Ingineria genială a centralei care arde deşeuri municipale pentru produce căldură şi electricitate cu randament de 107% pentru Copenhaga

Există în lumea noastră ţări care sunt adevărate inovatoare în folosirea resurselor. Şi cu cât mai circulară e această utilizare de resurse, cu cât mai multe componente şi scopuri multilaterale are, cu atât mai mare e randamentul la care se ajunge la final, şi totodată beneficiul pentru mediu. În Copenhaga, capitala Danemarcei, există o centrală cu inginerie genială, inspirată pe alocuri de ingineria automobilelor, care arde deşeuri municipale pentru a produce căldură şi electricitate, şi are atât de multe soluţii ingenioase aplicate în ea, încât randamentul său total e de 107%. Da, e peste 100%, ceea ce pare aproape incredibil, dar are o explicaţie, pentru că centrala reuşeşte să scoată din gunoiul menajer 107% din energia conţinută în el.

Ideea de arde gunoiul pentru a capta energia din el nu e una nouă şi e evident că nu e aplicată pentru prima dată la această centrală. De fapt, prima centrală din lume care a încercat să facă acest lucru a fost pusă în funcţiune în 1874 în Nottingham, Marea Britanie. Doar că atunci procesul era foarte ineficient şi poluant. Azi, însă, centrala din Danemarca se laudă cu o poluare ce tinde spre un zero absolut, iar din 2025 va avea şi zero emisii CO2.

Danemarca foloseşte asemenea centrale care să ardă gunoiul municipal din 1970, însă centrala despre care vorbim azi — Amager Bakke, cunoscută şi cu denumirea de CopenHill — e cea mai nouă dintre cele care asigură încălzirea centralizată din Danemarca, fiind inaugurată în 2017, iar asta a făcut ca şi ingineria sa să fie cea mai avansată dintre toate. Încă de la inaugurare se planifica perfecţionarea ingineriei pentru ca până în anul 2025 ea să devină una cu zero impact CO2, iar aceste lucrări sunt acum pe ultima sută de metri. Cum funcţionează, deci, centrala şi care e ingineria sa genială?

În primul rând, trebuie să spunem că edificiul a devenit unul simbolic pentru Copenhaga, întrucât din 2019 are şi o pârtie de ski inaugurată de pe acoperişul său, până jos, care funcţionează anul împrejur şi e un punct de atracţie pentru turişti. Acest fapt era încă un element gândit de arhitecţi ca să dea o utilizare suplimentară clădirii, pe de o parte, iar pe de altă parte să accentueze cât de nepoluantă e centrala, dacă se încurajează schiatul chiar pe acoperişul ei.

Centrala a fost construită în locul alteia anterioare, care avea 45 de ani de operare şi care ardea gunoiul mai ineficient şi mai poluant, dar care livra căldură către 150.000 de case şi apartamente. Exact acelaşi număr de apartamente şi case e servit şi de noua centrală, doar că ea e mult mai eficientă şi produce şi mai multă electricitate din arderea gunoiului, nu doar energie termică.

La Amager Bakke ajung deşeurile conectate de la 670.000 cetăţeni şi 68.000 de afaceri. Ca volum, circa 50% vine de la gospodării private, iar alte 50% de la afaceri. Însă aici vine gunoiul care nu mai poate fi supus reciclării prin procese obişnuite, dedicate plasticului, hârtiei, bateriilor sau metalelor. În fiecare zi, la Amager Bakke vin între 250 şi 300 camioane cu deşeuri, toate trecând prin proceduri de cântărire şi înregistrare, după care camioanele descarcă gunoiul direct într-ul siloz imens, care are 30x50 metri în suprafaţă şi o înălţime de 36 metri. Într-o asemenea construcţie pot încăpea 22.000 tone de deşeuri, ceea ce corespunde cu cantitatea colectată în mai puţin de 3 săptămâni.

În interiorul silozului, există un braţ uriaş care apucă gunoiul şi-l eliberează apoi, într-un proces ce are rol de amestecare şi uniformizare a consistenţei lui. Uniformizarea deşeurilor e importantă pentru ca ulterior procesul de combustie să fie cât mai stabil. Datorită acestui braţ şi modului în care operează, operatorii menţin silozul de obicei la un nivel în care deşeurile ajung până la maxim jumătate din înălţimea lui.

Atunci când procesul de omogenizare e complet, acelaşi braţ apucă câte 15 tone de deşeuri şi le transferă pe o linie ce duce deşeurile spre cuptoarele de ardere. Ca să nu se emane miros de gunoi, silozul şi linia de mai departe are presiune negativă, în care aerul e aspirată în permanenţă de aici spre cuptoarele de ardere, unde acest aer e folosit drept sursă de oxigen pentru ardere.

Amager Bakke are două cuptoare de ardere identice, care alternează între ele în ciclul de producţie. Fiecare din ele poate arde între 25 şi 42 tone de deşeuri pe oră. Construcţia interioară a cuptorului are o podea oblică, în formă de scară, iar deşeurile sunt transferate şi arse treptat, pentru a se asigura arderea cât mai completă şi uniformă. Parcurgerea fiecărei particule de deşeu în interiorul cuptorului durează până la 2 ore, ia arderea atinge o temperatură cuprinsă între 950 şi 1.100 grade Celsius. Către finalul celor două ore, practic toată energia conţinută în deşeuri este eliberată sub formă de fum fierbinte.

Căldura generată de aceste cuptoare e transmisă către două boilere alăturate, fiecare din ele fiind conectat cu unul din cuptoare. Aceste boilere conţin reţele de conducte, astfel încât temperaturile mari generate de cuptoare să fie transferată cât mai direct spre apa din aceste conducte din boilere. Astfel, e creat un abur de presiune înaltă, reglat cu pompe, aburul având circa 440 grade Celsius şi 69 bari. Un boiler produce astfel 137 tone de abur pe oră, iar acest abur e direcţionat spre un canal comun cu celălalt boiler, car e direcţionat mai departe spre o turbină cu abur. Astfel turbina poate alterna din care parte să primească aburul ce o propulsează, în funcţie de care din boilere lucrează într-un anumit moment. E curios că, pentru a putea rezista propriei expansiuni la temperaturi înalte, boilere nu sunt fixate de sol, ci sunt suspendat de acoperiş. Construcţia acestor boilere ce preiau direct energia cuptoarelor, face ca 90% din energia generată la ardere să fie convertită în abur fierbinte.

Apoi, acel abur fierbinte împinge turbina cu abur, care generează electricitate. Puterea acestei turbine şi a generatorului integrat în ea e de 63 MW de electricitate generată şi furnizată în reţea.

Însă după ce a pus în mişcare turbina, acel abur mai are încă foarte multă energie rămasă în el. Aşa că el e direcţionat spre schimbătoare de căldură imense, în care căldura sa e transferată circuitului de încălzire centralizată a oraşului. Puterea energiei termice transferată de centrală e de 247 MW.

Întreg procesul de producţie pate fi ajustat, astfel încât, dacă e nevoie de mult mai multă căldură, turbina cu abur poate fi ocolită, iar centrala poate folosi toată energia termică a aburului pentru a produce mai multă căldură, fără a produc electricitate. Asta se poate întâmpla foarte rar, însă, în zilele foarte friguroase. Cel mai eficient regim de operare, însă, e cel în car centrala produce şi electricitate, şi căldură.

Dar aici eficienţa centralei nu sfârşeşte, întrucât ceea ce am enumerat până aici e prezent şi la alte centrale. Ceea ce e unic pentru această centrală abia urmează. Atunci când deşeurile sunt arse în cuptor, circa 17-20% din greutatea deşeurilor rămâne sub formă de cenuşă şi sedimente sub formă de pietriş, nisip, metale şi alte materiale care nu ard. Aceste resturi merg pe o linie separată de sortare şi sunt spălate şi triate, într-un proces numit maturare. Metalele care se găsesc aici, în aceste reziduuri, vin de la gunoiul sortat incorect, dar, din fiecare 200 kg de asemenea deşeuri se recuperează 10-15 kg de metale care ajung apoi la reciclare tipică de metale. Piatra şi nisipul care rămâne merge spre fabricile de beton şi ajunge din nou în construcţiile viitoare.

Pe lângă cenuşa ce rămâne în cuptor, mai există şi cenuşa „zburătoare”, adică cea conţinutul în fumul emis la ardere. Centrala are filtre imense care reţin aceste particule, şi aici conţinându-se metale de obicei. Exact aşa metalele ajung apoi la reciclarea corectă, iar celelalte reziduuri, în materiale de construcţii, inclusiv în producţia de asfalt pentru drumuri.

Chiar şi aşa numitul fum fierbinte, care e ajunge să transfere căldura spre boiler, conţine impurităţi, cele mai multe de fapt, întrucât are cel mai mare volum. Toate aceste emisii sunt filtrate printr-un instalaţie cu filtre electrice, apoi un catalizator exact ca şi cel din automobile, iar apoi şi cu un filtru de particule, ca la motoarele diesel. Pe lângă asta, mai există încă cel puţin două tipuri de filtre, toate împreună reţinând toate particulele de NOx şi orice alţi produşi poluanţi la ardere. Se exclude şi acidul clorhidric, şi orice urmă de mercur, sulfuri, dar şi alţi compuşi nedoriţi. La sfârşit ajunge doar CO2-ul curat, iar din 2025 şi acest CO2 va fi lichefiat şi captat, pentru a fi stocat şi folosit ulterior fie în alte procese, fie pentru a fi stocat în pământ, iar centrala să aibă zero absolut în impactul său.

E interesant că la etapa de filtrări ale emisiilor, acest fum e încă foarte cald şi generează un mediu cald. Iar centrala a înglobat aici două pompe mari de căldură, care folosesc drept mediu primar aceste compartimente de prefiltrare, şi generează o nouă porţie de energie termică pentru sistemul oraşului, cu un coeficient de performanţă extraordinar de bun. Contribuţia acestor pompe de căldură e imensă, circa 20% din energia termică produsă de centrală venind de la ele. Iar aici nu putem să nu amintim şi de reportajul nostru dintr-un alt oraş din Danemarca, unde există o centrală bazată mai ales pe pompe de căldură, care furnizează încălzire centralizată.

Deşeurile mai conţin şi apă, fiind eliberate circa 13 metri cubi de apă pe oră din cuptoare la ardere. Apa din deşeuri are iniţial un pH foarte mic, dar e purificată şi neutralizată ulterior în câteva etape, până când e o apă care poate reintra în circuitul natural.

Din fiecare tonă de deşeuri arse, centrala Amager Bakke produce 0,8 MWh de electricitate şi 2,7 MWh de energie termică. Centrala poate funcţiona 24 ore din 24, 365 zile din 365, alternând cele două cuptoare şi boilerele asociate. Anual, ea poate arde peste 400.000 tone de deşeuri, iar din cele 400.000 tone de deşeuri arse poate produce 1.080.000 MWh de energie termică şi 320.000 MWh de electricitate. Deci, 1,08 TWh de energie termică şi 320 GWh de electricitate anual, dar deja au existat ani în care ambele cifre au fost depăşire simultan.

Partea cea mai frumoasă e că datorită tuturor componentelor sistemului său, randamentul final e 107%. Asta se datorează construcţiei eficienţe iniţiale car arde gunoiul cu un randament maxima, dar şi a utilizării ulterioare până şi a fumului drept sursă pentru pompele de căldură, care pot consuma 1 MWh de electricitate generând 5 MWh de energie termică, datorită mediului primar foarte cald. Astfel, adunat la final, randamentul total ajunge la 107%. În total, întreaga centrală ar 850 de pompe de circuit, 1.800 valve şi 3.300 de instrumente de măsurare, deci e un sistem absolut fantastic la mijloc, pentru a asigura un asemenea randament!