Tecnologie e prestazioni di stufe e caldaie a biomasse legnose

Articolo pubblicato venerdý 26 agosto 2016
Tecnologie e prestazioni di stufe e caldaie a biomasse legnose
Articolo di Valter Francescato
Gli apparecchi domestici e le caldaie a legna e pellet hanno ottime prestazioni tecnico-ambientali. Alcune informazioni tecniche sul progresso tecnologico e le prestazioni tecnico-ambientali dei moderni generatori termici a biomasse legnose di piccola e media potenza.
 
Secondo la nostra serie storica (Aiel, 2016), tra il 1999 e il 2014, l'aumento del consumo di biocombustibili legnosi a scala residenziale è stato del 22%, ovvero circa 56 PJ (+3,4 Mt), mentre, se si fa riferimento alla serie storica dei consumi calcolata dal GSE sulla base della recente indagine Istat, si scende al 16% (+2Mt), ovvero circa 33 PJ.

L'evoluzione del consumo è stata caratterizzata dal fenomeno di "sostituzione" della legna con il pellet, il cui utilizzo è cresciuto notevolmente in Italia a partire dai primi anni 2000. Il consolidamento del mercato del pellet ha contribuito a contenere l'aumento dei consumi complessivi e, a scala regionale, talvolta anche ad abbassarli grazie al suo maggiore contenuto energetico rispetto alla legna (+24%) e alla maggiore efficienza dei generatori domestici automatici, rispetto a quelli tradizionali a legna (caminetti e stufe).

A partire dal 2013 si rileva un calo dei consumi a causa degli inverni miti che hanno ridotto sensibilmente il fabbisogno termico residenziale. Secondo le nostre elaborazioni (Aiel, 2016), le emissioni di PM10 dalla combustione residenziale di legna e pellet nel 2015 ammontava a circa 46 kt, con una riduzione del 17 % rispetto al 1999 (55 kt).

Recenti studi comparativi a scala regionale (Veneto) hanno dimostrato che, grazie al turnover tecnologico, è stato stimato un calo delle emissioni di PM10 della combustione domestica di legna e pellet del 20%. Questo miglioramento è legato in particolare alla riduzione dei generatori tradizionali a legna, all'aumento dei generatori a legna più evoluti (stufe in maiolica, caldaie) e al forte aumento delle stufe a pellet.

Si tratta di un vero e proprio turnover tecnologico, poiché avvenuto a fronte di un aumento del parco installato solo dell'1% e di un calo dei consumi del 12% (-257.294 t), confermato anche dall'indagine Istat 2013, rispetto alla quale il calo dei consumi sarebbe del 16% (-343.762 t), certamente favorito anche dalla diminuzione dei gradi giorno.Nel 2015 quasi il 95% del PM10 generato dalla combustione residenziale di legna e pellet è stato prodotto dai generatori manuali a legna, l'83,5% dai generatori domestici manuali a legna e l'11,2% dalle caldaie a legna, che a scala nazionale sono ancora in prevalenza vecchie tecnologie e con il 3,5% del parco installato contribuiscono al 12,2% del consumo di energia finale.

I camini aperti, che contribuiscono a meno del 9% del consumo finale, producono ancora più di un quarto del PM10 totale. Le stufe a pellet, che rappresentano quasi il20% dell'installato, contribuiscono al 17% del consumo finale e producono solo il 5% del PM10.

Secondo i nostri dati ed elaborazioni, nel 2015 il consumo finale delle caldaie non domestiche automatiche (36-1.000 kW) è stato di 8 PJ (0,5 Mt) e ha prodotto circa 0,3 kt di PM10, ovvero lo 0,7% delle emissioni prodotte complessivamente dal segmento domestico. I numeri qui presentati indicano chiaramente che la riqualificazione del parco installato, ovvero l'accelerazione del turnover tecnologico in atto, è in grado di dare un significativo contributo all'aumento dell'efficienza con cui i biocombustibili legnosi sono attualmente utilizzati e quindi al processo di miglioramento della qualità dell'aria.

Questo articolo riporta informazioni tecniche sul progresso tecnologico e le prestazioni tecnico-ambientali dei moderni generatori termici a biomasse legnose di piccola e media potenza.

Apparecchi domestici manuali a legna

Neanche il miglior apparecchio domestico manuale a legna, è in grado di ottenere le prestazioni attese se non è alimentato con legna da ardere di qualità idonea.

Aumentando del 10% il contenuto idrico della legna, dal 20 al 30%, le emissioni di polveri e di carbonio organico (Ogc) aumentano di un fattore 10. Anche le dimensioni dei ciocchi di legna (circonferenza), il quantitativo della prima carica (kg), la modalità di accensione del fuoco (dall'alto o dal basso), il quantitativo della ricarica di legna e le modalità di utilizzo delle serrande per la regolazione dell'aria comburente, sono determinanti sul Fe.

Un generatore moderno dovrebbe essere sempre accompagnato da una "guida rapida" fornita dal costruttore che con l'ausilio di foto esemplificative, spiegasse all'utente - in modo semplice e intuitivo - le corrette modalità di utilizzo del generatore, in particolare nelle tre fasi: accensione, ricarica e spegnimento.

Recenti studi hanno dimostrato che attraverso queste misure "non-tecnologiche" si può ottenere un notevole miglioramento del Fe in condizioni di utilizzo reale e un rendimento vicino ai valori di omologazione. Di seguito sono descritti brevemente i componenti che caratterizzano una moderna stufa e i sui princìpi di funzionamento, ovvero i concetti di base che creano i presupposti per una completa combustione del legno e consentono di ottenere i più bassi Fe.

Componenti e funzionamento  di una moderna stufa a legna

Nelle moderne abitazioni, dotate di un sistema di aereazione controllata è richiesto che la stufa sia dotata di una presa d'aria esterna canalizzata, che può essere provvista di un sistema di controllo elettronico della combustione con regolazione motorizzata. Questa configurazione, sebbene sempre utile, non è strettamente richiesta nel caso l'aria fosse prelevata dall'ambiente di installazione. I flussi d'aria comburente all'interno della stufa si dividono in:

  • aria primaria, che è immessa dal basso attraverso la griglia (trasversale);
  • aria"pulente", che è condotta fino alla parte superiore della porta di ispezione ed entra dall'alto percorrendo la superficie interna del vetro, mantenendolo pulito da depositi carboniosi e polveri.

Quest'aria funge anche da aria comburente, quella che raggiunge il letto di braci è di tipo primario mentre la parte che è immessa più in alto, "rinforzando" i processi di decomposizione e gassificazione, è di tipo secondario. Alcune stufe sono anche dotate di un ulteriore punto di immissione dell'aria, di portata inferiore all'aria pulente, posizionato a metà della parete posteriore della camera di combustione, che migliora la turbolenza nella zona di ossidazione.

Le pareti della camera di combustione sono costituite da materiali refrattari ad elevata inerzia termica che conservano il calore prodotto nella camera e assicurano il raggiungimento di elevate temperature e quindi una completa combustione. Nella zona di postcombustione oltre al mantenimento delle più elevate temperature è anche necessaria una forte turbolenza, favorita dal deflettore che accompagna i gas caldi all'ingresso della camera di postcombustione.

A questo punto i gas combustibili sono ossidati, pressoché completamente, e convogliati infine nel condotto fumario. Nella parte superiore della stufa i gas caldi raggiungono temperature superiori a 200° C e cedono il calore all'aria indirizzata in appositi canali di scambio.

Recenti studi hanno dimostrato che applicando a una moderna stufa, caratterizzata dalle componenti e dai concetti di base sopra descritti, ulteriori misure primarie per ottimizzare e regolare i flussi di aria comburente (air staging) e controllare nel tempo il processo con sistemi automatici di regolazione della combustione, si possono ottenere ulteriori significative riduzioni dei Fe: CO: - 60 %; Ocg: - 86 %; Polveri: - 55 %.

Inoltre, sono in corso vari progetti di ricerca e sviluppo per l'applicazione di filtri catalitici ceramici, che potrebbero consentire una ulteriore riduzione dei gas di combustione (CO e Ogc).

Stufe a pellet

Con l'avvento del pellet è stato possibile ampliare la tipologia costruttiva degli apparecchi domestici con l'introduzione delle stufe a caricamento automatico. Questa confortevole modalità di carico è stata quindi estesa alle piccole potenze per il riscaldamento di ambiti domestici. L'utilizzo di un biocombustibile di dimensioni costanti e contenuto idrico molto basso (<10%) consente di minimizzare le variazioni del processo di combustione, tipiche degli apparecchi manuali, con un notevole miglioramento dei fattori di emissione, in particolare delle polveri e del carbonio organico, ovvero dei composti policiclici.

Aspetti importanti, per garantire elevate performance di combustione, sono l'uso di pellet di elevata e costante qualità e un'idonea pulizia della camera di combustione e del braciere. Come detto la qualità del pellet è determinante sul Fe; recenti studi hanno dimostrato che nel caso delle stufe, a parità di qualità del generatore, l'uso di pellet non certificato raddoppia il Fe delle polveri della stufa.

Pertanto è sempre raccomandabile l'uso di pellet Enplus, certificato secondo la norma internazionale Iso 17225-2, per maggiori informazioni e approfondimenti sull'argomento si consiglia di consultare www.enplus-pellets.it.

Caldaie a legna, cippato e pellet

Le attuali caldaie a legna utilizzano tutti i concetti della combustione completa attraverso specifici requisiti tecnico-costruttivi e l'applicazione di sofisticati sistemi di regolazione automatica del processo di combustione. Rispetto agli apparecchi domestici riescono a raggiungere temperature in camera di combustione e postcombustione molto più elevate (>1000° C) che consentono una completa degradazione termochimica della sostanza secca del legno (decomposizione pirolitica e gassificazione) e ossidazione dei gas combustibili (monossido di carbonio e idrocarburi carboniosi).

Nel corso degli ultimi 35 anni sono stati fatti notevoli passi avanti dalle industrie di costruzione, grazie a ingenti investimenti in ricerca e sviluppo.

L'ottenimento dei valori di emissione e rendimento attesi - ­ in particolare per le caldaie a legna e cippato - è propedeutica una configurazione impiantistica che prevede sempre l'installazione di un accumulo inerziale correttamente dimensionato, per garantire un'adeguata funzione di compensazione di carico e minimizzare i cicli di accensione e spegnimento.

Un recente sviluppo tecnologico delle caldaie a biomasse legnose è la tecnica a condensazione, ovvero l'applicazione di uno scambiatore aggiuntivo dotato di separatore dei condensati. Il condensatore consente un aumento del rendimento e una riduzione delle emissioni di polveri dal 20 al 37%.

Prestazioni di apparecchi e caldaie domestiche

Uno studio, pubblicato nel 2012, ha analizzato e comparato le emissioni di apparecchi e caldaie domestiche del 2006, posti in condizioni di funzionamento ottimale, alimentati a legna, cippato e pellet. In particolare sono stati considerati il particolato (PM) e gli Idrocarburi Policiclici Aromatici, in particolare il Benzo(a)pirene (BaP), per determinarne l'effetto di tossicità sulla salute umana. Il PM è stato collezionato con l'ausilio di un tunnel di diluizione, per determinare anche la componente organica dei condensabili (particolato secondario).

La massa di PM è stata pesata sia "con" sia "senza" condizionamento (120 °C per 8 ore) del filtro umido di campionamento. I risultati di questo studio dimostrano che le moderne stufe a legna poste in condizioni di funzionamento ottimale emettono BaP in quantità dieci volte inferiore rispetto ai fattori di emissione considerati nelle stime degli inventari delle emissioni.

Le caldaie manuali a legna sono estremamente performanti in termini di emissioni, tuttavia "soffrono" nella fase di accensione. Perciò è fondamentale la loro corretta installazione; in particolare è indispensabile l'abbinamento con un accumulo inerziale correttamente dimensionato per limitare il numero di accensioni.

Questo concetto vale almeno in parte anche per le caldaie automatiche, soprattutto quelle a cippato. Le caldaie automatiche sono caratterizzate dai più bassi valori di emissione e di tossicità del particolato.

Se si considera un ipotetico confronto con le stufe a legna tradizionali che, a differenza delle moderne stufe qui analizzate, sono molto meno performanti (per ragioni di età) e operano spesso in condizioni di funzionamento non ottimale, ci si può attendere un fattore di tossicità mille volte superiore rispetto alle moderne caldaie.

Nell'ambito di un progetto europeo, è stato messo a punto un test avanzato delle emissioni secondo un ciclo di funzionamento che riflette le condizioni di esercizio reale.

Nel 2014 e nel 2015 sono state testate alcune stufe a legna e a pellet allo stato della tecnica, ottenendo un valore medio del Fe di PM10 rispettivamente di 120 e 40 g/GJ.

In una recente campagna di misure in opera in condizioni di funzionamento reale su 53 impianti di potenza nominale superiore a 500 kW, alimentati sia a pellet sia a cippato, equipaggiati o con soli sistemi filtro a gravità (ciclone/multiciclone) oppure con filtri elettrostatici o a maniche, è stato rilevato un Fe medio di polveri inferiore a 10 g/GJ e un Fe di carbonio organico sempre inferiore a 2,5 g/GJ.

L'articolo è stato pubblicato nel n.3/2016 della rivista bimestrale QualEnergia, con il titolo "Il fascino sostenibile del fuoco".

Fonte: www.qualenergia.it

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