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1 attività - studi & ricerche Aspetti tecnologici ed ambientali della combustione di biomasse S. Marengo, F. Hugony, S. Bertagna, G. Migliavacca, A. Mascherpa, A. Maggioni, C. Morreale Stazione sperimentale per i Combustibili Viale A. De Gasperi, San Donato Milanese (MI) Tel ; Fax ; migliavacca@ssc.it RIASSUNTO SUMMARY In questo lavoro di ricerca, svolto presso la SSC, sono state indagate le modalità di combustione di alcuni apparecchi di piccola e media potenza alimentati con diversi combustibili. Sono state determinate le fasi transitorie e stazionarie di ciascun sistema attraverso il monitoraggio continuo dei parametri di combustione, delle emissioni di inquinanti gassosi e del particolato. Per ciascun inquinante sono stati in seguito determinati i fattori di emissione totali, distinguendo i contributi delle due fasi. INTRODUZIONE In this work has been carried out the characterisation of some combustion systems fed with different fuels. Stationary and transient phases has been defined for each device through the continuous monitoring of combustion parameters, gaseous pollutants and particulate matter emissions. Total emission factors has been determined taking into account the contributions of the two phases of combustion. L utilizzo delle biomasse nelle apparecchiature per il riscaldamento domestico ha avuto una consistente crescita all interno del panorama europeo negli ultimi tempi. Ciò è avvenuto sia a causa dell incremento del prezzo dei combustibili fossili, sia grazie alla maggiore attenzione verso i problemi legati al riscaldamento globale del pianeta, che ha avuto come conseguenza la definizione di incentivi per la produzione di energia da fonti rinnovabili sia a livello europeo che regionale. Il livello tecnologico degli apparecchi a biomassa disponibili attualmente sul mercato risulta essere piuttosto alto con delle buone prestazioni in termini di efficienza energetica, tuttavia è da tenere in considerazione il fatto che l aumento nell utilizzo di questo combustibile per la produzione di energia, se da un lato comporta dei significativi miglioramenti in termini di abbattimento delle emissioni di CO 2, dall altro può avere un significativo impatto sull ambiente a causa delle emissioni più o meno consistenti di altre tipologie di inquinanti gassosi e di particolato. Tali emissioni hanno un incidenza diversa in relazione alle caratteristiche del territorio dove si 2 La Rivista dei Combustibili

2 verificano [1, 2] quindi risulta importante quantificarne l impatto effettivo, sono inoltre fortemente dipendenti dalle modalità di utilizzo e gestione degli apparecchi stessi, in particolare quelli domestici, per cui è utile e significativo approfondire e caratterizzare le emissioni durante le diverse fasi della combustione. Durante le indagini sperimentali svolte presso la Stazione Sperimentale per i Combustibili (SSC) è stato perseguito quest ultimo obiettivo mediante lo studio sistematico dei cicli di combustione per diversi apparecchi di riscaldamento domestico di taglia medio-piccola alimentati con diversi combustibili quali gasolio, gas naturale, olio combustibile, pellet e legna da ardere. Ciò a portato alla definizione della fase transitoria e della fase stazionaria per ciascuna tipologia di apparecchio e, mediante una procedura di analisi appositamente realizzata, sono stati quantificati i fattori di emissione delle principali specie di inquinanti (CO, COV, NOx e PM) in ciascuna fase di gestione dell impianto. APPARATO SPERIMENTALE Figura 1 Schema dell apparato sperimentale per lo studio di caldaie a media potenza Per quanto riguarda gli apparecchi a media potenza, sono state prese in esame due caldaie, una da 75 e l altra da 150 kw alimentate con combustibili liquidi e gassosi tradizionali e una caldaia da 100 kw alimentata a pellet. Quest ultima è rappresentativa dei moderni sistemi di combustione a biomassa attualmente in commercio, comprende un sistema di ricircolo dei gas ed essendo dotata di un alto livello di automatizzazione delle operazioni di carico del combustibile e combustione, consente un buon controllo dell intero processo e di conseguenza è possibile mantenere le emissioni di inquinanti su livelli abbastanza bassi durante le varie fasi di lavoro. In Figura 1 è rappresentato uno degli impianti predisposti per le analisi. Figura 2 Schema dell impianto utilizzato per lo studio di caminetti e stufe Volume 63 - fascicolo n

3 attività - studi & ricerche RISULTATI Per quanto riguarda le apparecchiature domestiche di piccola taglia sono stati impiegati due diversi apparati di misura. Il primo è costituito da un banco prova standard per caldaie a gas di piccola taglia (< 35 kw), mentre gli apparecchi a biomassa sono stati analizzati in un impianto appositamente predisposto, rappresentato in Figura 2. I dispositivi che sono stati presi in esame in questo lavoro sono: una stufa automatica a pellet (8.2 kw), una stufa tradizionale (6.5 kw) e un caminetto chiuso (11 kw). Mentre gli ultimi due sistemi sono rappresentativi dei dispositivi maggiormente diffusi in Lombardia, la stufa automatica a pellet costituisce un esempio dei moderni sistemi disponibili sul mercato. Il monitoraggio di ciascuna fase del processo di combustione è condotto mediante misure dei principali effluenti gassosi attraverso analizzatori in continuo di O 2, CO, CO 2, NO, NO 2, SO 2 e VOC, e mediante la misura della concentrazione istantanea di particolato aerodisperso effettuata con un misuratore di tipo ottico Sick/Maihak FW 100 operante in continuo con elevata frequenza di acquisizione (tempo minimo di risposta 0.1 s). La determinazione della misura in massa del particolato è stata effettuata attraverso il metodo gravimetrico secondo lo standard in uso [3]. Fasi transitorie per apparecchi a combustibili liquidi e gassosi Lo studio delle fasi di combustione di sistemi alimentati con combustibili liquidi e gassosi ha evidenziato una forte differenza tra i fattori di emissione ottenuti nella fase stazionaria e quelli nella fase transitoria, in particolare per alcuni inquinanti quali CO e VOC. Questa differenza dipende in modo consistente dalle modalità di conduzione dell apparecchio. In Figura 3 è rappresentato l andamento delle concentrazioni di CO e VOC durante lo spegnimento e l accensione dell impianto, ovvero nella fase transitoria. Figura 3 Tipico andamento di CO e VOC nelle fasi di accensione e spegnimento di calaie a gas e gasolio Confronto apparecchi a biomassa Automatici La breve fase transitoria di accensione, nei sistemi di riscaldamento automatici, apporta un contributo trascurabile al computo delle emissioni totali, poiché questi impianti possono restare operativi per lunghi periodi (giorni o mesi a seconda delle dimensioni) in condizioni di quasi stazionarietà. Tuttavia confrontando la fase stazionaria dei sistemi a biomassa con quella dei sistemi alimentati a combustibili liquidi e gassosi, si vede come le oscillazioni nell andamento delle emissioni di inquinanti siano più marcate nel primo caso rispetto al secondo. Questo si verifica a causa del periodico caricamento di combustibile solido negli apparecchi a biomassa, che determina delle perturbazioni nel sistema che si ripercuotono sulla qualità della combustione e quindi sulle emissioni. Nel caso della stufa a pellet, le fluttuazioni, nonostante siano ampie, risultano piuttosto regolari lungo il periodo di utilizzo, quindi il valore medio di inquinanti emessi, si mantiene comunque costante. Anche per quanto riguarda la caldaia da 100 kw, di tecnologia più moderna, si possono notare dei picchi di emissione anomali durante il funzionamento dell apparecchio (Figura 4), nonostante sia dotata di un sistema di controllo automatico dei parametri più efficiente rispetto alla stufa. 4 La Rivista dei Combustibili

4 Tuttavia, la regolarità dell andamento è mantenuta sul lungo periodo. Manuali In Figura 5 è rappresentato l andamento tipico dei principali inquinanti gassosi e del particolato emessi durante la prima ora di accensione di un caminetto chiuso alimentato con ceppi di legno di faggio. Si può notare come l emissione di particolato sia molto marcata nella fase iniziale di accensione, così come quella dei VOC. Un andamento simile si presenta anche nel caso della stufa tradizionale evidenziando come per gli apparecchi manuali (caratterizzati da periodi di utilizzo piuttosto brevi, 6-14 ore), rispetto al caso dei sistemi automatici, risulti molto importante e abbia una forte influenza sulle concentrazioni totali la fase transitoria. Inoltre l uso dei sistemi manuali dipende fortemente dalle personali abitudini di ciascun utilizzatore, in particolare per quanto riguarda il rifornimento del combustibile e la riaccensione del sistema, che possono essere più o meno frequenti a seconda dei casi, ma comunque rendono il processo di combustione molto discontinuo. Figura 4 Andamento delle emissioni di CO e VOC per la caldaia automatica a biomassa Fattori di emissione I fattori di emissione sono stati calcolati per tutti gli inquinanti monitorati sulla base del potere calorifico inferiore del combustibile in uso. I contributi al fattore di emissione totale sono dati dalle due fasi di combustione prese in esame in questo lavoro: stazionaria e transitoria. Per calcolare i fattori di emissione sono state fatte alcune considerazioni sui cicli di combustione delle diverse tipologie di apparecchio, sulla base delle numerose prove svolte: Per le caldaie a gas e a combustibili liquidi è stato ipotizzato un ciclo (20 minuti accesa, 10 minuti spenta) Per le caldaie automatiche a biomassa sono state considerate solo condizioni stazionarie Per gli apparecchi manuali a biomassa è stata considerata la prima ora di funzionamento dopo l accensione a freddo In Figura 6 sono riportati i grafici dei fattori di emissione di CO, VOC e particolato suddivisi nei contributi stazionario e transitorio. Si può notare la forte differenza tra i fattori di emissione dei dispositivi manuali rispetto a tutti gli altri. I fattori di emissione di CO e VOC degli apparecchi a gas naturale e a gasolio risulta- Figura 5 Andamento delle emissioni di CO, VOC e PM durante l accensione a freddo del caminetto chiuso Volume 63 - fascicolo n

5 attività - studi & ricerche Figura 6 fattori di emissione per i diversi apparecchi: a) CO, b) VOC, c) PM no alti considerando anche il contributo della fase transitoria; la caldaia automatica a pellet presenta invece fattori di emissione piuttosto bassi rispetto a quelli delle caldaie alimentate con combustibili tradizionali, tranne per quanto riguarda il particolato. CONCLUSIONI Lo studio sperimentale condotto presso la SSC ha preso in esame svariate tipologie di apparecchi di riscaldamento di diverse potenze e alimentati da vari combustibili liquidi, solidi e gassosi. Il lavoro presenta un confronto dettagliato delle performance ambientali dei sistemi attualmente disponibili sul mercato e in uso su scala medio-piccola. L aspetto più significativo di questo lavoro è l analisi delle diverse fasi della combustione e la valutazione dei fattori di emissione di ciascuna. Dai risultati è evidente che le fasi transitorie della combustione possono dare un importante contributo alle emissioni complessive delle diverse specie inquinanti, e il loro contributo in generale dipende dalle modalità di utilizzo dell apparecchio. Anche il livello tecnologico dell apparecchio e il combustibile utilizzato influenzano l impatto ambientale del sistema di riscaldamento. Risulta quindi che, per una corretta politica ambientale finalizzata al contenimento delle emissioni inquinanti provenienti dal riscaldamento domestico, è importante tenere in considerazione una dettagliata valutazione delle emissioni in funzione dell influenza su di esse delle diverse fasi di combustione (controllabili attraverso una corret- 6 La Rivista dei Combustibili

6 ta gestione dell impianto), oltre all influenza dei combustibili impiegati e dell avanzamento tecnologico dell impianto, nell ottica di una gestione integrata e proficua. Alla luce dei risultati sperimentali ottenuti e delle conoscenze acquisite in materia di combustione di biomasse, la SSC ha intenzione di proporre per il triennio un progetto che ha lo scopo di favorire la diffusione e l uso intelligente di impianti di riscaldamento di taglia medio-piccola (dagli 8 ai 1000 kw) alimentati a biomassa. Il lavoro viene proposto nell ambito del programma europeo Intelligent Energy ( e prevede una collaborazione tra istituti scientifici, aziende private ed enti pubblici di vari stati europei al fine di elaborare una serie di documenti tecnici in grado di identificare le BAT (Best Available Technologies) per gli impianti di riscaldamento a biomasse nel settore civile, con particolare attenzione alle emissioni atmosferiche da essi provocate e alla loro sostenibilità economica. Successivamente, attraverso corsi e workshop, il progetto si prefigge di raggiungere utilizzatori finali e professionisti del settore, così da creare maggiore sensibilizzazione e diffondere le conoscenze sul tema per contribuire all ottimizzazione dell efficienza energetica e dell impatto ambientale di questi apparecchi attraverso procedure più responsabili di scelta e gestione di tali impianti. [1] G. Migliavacca, S. Bertagna, F. Hugony, A. Mascherpa, S. Marengo (2006), Experimentation on heating fuels: influence of unsteady burning condition on pollutant emissions Riv. Dei Combustibili, 60, 6 pagg [2] E. Angelino, S. Marengo (2007), Approfondimento dei fattori di emissione di sistemi di combustione a legna, Rapporto ARPA Lombardia sulla Convenzione n 696/05 con la Provincia di Milano. [3] UNI EN (2003), Stationary source emissions - Determination of low range mass concentration of dust - Manual gravimetric method. PROGETTI FUTURI BIBLIOGRAFIA Volume 63 - fascicolo n