VALUTAZIONE TECNICO-ECONOMICA DELLA PRODUZIONE DI TRONCHETTI DI LEGNO AD USO ENERGETICO CON IMPIEGO DI UN PROTOTIPO DI MACCHINA PEZZATRICE

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1 Convegno di Medio Termine dell Associazione Italiana di Ingegneria Agraria Belgirate, settembre 2011 memoria n. VALUTAZIONE TECNICO-ECONOMICA DELLA PRODUZIONE DI TRONCHETTI DI LEGNO AD USO ENERGETICO CON IMPIEGO DI UN PROTOTIPO DI MACCHINA PEZZATRICE G. Sperandio 1, M. Pagano 1, P.F. Recchi 1, R. Tomasone!, G. Colorio 1 (1) CRA-ING - Consiglio per la Ricerca e la Sperimentazione in Agricoltura, Unità di ricerca per l'ingegneria agraria, Monterotondo (Roma) Sommario La riduzione in piccoli pezzi di fusti di piante legnose, provenienti anche da piantagioni dedicate all utilizzo per fini energetici, potrebbe costituire un valida alternativa alla riduzione in chips delle stesse, con vantaggi soprattutto relativi ad una più idonea conservazione in fase di stoccaggio prima dell utilizzo in una centrale termica. Il prototipo di macchina preso in esame nella presente memoria è in grado di ridurre tronchi di alberi di dimensioni non superiori ai 20 cm di diametro, in tronchetti di lunghezza variabile da 4 a 19 cm. L innovativo sistema di taglio è basato sull impiego di una lama elicoidale sul cui bordo esterno è stato inserito un coltello che sporge perpendicolarmente per 70 mm. Lo studio è stato condotto osservando la macchina durante le prove di taglio, utilizzando tronchi aventi un peso variabile tra i 10 e gli 80 kg e diametri tra 40 e 180 mm. La lunghezza dei tronchetti direttamente correlata alla velocità di rotazione impartita ai rulli di alimentazione. I test sono stati condotti prendendo in considerazione due velocità di rotazione dei rulli di alimentazione, rispettivamente 9 e 39 giri min -1, mentre l organo elicoidale tagliente veniva mantenuto ad un regime costante di 633 giri min -1. I costi stimati per la produzione dei tronchetti hanno evidenziato una maggiore convenienza nella produzione di tronchetti lunghi (8-20 euro/t), mentre il costo unitario è risultato 3-4 volte superiore per tronchetti più corti (25-61 EURO/t). Il sistema di taglio lungo è economicamente sostenibile anche in presenza di tronchi di minori dimensioni, mentre il taglio corto presenta costi economici sostenibili con tronchi il cui peso supera i 70 kg, ed i cui diametri risultino maggiori di 130 mm. In questo caso, infatti, i costi scendono al disotto di 27 euro per tonnellata di tronchetti prodotti. Parole chiave: macchina pezzatrice, tronchetti, costi orari. 1 INTRODUZIONE Nell ambito delle utilizzazioni del legno per fini energetici, notevole interesse è attualmente rivolto verso soluzioni meccaniche innovative, volte a ridurre il legname di varia provenienza in prodotti per un utilizzo immediato in centrali termiche per la produzione di energia. Attualmente la soluzione più diffusa, anche in seguito al

2 G. Sperandio, M. Pagano, P. Recchi, R. Tomasone, G. Colorio proliferare sul territorio nazionale di centrali a biomassa, soprattutto di grandi e medie dimensioni, è quella di ridurre il legno in scaglie di dimensioni ridotte (chips), spesso inferiori ai 3-5 cm. Al momento del taglio il legno ottenuto presenta un contenuto di umidità, variabile da specie a specie, ma che può raggiungere anche il 60% in peso del materiale. Per una ottimale combustione il legno dovrebbe avere un contenuto di umidità inferiore al 30-35%. Per tale aspetto, è ritenuto necessario (dopo il taglio) un periodo di stoccaggio più o meno lungo del materiale prodotto al fine di favorire la naturale disidratazione. Nel caso del legno ridotto in chips, spesso è necessario formare cumuli di materiale eventi dimensioni tali indurre notevoli problemi di conservazione (Pari et al., 2010; Gallucci et al., 2010) e conseguente perdita di sostanza secca; questo aspetto può comportare una diminuzione del potere calorifico del legno, che può raggiungere anche il 30% (Jirjis et al., 2008). Una tecnica alternativa alla riduzione del materiale in chips è rappresentata dal taglio del legno fresco in pezzi corti (tronchetti) con il vantaggio di esporre una minore superficie legnosa agli attacchi di agenti microbici, riducendo in tal modo, l innescarsi di processi fermentativi. La macchina descritta nella presente memoria è stata concepita per tagliare in pezzotti i fusti di piante legnose di varia provenienza ed anche da SRF (Short Rotation Forestry) o MRF (Medium Rotation Forestry) in alternativa alla riduzione in cippato. Al momento della raccolta, infatti, gli alberi potrebbero raggiungere un diametro del tronco troppo elevato per la cippatura in campo per cui potrebbe essere più indicato procedere alla riduzione dei fusti in frammenti grossolani per agevolare le operazioni di trasporto e di movimentazione (Spinelli et al., 2006). 2 DESCRIZIONE DELLA MACCHINA E PRINCIPIO DI FUNZIONAMENTO Il prototipo di macchina pezzatrice a coclea tagliente, concepita per operare a punto fisso, introduce un metodo innovativo per ridurre in pezzotti il materiale legnoso. Il taglio impiegando i tradizionali sistemi, è effettuato perpendicolarmente alla fibra (Pari et al, 2007), in questo caso risulta, inclinato e progressivo, riducendo gli attriti e le forze in gioco. Sul bordo della spira è stato inserito un coltello elicoidale, saldato sulla faccia rivolta verso il lato di uscita del prodotto. Il corpo della macchina è cilindrico, composto da due sezioni: una racchiude la coclea, e l altra include il grande volano. Un estremità della macchina è aperta per consentire la fuoriuscita del prodotto, sul fianco del cilindro si apre la bocca di alimentazione nella quale vengono inseriti i tronchi perpendicolarmente all asse della coclea (Figura 1). Questi, spinti da una coppia di rulli controrotanti verso l organo di taglio, vengono recisi anche per effetto della pressione impressa dalla coclea tagliente che li spinge verso una controlama fissata all interno del cilindro stesso. La lunghezza dei tronchetti ottenuti, varia in funzione della velocità di rotazione scelta per i rulli di alimentazione. I pezzi più lunghi saranno associati ad una velocità di rotazione più alta e viceversa. Il materiale può essere inserito nella bocca di alimentazione sia manualmente che mediante ausilio di bracci meccanici muniti di pinze idrauliche. Nelle prove sperimentali tale operazione è stata condotta manualmente.

3 valutazione tecnico-economica della produzione di tronchetti di legno ad uso energetico con impiego di un prototipo di macchina pezzatrice 3 MATERIALI E METODI I test sono stati effettuati utilizzando 46 tronchi di robinia (Robinia pseudacacia L.), impostando due differenti velocità di alimentazione per ottenere materiale di due diverse lunghezze di taglio: corto e lungo. Nel primo caso la velocità di rotazione utilizzata è stata di 9 giri min -1, mentre nel secondo caso tale velocità è stata impostata a 39 giri min -1. Per entrambi i casi l organo elicoidale tagliente è stato mantenuto ad un regime di rotazione costante pari a 633 giri min -1. Per eseguire la prova, la macchina pezzatrice è stata collegata ad una trattrice avente potenza nominale di 110 kw e coppia di N. La velocità alla presa di potenza è stata impostata su 540 giri min -1, corrispondenti a 1944 giri min -1 dell albero motore. Il tempo necessario per tagliare il materiale è stato valutato separatamente e per ogni tronco; questo per calcolare in modo sufficientemente preciso i costi unitari relativi al taglio di ogni singolo pezzo. Il tempo di lavoro è stato analizzato considerando separatamente il tempo necessario ad inserire il materiale nella bocca di alimentazione della pezzatrice, il tempo di taglio vero e proprio ed il tempo speso per i fermi macchina dovuti a rotture e/o interruzioni del meccanismo di avanzamento (alimentazione). Per misurare i tempi di lavoro è stata utilizzata una tabella cronometrica a minuti centesimali. I tronchi impiegati nelle prove sono stati numerati e divisi in due cataste, in relazione al tipo di taglio da effettuare. Prima di iniziare i tests di taglio, per ogni singolo tronco è, stato misurato peso, altezza e diametro. Per ogni tipologia di taglio (lungo e corto) sono state calcolate le funzioni di regressione lineare per determinare la correlazione tra il peso dei tronchi e la produttività della macchina, espressa in tonnellate di prodotto per ora di lavoro in riferimento alle due tipologie di taglio. In seguito, i tronchetti ottenuti sono stati accumulati in due differenti cataste e misurati separatamente. Il cantiere di lavoro contava di 3 operatori: il trattorista che, dalla cabina, si occupava del controllo dei parametri operativi del gruppo trattore-pezzatrice ed i due operatori a terra che provvedevano ad inserire i tronchi nella bocca di alimentazione della macchina. L analisi dei costi di lavoro associati all organizzazione del cantiere è stata effettuata con metodo analitico, tenendo presente alcune metodologie di calcolo proposte da vari autori (Baraldi e Capelli, 1973; Biondi, 1999; Miyata, 1980; Ribaudo, 1977). 4 RISULTATI E DISCUSSIONE I valori medi delle principali caratteristiche fisiche dei tronchi sottoposti alle prove di pezzatura per le due tipologie di taglio, sono riportate in Tabella 1. La lunghezza media dei pezzi lunghi è risultata di 137 mm, mentre per i pezzi più corti è risultata mediamente di 82 mm. Il tempo totale necessario a tagliare la stessa massa di tronchi in pezzi corti è stato all incirca il triplo di quello necessario ad ottenere pezzi lunghi. Il tempo di lavoro richiesto nelle differenti fasi che portano alla produzione dei tronchetti, è stato analizzato separatamente per i due gruppi di materiale ottenuto. In entrambi i casi la macchina pezzatrice ha mostrato una buona efficienza lavorativa, infatti la maggior quantità di tempo risulta impiegata nella fase di taglio (99,7% nei

4 G. Sperandio, M. Pagano, P. Recchi, R. Tomasone, G. Colorio pezzi corti ed 88,44% nei pezzi lunghi). I tempi morti, causati da rotture ed inceppamenti sono considerevoli nel taglio lungo mentre risultano trascurabili nel taglio corto. Anche il tempo necessario per il carico dei tronchi è maggiore nella produzione di pezzi lunghi. Tale aspetto potrebbe essere imputabile al fatto che il processo di produzione dei pezzi corti risulta più lento, pertanto gli operatori hanno più tempo a disposizione per movimentare i tronchi nella fase di trasferimento dalla catasta alla macchina. La produttività lorda del cantiere di lavoro cresce quando vengono lavorati tronchi più grandi: questo vale per entrambe le tipologie di taglio ma è più evidente nel caso di taglio lungo (Figura 2). La produttività lorda calcolata per l ottenimento di pezzi lunghi è risultata pari al doppio di quella calcolata per produrre pezzi corti. Considerando il range di peso presente nel materiale di prova, da 15 a 70 kg, la risultante produttività media cambia da 4,5 9,3 t h -1 per i pezzi lunghi a 1,2 3,0 t h -1 per i pezzi corti. Il costo, riferito all unità di prodotto, calcolato per il taglio dei tronchi nelle due tipologie, è stato determinato rapportando le produttività ottenute con il costo orario del cantiere, calcolato sulla base degli elementi presenti in Tabella 2. I risultati dell analisi economica e dei costi operativi del cantiere sono mostrati in Tabella 3. Il costo orario totale per il cantiere ammonta ad Euro 82,68. Il costo del lavoro riferito alla sola manodopera (conduttore del mezzo e due operatori a terra) è molto alto e copre il 58% del costo totale. Confronto la generale produttività della macchina (t h -1 ) con il relativo costo orario, è stata calcolata la variazione del costo unitario di produzione in funzione del peso del tronco, in entrambe le tipologie di taglio: il costo di produzione unitario diminuisce con l aumentare del peso dei tronchi lavorati (Figura 3). 5 FIGURE Figura 1. A) Bocca di alimentazione della macchina pezzatrice B) Progetto del prototipo (fonte

5 valutazione tecnico-economica della produzione di tronchetti di legno ad uso energetico con impiego di un prototipo di macchina pezzatrice Figura 2. Produttività lorda della macchina in relazione al peso del tronco Figura 3. Costo unitario in relazione al al tipo di taglio e peso dei tronchi Tabella 1. Caratteristiche dei tronchi usati nelle prove Tabella 2. Principali parametri economici considerati nell analisi Tabella 3. Calcolo del costo orario del cantiere

6 G. Sperandio, M. Pagano, P. Recchi, R. Tomasone, G. Colorio 6 CONCLUSIONI La macchina pezzatrice è in grado di tagliare i tronchi in piccoli pezzotti pronti per essere utilizzati nelle centrali termiche da biomassa. La riduzione in tronchetti del legno, in alternativa alla produzione del più comune cippato, rende la biomassa legnosa meno suscettibile ad eventuali fenomeni degradativi dovuti ai noti processi di fermentazione. Nei pezzotti, rispetto al legno ridotto in piccole scaglie, si riscontra una più contenuta diminuzione del potere calorifico del materiale. L analisi dei tempi e dei costi delle operazioni di pezzatura conferma che l utilizzo della macchina, da un punto di vista economico, diviene più sostenibile evantaggioso soprattutto per i tronchi di maggiori dimensioni diametriche, compatibilmente con i limiti tecnici imposti dalla macchina (circa 200 mm). Con un peso dei tronchi compreso tra 10 ed 80 kg (corrispondenti a diametri tra 40 ed 180 mm) il metodo di taglio in pezzi lunghi presenta costi di produzione che si aggirano rispettivamente tra i 20 e gli 8 /t. I costi del sistema di taglio corto variano da 81 a 25 /t, dimostrando la minore economicità dell operazione. Infatti, il sistema di taglio lungo è economicamente sostenibile anche in presenza di tronchi di minor dimensione, mentre il taglio corto risulta economicamente accettabile nel caso in cui il peso dei tronchi è superiore a 70 kg ed in presenza di diametri aventi dimensioni maggiori di 130 mm. In questo caso, infatti, i costi scendono al disotto di 27 euro per tonnellata. Al momento il prototipo è in grado di lavorare in postazione fissa, collegato alla trattrice. Attualmente è in fase di progettazione e realizzazione un secondo prototipo, di tipo semovente capace di potersi muovere all interno del campo ed essere impiegato nella raccolta di piantagioni da biomassa SRF (Short e Medium Rotation Forestry). BIBLIOGRAFIA Baraldi G., Capelli G., Elementi tecnici per il calcolo del costo di esercizio delle macchine agricole. Genio Rurale n. 9: Biondi,P., meccanica agraria. le macchine agricole. UTET, Torino. Bisoffi S., Facciotto G. La produzione di legno a fini energetici nei boschi e nei campi, Sherwood, 59, Miyata E.S., Determining fixed and operating costs of logging equipment. North Central Forest Experimental Station. USDA Forest Service. General Technical report NC Pari, L Short rotation di qualità, decisivi raccolta e stoccaggio, L informatore Agrario, 33/07. Pari, L., Fedrizzi M Falciatrinciacaricatrice innovativa per pioppo a ciclo poliennale, L informatore Agrario, 34/05, Spinelli, R., Magagnotti, N. & Nati, C. Tecnologia forestale per le medium-rotation, Terra e Vita, suppl. 5, 2006 Spinelli, R. Verani, S. La raccolta del legno per uso industriale, Sherwood, 59, 2000 Ribaudo F., Il costo di esercizio delle macchine agricole. Macchine e Motori Agricoli, n. 101: