiuti, in tutti i Paesi si riscontra un continuo 
aumento del potere calorifico; il fenomeno Ł dovuto all’aumento delle frazioni merceologiche che 
piø contribuiscono al potere calorifico (plastica e carta) a fronte della diminuzione della frazione 
organica (scarti vegetali e animali). Infatti, mentre la produzione di frazione organica Ł legata ai 
consumi alimentari, circa costanti, la produzione di rifiuti cartacei e plastici evolve con lo stile di 
vita e la propensione al consumo di beni "usa e getta", di imballaggi  
Il Decreto Legislativo 5 febbraio 1997 n. 22 (Decreto Ronchi), riprende la definizione comunitaria 
di rifiuto, considerato come Ł qualsiasi sostanza di cui il detentore si disfi, abbia deciso o abbia 
l obbligo di disfarsi. Si noti come questo criterio sia soggettivo e possa comprendere 
potenzialmente tutte le sostanze, cambiando l accezione della parola  rifiuto  da negativa a neutra, 
indicante semplicemente una delle tappe del processo di trasformazione. Attualmente si parla di 
gestione dei rifiuti e non piø di smaltimento. In questa tesi ci si concentra sulla possibilit  di dar e 
una nuova  vita  ai rifiuti differenziati mentre qu elli residui sono comunque utilizzati per la 
produzione di energia. 
La possibilit  di generare energia dai rifiuti medi ante combustione dipende anzitutto dalla loro 
composizione chimica, dalla possibilit  delle sosta nze presenti di combinarsi con l ossigeno e dare 
reazione esotermica con conseguente rilascio di calore. I rifiuti sono quindi trattati come si fa 
normalmente con i combustibili, individuando un potere calorifico in base alla loro composizione.  
Il potere calorifico Ł l energia termica liberata durante il processo di combustione completa che, a 
partire da aria e combustibile, riporta i prodotti di combustione alle condizioni di temperatura e 
pressione iniziali. E  possibile definire due valori del potere calorifico: il potere calorifico inferiore 
(PCI) e quello superiore (PCS) a seconda che l acqua si trovi nei prodotti di reazione nello stato 
vapore o liquido. Nelle applicazioni energetiche degli RSU interessa il PCI perchØ nei dispositivi di 
combustione si vuole mantenere l acqua allo stato gassoso per evitare condense acide. 
Naturalmente qui non si pu  procedere ad un analisi  stechiometrica dei composti data l infinita 
variet  di sostanze che compongono i rifiuti. Essi,  infatti, non si presentano come un agglomerato 
uniforme, omogeneo in tutti i suoi punti. Inoltre le composizioni rispettano gli stili di vita dei centri 
urbani e delle nazioni, quindi le composizioni variano a seconda dei Paesi e all interno di essi, a 
seconda della grandezza dei centri urbani: gli abitanti di una grande citt  produrranno rifiuti divers i 
da quelli di una cittadina rurale.  
Altre propriet  caratteristiche di interesse del ri fiuto sono: 
• Umidit : acqua frammista al materiale disomogeneo d el rifiuto. La presenza di questa acqua 
non ha alcun effetto sul potere calorifico superiore perchØ, se tutta l’acqua contenuta nei 
  
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prodotti di combustione Ø allo stato liquido, essa attraversa inalterata il dispositivo di 
combustione senza scambiare energia. Per quanto riguarda il potere calorifico inferiore, 
invece, la presenza di acqua liquida nel combustibile ne diminuisce il potere calorifico di 
una quantit  pari al suo calore latente di evaporaz ione, perchØ nella combustione evapora 
assorbendo appunto calore.  
• Ceneri: materia minerale non combustibile (quindi energeticamente  neutra ) che durante il 
processo di combustione subisce eventualmente una modificazione del proprio stato fisico 
(fusione) ma non della composizione chimica. Questa frazione si ripartisce tra i residui 
solidi che rimangono al fondo della camera di combustione (scorie) e polveri trasportate dai 
prodotti di combustione gassosi, che sono poi raccolte dai filtri.  
• Solidi volatili: la frazione di rifiuto che durante la combustione subisce una modificazione 
chimica, generando prodotti gassosi. Questa frazione Ø composta prevalentemente di atomi 
di carbonio, idrogeno e ossigeno, con contenuti minori di azoto, zolfo, cloro, fluoro... La 
presenza di quest’ultimi ha effetti secondari sul potere calorifico, ma molto rilevanti per 
l’impatto ambientale del processo di termoutilizzazione. 
 
L’insieme di ceneri e solidi volatili prende anche il nome di frazione secca del rifiuto. 
La presenza di organico (molto umido) nei rifiuti non Ł dannosa ai fini della termoutilizzazione in 
quanto il PCI del materiale organico, per quanto piccolo, Ø comunque positivo, cioŁ il calore 
liberato dalla combustione della frazione Ł maggiore del calore richiesto per far evaporare l’umidit  
in essa contenuta. Comunque Ø anche vero che da solo l’organico non consente la realizzazione di 
un impianto di termoutilizzazione, poichØ per potere calorifici inferiori a 5.000-6.000 kJ/kg la 
combustione non si autosostiene (Consonni, 1996). 
 
Sono qui riportati quattro diversi scenari di raccolta differenziata che mostrano come il potere 
calorifico del rifiuto possa variare secondo la percentuale di raccolta differenziata; inoltre anche a 
parit  di percentuale (esempio 35%) i valori del PC I possono essere molto diversi a seconda che si 
ricicli piø plastica (che aumenta il PCI) o vetro e inerti (che abbassano il PCI). Per ogni scenario 
sono anche illustrati i principali flussi di energia connessi con il recupero energetico in un 
termoutilizzatore. 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
  
3 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Figura 1.1 
Rendimento inceneritore 
η elettrico:   18,0% 
η cogenerazione:   50,0% 
Carta 25% 
Cartone 25% 
Altri cellulosici 0% 
Tessili 0% 
Legno 0% 
Plastica 0% 
Gomma 0% 
Vetro e inerti 55% 
Metalli 25% 
Organico domestico 0% 
Residui verdi 0% 
Organico grandi utenze 0% 
Rifiuti pericolosi 20% 
Sottovaglio 0% 
Totale 15% 
Raccolta 
differenziata   
Percentuali di 
frazioni differenziate 
Inceneritore 
Ceneri 
139.069 t 
Calore producibile 
760.899 MWh/anno 
En.elettrica producibile 
428.006 MWh/anno 
Rifiuti differenziati 
149.879  t 
Organico e legno 
0  t 
Metalli 
11.300  t 
Rifiuti pericolosi 
2.194 t 
Vetro e inerti 
69.960  t 
Carta   cartone  
66.425  t 
Raccolta 
differenziata:  15% 
RSU all origine / anno 
1.000.000  t 
9.407.776  GJ 
PCI : 2.247 kcal / kg 
RSU indifferenziato rimasto 
850.121 t 
8.560.114 GJ 
PCI :  2.405 kcal / kg 
  
4 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Carta 30% 
Cartone 30% 
Altri cellulosici 0% 
Tessili 0% 
Legno 25% 
Plastica 0% 
Gomma 0% 
Vetro e inerti 75% 
Metalli 33% 
Organico domestico 0% 
Residui verdi 55% 
Organico grandi utenze 60% 
Rifiuti pericolosi 50% 
Sottovaglio 0% 
Totale 25% 
Figura 1.2 
Rendimento inceneritore 
η elettrico:   18,0% 
η cogenerazione:   50,0% 
Raccolta 
differenziata   
Percentuali di 
frazioni differenziate 
Inceneritore 
Ceneri 
80.623 t 
Calore producibile 
717.634 MWh/anno 
En.elettrica producibile 
403.669 MWh/anno 
Rifiuti differenziati 
249.327  t 
Organico e legno 
53.680  t 
Metalli 
15.052  t 
Rifiuti pericolosi 
5.485  t 
Vetro e inerti 
95.400  t 
Carta   cartone  
79.710  t 
Raccolta 
differenziata:  25% 
RSU all origine / anno 
1.000.000  t 
9.407.776  GJ 
PCI : 2.247 kcal / kg 
RSU indifferenziato rimasto 
750.673 t 
8.073.380 GJ 
PCI :  2.569 kcal / kg 
  
5 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
Carta 30% 
Cartone 30% 
Altri cellulosici 0% 
Tessili 0% 
Legno 25% 
Plastica 0% 
Gomma 0% 
Vetro e inerti 85% 
Metalli 80% 
Organico domestico 33% 
Residui verdi 70% 
Organico grandi utenze 70% 
Rifiuti pericolosi 80% 
Sottovaglio 0% 
Totale 35% 
 
 
Figura 1.3 
Rendimento inceneritore 
η elettrico:   18,0% 
η cogenerazione:   50,0% 
Raccolta 
differenziata   
Percentuali di 
frazioni differenziate 
Inceneritore 
Ceneri 
47.531 t 
Calore producibile 
702.982 MWh/anno 
En.elettrica producibile 
395.427 MWh/anno 
Rifiuti differenziati 
349.841  t 
Organico e legno 
117.075  t 
Metalli 
36.160  t 
Rifiuti pericolosi 
8.776  t 
Vetro e inerti 
108.120  t 
Carta   cartone  
79.710  t 
Raccolta 
differenziata:  35% 
RSU all origine / anno 
1.000.000  t 
9.407.776  GJ 
PCI : 2.247 kcal / kg 
RSU indifferenziato rimasto 
650.159  t 
7.908.545 GJ  
PCI :  2.906 kcal / kg