COMUNE DI SEGRATE M ILANO YO U

Transcript

1 COMUNE DI SEGRATE MILANO YOU una città di persone

2 INDICE 1. PREMESSE IL SISTEMA DI PRODUZIONE DI CALORE: LA GASSIFICAZIONE LA CENTRALE DI COGENERAZIONE E IL TELERISCALDAMENTO EMISSIONE ZERO: LE COLTURE AEROPONICHE ASPETTI DI SOSTENIBILITA' ENERGETICA DEI SINGOLI EDIFICI

3 1 PREMESSE L'intervento in esame interessa una superficie di circa mq e prevede la realizzazione di edifici residenziali, ad uso terziario e ad uso pubblico. Gli obiettivi fissati dall Unione Europea per il 2020 in campo energetico/ambientale (+20% di produzione da fonti rinnovabili, -20% di emissione di gas serra, +20% di risparmio energetico), fatti propri dalla Regione Piemonte nel Manifesto per l indipendenza energetica dal petrolio 20/20/20 oltre alle indubbie valenze strategiche che rivestono per condividere un benessere sobrio ma distribuito in modo più equo; per costruire un sistema in cui il consumo delle risorse naturali, della terra e dell energia sia commisurato alla capacità del pianeta di rigenerare risorse che non sono infinite [...] aprono straordinarie occasioni per creare nuovo valore e ricchezza, nuove imprese e lavoro, rispettando delicati equilibri ambientali che una volta alterati è impossibile ricostruire. Le scelte energetiche sono quindi mirate su tutti gli aspetti della progettazione, dalla produzione di energia per l'impianto di produzione di calore alle scelte architettoniche più specifiche. In particolar modo vengono predisposte: 1) un sistema di produzione del calore a gassificazione 2) un sistema di smaltimento delle emissioni prodotte dalla centrale di produzione 3) una serie di accorgimenti atti a migliorare la sostenibilità dei singoli edifici, con l'intento di raggiungere un livello di classe A+ 2

4 2 IL SISTEMA DI PRODUZIONE DI CALORE: LA GASSIFICAZIONE La gassificazione delle biomasse è un processo termochimico (decomposizione termica) che converte materiale (liquido o solido) ricco di carbonio, in un combustibile gassoso (syngas), mediante la vaporizzazione dei componenti in esso contenuti. La trasformazione avviene in un reattore stagno, in carenza di ossigeno e ad una temperatura massima intorno ai 1000 C. Tramite la gassificazione si produce direttamente dalle biomasse un gas combustibile, denominato gas di sintesi o più comunemente syngas. Il gas di sintesi (syngas) viene immediatamente utilizzato da un motore endotermico, a sua volta collegato ad un alternatore che genera corrente elettrica. Le emissioni in atmosfera sono contenute e facilmente controllabili, in quanto la concentrazione di inquinanti organici nelle emissioni dall impianto è trascurabile poiché la biomassa combustibile è portata in una prima fase di ossidazione ad una temperatura di circa 1000 C e in una seconda fase di riduzione ad una temperatura prossima ai 500 C. La permanenza nelle due fasi ha una durata di alcuni minuti, e il trattamento del gas tra l uscita dal reattore e l entrata nel motore endotermico assicura un combustibile pulito. La biomassa da gassificare, per evitare l uso di combustibili sussidiari, deve avere un contenuto in ceneri al massimo del 15% e un tenore di sostanza secca maggiore del 60% all ingresso del reattore. Questi vincoli impongono il condizionamento del materiale prima della gassificazione. Quando si genera energia da biomassa, estraendo l energia immagazzinata nei componenti chimici, l ossigeno presente nell atmosfera si combina con il carbonio e produce, tra l altro, anidride carbonica, uno dei principali gas responsabile dell effetto serra. Tuttavia, la stessa quantità di anidride carbonica è assorbita dall atmosfera durante la crescita delle piante. Il processo è quindi ciclico. Fino a quando le biomasse utilizzate a fini energetici sono rimpiazzate con nuove biomasse, l immissione netta di anidride carbonica nell atmosfera è nulla. La brevità del periodo di ripristino fa si che le biomasse rientrino tra le fonti energetiche rinnovabili, in quanto il tempo di sfruttamento della sostanza è paragonabile a quello di rigenerazione. Poiché nel concetto di rinnovabilità di una fonte energetica è insita anche la sostenibilità ambientale, sarà necessario che le biomasse, con particolare riferimento a quelle di origine forestale, provengano 3

5 da pratiche aventi impatto ambientale trascurabile o nullo. 1. Taglio dell erba su tutto il territorio comunale 2. Trasformazione dell erba tagliata in biomassa di scarto 3. Produzione di energia dall impianto amento 4. Immissione della CO2 prodotta dall impianto in serre aeroponiche per la coltura di alimenti vegetali 5. Fornitura di alimenti vegetali gratuiti e a chilometro zero per gli abitanti del quartiere 6. Utilizzo degli scarti vegetali come compost per la concimazione del terreno Il processo consente di utilizzare qualsiasi tipologia di biomassa, con rendimenti attorno al 28% pur in impianti di piccole dimensioni (<1 MW). Anche il rapporto tra l energia elettrica prodotta e quella termica è ottimale ai fini del recupero energetico. In termini di rendimento elettrico, per gli impianti a combustione tradizionali si va da un massimo del 24-25% in impianti molto grandi (> 5 MW) per scendere fino a rendimenti del 14-16% in impianti piccoli (< 1 MW). Il meccanismo di trasformazione si basa sulla parziale combustione della biomassa in assenza di fiamma, ottenuta facendovi fluire una miscela calda di residui di combustione ad elevata temperatura e di ossigeno in bassa percentuale. Utilizzando aria o ossigeno, la reazione totale di gassificazione è complessivamente esotermica, motivo per cui il processo si mantiene attivo autonomamente, consumando per il suo mantenimento solo una parte dell energia contenuta nella biomassa in processo. La scelta dell agente di gassificazione tiene conto dei seguenti aspetti: 4

6 ARIA. E la tecnologia più semplice ed economica, ma il gas ottenuto ha basso potere calorifico, data l elevata presenza di azoto; OSSIGENO. Costoso, ma l assenza di azoto consente di ottenere buoni valori di potere calorifico; VAPORE. E più economico dell ossigeno, ed il gas ottenuto ha un maggiore contenuto di idrogeno, ma il processo è complessivamente endotermico. Il potere calorifico del syngas ottenuto è conseguenza diretta della sua composizione, per cui esistono differenze importanti tra le varie miscele. Ad esempio, il syngas ottenuto utilizzando ossigeno come comburente ha potere calorifico quasi doppio di quello ottenuto utilizzando aria, a causa del elevata presenza di azoto (gas inerte) nel secondo caso. Le diverse modalità di gassificazione si differenziano innanzitutto sulla base della tipologia del Gassificatore. Esistono infatti 3 diversi tipi di reattori: a) gassificatore a letto fisso: la gassificazione viene realizzata facendo interagire una corrente gassosa contenente ossigeno e vapore con un letto di combustibile solido in lento movimento discendente; nella parte inferiore del reattore è presente una griglia, che sostiene la biomassa e consente contemporaneamente il passaggio dell aria e lo scarico delle ceneri; b) gassificatore a letto fluido: le particelle di combustibile solido reagiscono con una corrente di H2O ed O2 che, alimentata dal basso, le mantiene in sospensione; c) gassificatore a letto trascinato: le particelle di combustibile solido, molto piccole, vengono trascinate dal gas ossidante, muovendosi nella stessa direzione e quasi alla stessa velocità del gas. 5

7 Nel caso di impianti di piccola e media potenza viene solitamente preferito il gassificatore a letto fisso, in quanto presenta caratteristiche particolarmente interessanti: Ridotto fabbisogno di ossidante e possibilità di gassificazione ad aria; se nel letto fluido si può ancora utilizzare aria (senza sfruttarne a pieno la potenzialità), nel letto trascinato è necessario l uso di O2; Elevata efficienza di conversione, grazie agli elevati tempi di contattamento tra le fasi; Ottenimento di ceneri solidificate in forma agglomerata, che possono essere facilmente rimosse dal fondo del gassificatore; Buona tolleranza sul campo di umidità del combustibile; Buona tolleranza sulla granulometria del combustibile; Tecnologia semplice, con bassi costi di gestione. Il principale svantaggio della soluzione a letto fisso risiede nell impossibilità di lavorare in pressione, ma questa caratteristica non risulta penalizzante nei piccoli impianti che impiegano motori a combustione interna, la cui aspirazione porta tutto il sistema a lavorare in leggera depressione. Il gas che viene estratto dal gassificatore può contenere elementi indesiderati, la cui concentrazione deve essere eventualmente ridotta per evitare possibili emissioni inquinanti o danneggiamenti dell impianto durante i successivi processi di utilizzo del syngas. La pulizia deve quindi rimuovere, nei diversi casi, sostanze catramose (quali idrocarburi pesanti condensabili a temperatura ambiente), ceneri e particolato, impurezze gassose. 6

8 3 LA CENTRALE DI COGENERAZIONE E IL TELERISCALDAMENTO Con il termine cogenerazione si intende la produzione combinata di energia elettrica/meccanica e di energia termica (calore) ottenute in appositi impianti utilizzanti la stessa energia primaria. Schema di processo di gassificazione Nel caso in questione, la produzione combinata di energia elettrica e termica avviene mediante impianto di gassificazione; in particolar modo si illustra di seguito il sistema di cogenerazione mediante gassificazione di Heatatron. Il sistema di gassificazione Heatatron è totalmente innovativo rispetto a quanto sviluppato ed esistente sul mercato fino ad oggi. Le principali differenze dell impianto di cogenerazione mediante gassificazione di Heatatron sono in sintesi le seguenti: 1. Gassificatore a sezione orizzontale, che consente il frazionamento controllato delle varie reazioni di gassificazione; 2. Utilizzo di biomassa umida al 40-60%, con conseguente eliminazione della sezione di preessicazione della biomassa; 3. Utilizzo di una gran varietà di biomasse, che consente l utilizzo di biomasse di scarto o di scarso valore economico; 4. Efficienza elettrica nettamente superiore, ovvero consistente riduzione del feedstock in ingresso a parità di potenza elettrica erogata; 7

9 5. Innovativo filtro a carboni attivi, che elimina il problema degli effluenti liquidi e solidi nella pulizia del syngas e la cui manutenzione è molto ridotta; L impianto verrà progettato per la trasformazione di una vasta gamma di biomasse e scarti agricoli in energia elettrica ed energia termica, fornendo calore alla rete di teleriscaldamento. Schematizzazione delle zone specifiche di gassificazione tipo In linea generale, il teleriscaldamento è una forma di riscaldamento che consiste essenzialmente nella distribuzione, attraverso una rete di tubazioni isolate e interrate, di acqua calda, acqua surriscaldata o vapore (detti fluidi termovettori), proveniente da una grossa centrale di produzione, alle abitazioni con successivo ritorno dei suddetti alla stessa centrale. Nel caso in questione, come già anticipato, il fluido termovettore viene prodotto dalla centrale di cogenerazione, utilizzando come combustibile il gas prodotto tramite il processo di gassificazione (syngas). La distribuzione del fluido termovettore avviene tramite una rete di tubazioni isolate e interrate fino alle varie utenze, ritornando poi in centrale. 8

10 A destinazione il fluido termovettore riscalda, attraverso uno scambiatore di calore acqua-acqua o vapore-acqua (generalmente a piastre), l acqua dell impianto di riscaldamento delle varie utenze. Lo scambiatore, che in pratica sostituisce la caldaia o le caldaie, può produrre anche acqua calda sanitaria. I vantaggi del teleriscaldamento sono: uso più efficiente dell energia primaria, solo quando è effettuato in centrali di cogenerazione; maggiori controlli sui gas di scarico su un unica centrale, rispetto agli scarsi controlli effettuati sulle singole caldaie; possibilità di sfruttare fonti energetiche rinnovabili (biomasse); nelle case di nuova costruzione, riduzione dei costi di investimento per la realizzazione della centrale termica. 9

11 4 EMISSIONE ZERO: LE COLTURE AEROPONICHE Il completamento del circolo di riutilizzo delle risorse prevede la realizzazione di serre aeroponiche per lo smaltimento della CO2 prodotta dalla centrale di cogenerazione. Vengono quindi previste le realizzazione di serre aeroponiche per una superficie di circa mq, al servizio del comparto, poste tuttavia al di fuori del piano di intervento. Con il termine aeroponici vengono definiti gli impianti che non prevedono l impiego di alcun tipo di substrato. I vegetali vengono sorretti da elementi cosiddetti porta piante,mentre le radici sono a contatto solo con l aria e su di esse viene nebulizzata la soluzione nutritiva contenente i macro e microelementi naturalmente presenti nel terreno e necessari per lo sviluppo ottimale delle piante. Questo fatto consente di: non utilizzare fertilizzanti chimici, ma soltanto una soluzione di acqua e sali minerali specifica per ciascuna specie ed all interno della specie per ciascun stadio di sviluppo della pianta; eliminare la proliferazione di funghi ed altri batteri, eliminando in tal modo l utilizzo di pesticidi e fungicidi; utilizzare da 1/15 a 1/20 dell acqua necessaria nelle coltivazioni tradizionali. L obiettivo della coltura aeroponica è l ottenimento delle condizioni che incrementino sviluppo, salute, fioritura e fruttificazione della pianta attraverso la coltivazione in serra e l uso di soluzioni ricche di nutrienti spruzzate sulle radici nude. L ambiente chiuso, e idealmente isolato dall esterno, combinato con l assenza del terreno, permette inoltre di annullare l esposizione delle piante ad agenti infestanti e patogeni facilitando ulteriormente il loro sviluppo. Notevole è anche il livello di ossigenazione dell apparato radicale che questa tecnica permette. A differenza della coltura idroponica la pianta non viene sommersa in sostanze nutritive ma sospesa in un ambiente periodicamente nebulizzato di sostanze. Al contempo questo permette di 10

12 avere un maggiore impatto dell aria, necessaria allo sviluppo della pianta e di risparmio di sostanze ed acqua. Questa tecnica consente la produzione di un raccolto al 100% organico e biologico ad un costo inferiore rispetto alle colture tradizionali, anche intensive. Inoltre, la coltura avviene in serre ed il processo di mescola dei sali e di innaffiatura è totalmente automatizzato, consentendo una produzione il più possibile continua ed omogenea pur impiegando una forza lavoro minimamente qualificata. Infatti la soluzione di acqua e sali viene pompata dalla stazione idraulica centrale e la frazione non assorbita viene riciclata. Il sistema di miscelazione di acqua e sali è completamente automatico, così come automatica è l innaffiatura di ciascuna fila di colture con la specifica quantità e tipologia di soluzione di acqua e sali. 11

13 5 ASPETTI DI SOSTENIBILITA' ENERGETICA-AMBIENTALE DEI SINGOLI EDIFICI Nell ambito dell intervento di pianificazione urbanistica del comparto saranno approfondite le tecniche costruttive di sostenibilità ambientale e verificata l applicabilità di moderni concetti di progettazione ad alta efficienza energetica che contempleranno il riscaldamento, il raffreddamento, l uso di fonti energetiche rinnovabili ma anche l uso di materiali eco-compatibili. L'obbiettivo prefigurato è quello di raggiunger un livello di classe energetica A+ Le soluzioni costruttive dei diversi lati degli edifici saranno quindi influenzate da tali fattori, cercando così di sfruttare al meglio gli effetti degli agenti naturali sull edificio. La filosofia progettuale prevede poi che tutte le costruzioni abbiano involucri che consentano di minimizzare la richiesta di energia. In particolare gli edifici saranno progettati applicando i parametri limite, relativi all efficienza energetica, richiesti dal DPR 311/06 per l anno In funzione della destinazione d uso e dell idea architettonica dell edifico sarà quindi valutata la possibilità di applicare sistemi costruttivi quali tetti verdi e serre solari: i primi tesi a limitare gli effetti dell insolazione solare estiva sulle superfici orizzontali e le seconde, impiegate nelle pareti esposte a sud degli edifici residenziali, realizzate per sfruttare al meglio gli apporti gratuiti di calore derivati dall irraggiamento solare invernale. Il posizionamento delle aperture vetrate sarà tale da garantire un apporto solare invernale gratuito e saranno valutate opportune schermature per limitare l irraggiamento estivo cercando il giusto compromesso tra risparmio energetico ed illuminazione degli ambienti. La quantità di energia termica ed elettrica richiesta per garantire le condizioni di comfort interne (luminosità, temperatura, etc..) sarà prodotta e distribuita mediante impianti ad alta efficienza e bassa emissione di CO2. Come prima descritto, verranno impiegati il teleriscaldamento cittadino Caso per caso sarà poi studiata la convenienza energetica dell installazione di sistemi di ventilazione meccanica (con impianto di recupero di calore), così come i più appropriati sistemi di riscaldamento e raffrescamento. Verranno predisposti inoltre sistemi di accumulo e ri-utilizzo di acque meteoriche provenienti da superficie non contaminate (quali i tetti degli edifici stessi). Tali accumuli serviranno a ridurre l'utilizzo di acqua potabile per attività che non ne richiedano espressamente uso, come impianti antincendio, lavatrici, etc.etc. 12

14 L applicazione dei concetti sopra esposti saranno alla base della progettazione di tutto il comparto che rappresenterà così un esempio di edilizia eco sostenibile che sotto la spinta dell evoluzione legislativa evolve verso prestazioni e soluzioni d avanguardia al fine di garantire la minimizzazione delle emissioni di CO2 generate dalla costruzione e dall utilizzo degli edifici. 13