UNA CALDAIA AD AGRI-PELLET PER PICCOLE E MEDIE AZIENDE LATTIERO-CASEARIE

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1 ECODENS - ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE MISURA PSR SICILIA CONVEGNO FINALE, 30 GENNAIO 2014, UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PALERMO UNA CALDAIA AD AGRI-PELLET PER PICCOLE E MEDIE AZIENDE LATTIERO-CASEARIE Prof. B. Zuccarello 1, Ing. A.Pani 2. 1 Università degli Studi di Palermo - Dipartimento di Ingegneria Chimica, Gestionale, Informatica e Meccanica Viale delle Scienze, Palermo, bernardo.zuccarello@unipa.it 2 SABER Techology S.r.l. Via P.pe di Belmonte n. 80, Palermo, ale.pani@alice.it Parole chiave: biomasse, caldaia, caseario, energivoro, agri-pellet, bruciatore, combustione 1. INTRODUZIONE Nel territorio regionale siciliano le diverse aziende zotecniche, che si occupano dell allevamento di ovini e bovini, a loro volta sono direttamente connesse a piccoli e medi caseifici, usualmente gestiti a conduzione familiare, nelle quali possono essere presenti diversi livelli di tecnologie casearie. Essendo gli stessi caseifici di piccole o medie dimensioni, solitamente, i locali adibiti alla trasformazione del latte sono ricavati da edifici preesistenti e sono costituiti da una singola sala di caseificazione e da una o più celle di stagionatura. In questi luoghi avviene, normalmente, un solo ciclo di lavorazione giornaliera, ma se i quantitativi di latte sono superiori e si dispone di un serbatoio di refrigerazione è in genere possibile effettuarne due o più in serie, utilizzando gli stessi macchinari più volte e richiedendo notevoli energie. Nella Figura 1 è riportato il diagramma di flusso del processo di lavorazione del latte, attuato dalla azienda casearia partner Palazzolo Filippo, e tipico di una azienda casearia di piccole dimensioni. In sintesi pertanto il processo di produzione è costituito dalle seguenti successive fasi: 1) Immissione del latte nella caldaia polivalente; 2) riscaldamento sino alla temperatura di pastorizzazione e mantenimento a questa temperatura (temperatura e tempo di pastorizzazione sono legati oltre che al processo particolare anche alle materie prime e alla tipologia di prodotto che si vuole ottenere); 3) raffreddamento del sino alla temperatura di coagulazione e immissione dei fermenti e del caglio; 4) riposo per il tempo necessario alla coagulazione; 5) taglio della cagliata; 71

2 6) scarico della cagliata nel tavolo di formatura e stufatura, dove avviene anche lo sgrondo del siero che si deposita nella parte inferiore del tavolo; 7) stufatura dei formaggi, i quali sono ancora negli stampi sono sottoposti a vari rivoltamenti delle forme; 8) salatura del formaggio, che generalmente ha inizio il giorno successivo alla produzione, e può essere eseguita a secco o in bagno di salamoia; 9) deposizione del prodotto finito nelle celle refrigerate di maturazione e conservazione. 10) produzione della ricotta mediante riscaldamento del siero sino alla temperatura di affioramento della stessa (circa 81 C) - durante la fase di affioramento alcuni trasformatori utilizzano dei prodotti per aiutare la separazione delle albumine dal siero; 11) riposo della ricotta, ed estrazione con sistemazione del prodotto nelle apposite fuscelle. Figura 1 - Schema del tipico processo di produzione casearia. Pertanto, dal presente tipico processo di produzione casearia, è evidente l importanza ricoperta dalla fase di riscaldamento del latte, che, nel caso della produzione della ricotta, viene effettuata ben due volte. Con questo elaborato si vogliono quindi mostrare i vantaggi e le modalità dell utilizzo dell agri-pellet Ecodens come fonte energietica rinnovabile, utilizzata per la produzione di energia termica, in realtà produttive quali piccole e medie aziende casearie, aziende notoriamente fortemente energivore. 2. STATO DELL'ARTE Da diverso tempo, la principale attrezzatura utilizzata per la produzione artigianale dei prodotti caseari è stata la caldaia a fuoco diretto, di capacità compresa tra i 30 ed i 120 litri. Limite di questa tecnologia è sempre stato il rendimento (camera di combustione aperta) e le norme igieniche sanitarie, messe in discussione dallo stesso concetto di camera di combustione aperta. Da qualche anno a questa parte, sono state immesse nel mercato caldaie polivalenti di capacità variabile tra i 200 e i 500 litri, tecnicamente superiori alle precedenti. 72

3 Tecnicamente, queste caldaie, sono nate come evoluzione dei serbatoi di refrigerazione del latte, i quali, con le opportune accortezze, possono consentire il riscaldamento dello stesso. Queste tipologie di caldaie consentono di ottenere un uniforme riscaldamento del latte ed evitare sbalzi termici localizzati (sistema denominato usualmente a bagno-maria ). La tipica struttura di una caldaia polivalente è mostrata nella seguente Figura 2. Figura 2 - Vasca polivalente. La trasmissione dell energia termica alla vasca contenente il latte avviene tramite un fluido scambiatore (solitamente acqua allo stato liquido o vapore). Viene utilizzata acqua nei sistemi distribuiti, cioè in quei sistemi dove l energia termica viene immessa nel fluido scambiatore in prossimità della polivalente. Questa tipologia di sistema consente di avere costi contenuti se utilizzato in piccoli caseifici e vista la semplicità del sistema, i costi manutentivi sono limitati. L utilizzo di vapore come fluido scambiatore è usato molto raramente in aziende casearie medio-piccole, ma trova ampia diffusione nelle aziende medio-grandi. Difatti l utilizzo del vapore consente la trasmissione dell energia termica usando una concezione di sistema concentrato, dove abbiamo un generatore di vapore e diverse vasche a cui affluisce, a mezzo di un sistema di tubature isolate termicamente, consentendo così un abbattimento dei costi e un rendimento accettabile. Gli svantaggi di questo approccio sono il costo, rapidamente ammortizzato nel caso di grandi produzioni, e la necessità di manutenzione specialistica, vista la complessità del sistema. I sistemi a caldaia polivalente hanno incontrato un discreto successo e vi sono in commercio dei caseifici premontati, con cui è possibile produrre quasi ogni tipo di formaggio ed in particolare quelli di pezzatura attorno a 1-2 Kg, identificabili come caciotte. Gli impianti di questo tipo sono composti essenzialmente da: Vasca (caldaia) polivalente Gruppo di refrigerazione Gruppo termico per la produzione di acqua calda Circuti per la circolazione dell'acqua Quadri di controllo Tavolo spersore Pompa per il travaso del siero Ripiani per stufatura 73

4 I tipi più comuni di caldaie polivalenti per caseifici aziendali hanno una volume di 500 litri, e permettono la lavorazione di litri di latte per ciclo di lavorazione. I quantitativi lavorabili giornalmente con vasche da 500 litri vanno da un minimo di 150 litri, sotto al quale l'impianto non lavora in modo omogeneo, sino ad un livello di poco inferiore alla capienza massima della vasca. Le caldaie di minore capacità, sono generalmente anche più semplici da utilizzare, potendo essere alimentate anche con una semplice bombola di gas ed una presa di corrente monofase, non richiedendo interventi sulla muratura e sulle opere della sala di lavorazione. Per aziende casearie medie e grandi la caldaia polivalente è caratterizzata da uno scambio termico che avviene tra il latte ed il fluido scambiatore il quale riceve calore da un bruciatore pressurizzato alimentato a gas (GPL o metano) o a gasolio. Si tratta comunque di sistemi relativamente costosi e per questo non convenienti per una piccola azienda casearia. Nel seguito è riportata una tabella riassuntiva dei costi del combustibile e della energia elettrica consumata nell esercizio di un piccolo caseificio, quale è quello della azienda partner Palazzolo Filippo, facente uso di una caldaia polivalente alimentata a GPL, con produzione massima di circa litri di latte al giorno (2-3 cicli). Tabella 1- Costi dell energia di un piccolo caseificio. Dettaglio costi dell energia COSTI ENERGETICI GPL 25,50 [1,02 /l * 25 l] ENERGIA ELETTRICA TOTALE COSTI ENERGETICI GIORNALIERI COSTO PER LITRO DI LATTE TRASFORMATO: TOTALE COSTI ENERGETICI ANNUI 0,90 [0,15 /kwh * 6 KWh] 26,40 /giorno 0,0264 /l 9636,00 /anno Si stima che l incidenza del costo del combustibile sul valore della produzione è di circa il 5-7%, quindi ricopre un ruolo importante la scelta del combustibile atto alla generazione dell energia termica. A tal scopo, in Tab.2 si ha una comparazione dei vari combustibili utilizzabili nelle aziende zootecniche. Si nota come l utilizzo di biomasse, ed in particolare dell agri-pellet Ecodens, permetta di ottenere un significativo risparmio sulla bolletta energetica di una azienda agricola energivora, quale l azienda casearia. Tabella 2 - Comparazione costi dei combustibili per unità di energia. COMBUSTIBILE POTERE CALORIFICO UNITA' DI MISURA PARI A Kwh Costo unitario [ /kwh] BENZINA Kcal/lt 12, G.P.L Kcal/lt 7, GASOLIO 8250 Kcal/lt 9, PELLETS 4500 Kcal/Kg 5, AGRI-PELLETS ECODENS 4290 Kcal/Kg 5,

5 Pertanto utilizzare come combustibile l Agri-pellet Ecodens permette di ridurre di quattro volte il costo del combustibile per la generazione di energia termica utile al riscaldamento del latte. 3. CALDAIE A PELLET E SOLUZIONE INNOVATIVA CON BRUCIATORE ECODENS L utilizzo di combustibili alternativi, quali pellet di legno ecc, per la produzione casearia, prevede ordinariamente l uso di apposite caldaie polivalenti a vapore surriscaldato caratterizzati da costi relativamente elevati. Per questo motivo tali caldaie risultano poco adatte per aziende casearia di piccole dimensioni. Il cuore di tali sistemi esistenti in commercio è costituito da un bruciatore a pellet che può essere di diversa tipologia costruttiva. Al fine di permettere ad una azienda casearia di piccole dimensioni lo sfruttamento dei vantaggi derivanti dall uso di biomasse per il soddisfacimento del proprio fabbisogno energetico, con il progetto ECODENS è stato implementato opportunamente un bruciatore con speciale camera di combustione che consente l uso delle caldaie tradizionali in possesso delle stesse aziende, attraverso la semplice sostituzione del bruciatore in uso (a gas o gasolio) con quello appositamente implementato; il bruciatore può in genere continuare ad utilizzare anche il camino esistente senza dovere eseguire costose opere murarie. E possibile cosi limitare i costi di aggiornamento del sistema e passaggio all uso delle biomasse, senza dovere sostenere notevoli investimenti iniziali per la introduzione di una caldaia a vapore surriscaldato, ne modificare significativamente i parametri di produzione adottati da ciascuna azienda nel ciclo produttivo caseario. Il bruciatore di una caldaia è il componente dell'impianto di combustione in cui avviene la miscelazione di un combustibile ed un comburente e, successivamente, la reazione di combustione, generalmente con formazione di fiamma. Vi sono diverse classificazioni dei bruciatori, le più comuni vengono effettuate in base alla tipologia di combustibile utilizzato e in base alla sua struttura dello stesso. Dal punto di vista strutturale esistono in pratica 2 tipi di bruciatore: 1) bruciatori ad aria aspirata; 2) bruciatori ad aria soffiata. I primi sono di prevalente uso nel campo civile (caldaie murali, fornelli); in questo caso l'aria viene aspirata in modo naturale dal combustibile, grazie ad un condotto che presenta un restringimento della sezione nel punto in cui viene immesso il combustibile, sfruttando così l'effetto Venturi. I bruciatori ad aria soffiata, invece, presentano un'immissione dell'aria di tipo forzato, grazie ad un ventilatore posto a monte del bruciatore stesso. Vengono utilizzati in tutte le applicazioni industriali (generatori di vapore, generatori di aria calda, forni industriali) e in alcune applicazioni alcune civili (moderne caldaie ad uso domestico). Dal punto di vista del combustibile, i bruciatori più diffusi in campo civile ed industriale impiegano i combustibili riportati nella seguente tabella 2, che offre un esame comparativo delle diverse possibili soluzioni operative legate all uso di diversi combustibili, tradizionali ed alternativi. 75

6 Tabella 3 - Combustibili usualmente utilizzati nella produzione casearia. TIPO COMBUSTIBILE POTERE CALORIFICO UNITA' DI MISURA PARI A Kwh Rendimento BENZINA Kcal/lt 12,21 90 GAS METANO 8500 Kcal/mc G.P.L Kcal/lt 7,3 90 GASOLIO 8250 Kcal/lt 9,6 90 PELLETS 4500 Kcal/Kg 5,2 80 PELLETS Ecodens 4290 Kcal/Kg 5,0 85 LEGNA 3500 Kcal/kg 4 70 Per usi alimentari il combustibile maggiormente utilizzato è il G.P.L., sebbene pure utilizzati sono il gasolio ed il metano. Recentemente si sta pure diffondendo nel settore caseario l uso caldaie a pellet di medie e grandi dimensioni. Si tratta di sistemi in grado di utilizzare pellet di legno di buona qualità che consentono un risparmio sulla bolletta energetica. Al fine di abbattere il carico inquinante derivante dall uso dei combustibili fossili, nonché di abbassare significativamente i costi legati al combustibile, il progetto ECODENS propone alle piccole aziende casearie, molto diffuse nel territorio regionale siciliano, l uso alternativo di pellet di sansa vergine e residui di potature, Nella tabella seguente è riportato il vantaggio economico derivante dall uso di pellet di sansa vergine e legno legno, per la produzione casearia di una piccola azienda. In dettaglio, si considera un pellet costituito dal 70% di sansa vergine e dal 30% di residui di potatura (nel seguito brevemente pellet ECODENS), per il quale le valutazioni tecno-economiche eseguite nell ambito del progetto ECODENS, stimano un costo di circa 0.18 /kg (vedi studi e valutazioni economiche eseguite nello stesso progetto ECODENS). Tabella 4 - Confronto dei costi del combustibile utilizzato e risparmio ottenuto con pellet ECODENS Combustibile fossile Costo dei comb. fossili Costo pellet ECODENS Pellet equivalente Costo equivalente Risparmio Specifico Risparmio percentuale GASOLIO 1.25 /l 0.18 /kg 2 kg % GPL 1.02 /l 0.18 /kg 1.48 kg % METANO 0.76 /mc 0.18 /kg 1.98 kg % Dalla tabella sopra riportata si osserva che l uso del pellet ECODENS da luogo in ogni caso, cioè per qualunque combustibile utilizzato precedentemente dalla azienda casearia, ad una significativa riduzione dei costi, con risparmi economici percentuali che vanno dal 53% (metano) al 75% (GPL); in altre parole l uso del pellet ECODENS consente la 76

7 riduzione dei costi ad ¼ dei costi mediamente sostenuti nel caso, più ricorrente, di uso del GPL. 3.1 BRUCIATORI A PELLET I bruciatori a pellet utilizzati all interno delle caldaie a vapore surriscaldato attualmente disponibili per l uso del pellet anche a servizio di aziende casearie medie e grandi, possono essere di vario tipo; in genere prevedono l uso di pellet di legno di buona qualità, reperibile in commercio a costi non inferiori a /kg. Dal punto di vista costruttivo/funzionale, i moderni bruciatori in dotazione a questi sistemi, si distinguono in: 1) Bruciatori cosidetti a bassa pressione che bruciano il pellet, portato da una coclea, in un braciere di opportune dimensioni con un'apporto d aria ventilata a bassa pressione ; Nella figura seguente è schematicamente illustrato lo schema funzionale di tali bruciatori: a) b) Figura 3 Bruciatore a pellet a bassa pressione : a) vista complessiva e b) sezione funzionale Nella figura è di fatto illustrata la versione standard di tali bruciatori, generalamante adottata per sistemi di dimensioni medie e grandi, dotata di sistema di alimentazione del pellet con doppia coclea e circuito aria comburente separato con appositi dispositivi di protezione e sicurezza (dispositivi tagliafiamma ecc.) Tali bruciatori possono essere pure privi di camera di combustione se dotati di appositi sistemi di aspirazione fumi, come il sistema rappresentato nella seguente figura: Figura 4 Bruciatore a pellet a bassa pressione senza camera di combustione. 77

8 2) Bruciatori, cosidetti a fiamma forzata, che simulano la fiamma di un combustibile tradizionale (gas, gasolio ecc) ottenuta con un forte getto di aria e pellet polverizzato. Questo tipo di bruciatore è caratterizzato da rese piu elevate ma è utilizzabile solo in caldaie pressurizzate appositamente progettate per il sistema di pulitura automatica; nella seguente figura è illustrato schematicamente un esempio di bruciatore a pellet di questo tipo. a) b) Figura 5 Bruciatore a pellet a fiamma forzata : a) vista 3D e b) sezione funzionale Come sopra accennato, si tratta di sistemi relativamente complessi e costosi. Complessità e costi che ne limitano l uso in caldaie per aziende casearie medio-grandi. 3.2 SOLUZIONE INNOVATIVA ECODENS Per la alimentazione della caldaia esistente presso l azienda zootecnica partner Palazzolo Filippo, è stata considerata, quale soluzione tecno-funzionale, quella dei bruciatori a bassa pressione con aria comburente spinta da apposito ventilatore. Al fine di semplificare la struttura del bruciatore e limitare cosi i costi, l alimentazione del pellet è realizzata attraverso una semplice coclea di alimentazione orizzontale diretta verso la camera di combustione sottostante la caldaia, opportunamente sviluppata in modo da consentire la collocazione della camera di combustione nell ambiente destinato alla caseificazione, ed il resto del sistema (tramoggia, motore, ventilatore) in un ambiente limitrofo (magazzino ecc.) debitamente separato da apposita parete. In dettaglio, la coclea è dotata di un tratto finale controrotante in prossimità della camera di combustione che consente di ottenere un movimento verticale del pellet nel braciere, dal basso verso l alto. In questo modo la cenere che via via si forma, viene spinta verso l esterno e fuoriesce dal braciere spostandosi verso le zone piu esterne della camera di combustione. In questo modo sono notevolmente limitati gli inconvenienti che possono verificarsi riguardo l estrazione delle cenere dal braciere e legati alla eventuale formazione di silicati e simili che tendono, come è noto, ad attaccarsi alle griglie del braciere stesso. Tale inconveniente, in forni di grandi dimensioni, porta alla necessaria adozione di sistemi automatici meccanizzati di estrazione delle ceneri e pulizia delle griglie, facendo lievitare i costi in modo talvolta piuttosto significativo. Sempre al fine di abbattere i costi del sistema, l immissione dell'aria comburente non avviene attraverso apposito condotto separato con sistemi tagliafuoco, bensì semplicemente 78

9 attraverso lo stesso condotto della coclea, cosa resa possibile dalla presenza di sufficienti vuoti naturalmente determinati dalla morfologia del combustibile che si presenta sotto forma di pellet. In dettaglio, l aria comburente è spinta da apposito ventilatore a velocità variabile controllato da apposito quadretto. Ovviamente l eliminazione del condotto aria non consente al bruciatore di funzionare con combustibili in polvere. In altre parole il bruciatore progettato è specializzato per pellet di sansa. Al fine di consentire la regolazione della potenza termica del bruciatore, azione necessaria per conservare la caratteristica polivalente della caldaia in uso presso l azienda Palazzolo, cioè di consentire la realizzazione di diversi cicli di produzione (formaggi, ricotta ecc.), nonché di modulare eventualmente i quantitativi di latte trattato, anche in funzione delle caratteristiche del combustibile (composizione del pellet e umidità relativa), il sistema è stato dotato di apposito dispositivo elettronico di governo dei parametri di combustione e funzionamento. In particolare, la regolazione della portata del pellet è stata ottenuta regolando in modo discontinuo il tempo di riposo e di funzionamento della coclea stessa che in questo modo funziona a velocità costante; esso pertanto non abbisogna di più costosi sistemi a velocità variabile, i cui costi non potrebbero essere sostenuti da una piccola azienda casearia. I due parametri possono essere agevolmente gestiti dall operatore attraverso i comandi posti nel quadretto di alimentazione. La regolazione della portata d aria comburente, avviene invece attraverso la regolazione continua della velocità del ventilatore, regolazione che si ottiene anche essa attraverso apposito comando posto sul quadretto di alimentazione. Nella figura seguente è riportato lo schema funzionale del bruciatore a pellet ECODENS cosi configurato: Figura 6 Schema del bruciatore ECODENS adottato per pellet di sansa e residui di potatura. Tale tipo di bruciatore, grazie all alimentazione dal basso, ha altresì i seguenti peculiari vantaggi: il pellet nuovo non raffredda bruscamente il braciere, così da mantenere una costante intensità di fiamma. 79

10 le impurità del pellet ed i residui di combustione formano normalmente scorie che possono disturbare la continuità della combustione, ma l alimentazione dal basso del braciere espelle costantemente i detriti verso l esterno (in camera di combustione con allontanamento manuale con o senza cassetto). Il bruciatore, in una versione più costosa 8 richiesta del cliente), potrebbe essere dotato di un sistema automatico di espulsione delle ceneri attraverso apposita coclea pescante all interno della camera di combustione, appositamente configurata. 4. DIMENSIONAMENTO TERMO-MECCANICO DEL BRUCIATORE AD AGRI- PELLET ECODENS In pratica il principio di funzionamento sul quale si basano le caldaia polivalente, in uso presso le piccole aziende casearie, come quella presente presso l azienda zootecnica partner Palazzolo, è quello della pentola a bagno-maria (così come concepito da tempi remoti) o a intercapedine d acqua. La vasca di coagulazione fissa, in acciaio inox, è riscaldata dal fondo e dalle pareti, attraverso l acqua contenuta nell intercapedine a sua volta riscaldata direttamente dal bruciatore, in generale del tipo a gas (GPL, metano ecc.). Per questa tipologia di impianto, appositamente pensata per piccole aziende, esistono vasche da 50 a 800 litri, con possibilità di utilizzare il riscaldamento di tipo elettrico (resistenza), ovvero a gas o a gasolio. La vasca di coagulazione presa in esame presso l azienda zootecnica Palazzolo ha un volume di circa 400 litri, ed è dotata di una un intercapedine d acqua di 100 litri circa. Tutto ciò premesso, il dimensionamento del bruciatore richiede la conoscenza dei seguenti dati fondamentali di progetto: Potenza termica al focolare in kw o kcal/h; Tipo di combustibile utilizzato e relativo potere calorifico inferiore (PCI). Per trovare la potenza termica al focolare, possiamo riferirci al seguente schema a blocchi: Figura 7 Schema a blocchi del sistema bruciatore ECODENS adottato per pellet di sansa e residui di potatura. Calcoliamo innanzitutto il calore (Q) necessario a portare la massa di latte (m) contenuto nella vasca di coagulazione (boiler latte), dalla temperatura ambiente iniziale (T i ) alla temperatura finale (T f ) necessaria alla caseificazione, attraverso la semplice formula: Q = m c * ( T f T ) (1) * i 80

11 avendo indicato con c il calore specifico (a pressione costante) del latte. Considerando che la densità media del latte è pari a circa 1030 kg/m 3, e che la vasca di coagulazione ha una capacità (V) pari a 400 litri di latte, ricaviamo che tale volume ha una massa pari a: m = ρ * V = 1030 * 400 = 412 kg (2) Considerando pertanto che il calore specifico del latte è pari a 0,931 kcal/kg C, mentre quello dell acqua è 1 kcal/kg C, calcolando la media ponderata rispetto ai volumi da riscaldare di latte ed acqua, si ha un calore specifico medio ponderato (c p ) dei liquidi da riscaldare pari a: c = ( c * V + c * V ) = (0.931* * 400) = kcal / kg C (3) p pl l pa a Per la valutazione del salto termico ΔT, si può considerare che presso un caseificio dislocato nel territorio della regione Sicilia, la temperatura iniziale nelle condizioni più gravose, quelle invernali, è pari a T i = 5 C circa, per cui considerando che la massima temperatura compete al ciclo di produzione della ricotta, pari a T f = 85 C circa, si ottiene un valore massimo di ΔT pari a 80 C. La quantità di calore (Q) necessaria per scaldare il latte e l acqua dell intercapedine è data quindi da: Q = ( m + m ) * c * T = ( ) * *80 = kcal (4) l a p La potenza termica del bruciatore necessario ad assicurare un corretto ciclo termico di lavorazione si calcola tenendo conto che, al fine di evitare fastidiosi deposizioni di materiale solido nelle pareti della vasca di coagulazione, il riscaldamento deve avvenire con un gradiente mai superiore a 2 C al minuto. Con tale gradiente termico massimo, si ha che il tempo per aumentare la temperatura del latte di 80 C non dovrà essere inferiore a: o 80 C t = = 40 min (5) o 2 C / min Trascurando le perdite per convezione, irraggiamento ecc, la potenza termica oraria del bruciatore (P b ) è quindi data da: P b = * 60 = kcal / ora = kw (6) 40 Per il dimensionamento del braciere e della coclea per la ìmmissione del pellet ECODENS, occorre valutare la portata di pellet massima necessaria nelle condizioni di massima potenza del bruciatore. Tenuto conto che il pellet messo a punto ha mediamente un calore specifico inferiore di 4290 kcal/kg (vedi analisi eseguite nell ambito del progetto ECODENS), alla potenza massima di kcal si perviene alla portata massima di pellet Q p pari a : 81

12 Q p = = 15.9 kg / ora (7) 4290*0.85 Il valore di tale portata serve anche per il dimensionamento del volume minimo della tramoggia necessario a contenere il pellet. Considerando una ricarica con frequenza giornaliera e che in una giornata possono essere realizzati anche 2 cicli di produzione, si ottiene che la tramoggia dovrà avere un volume minimo tale da contenere almeno 32 kg di pellet circa. Le altre dimensioni del bruciatore sono legate alle peculiari caratteristiche funzionali richieste, gia sopra brevemente richiamate. Per esempio, il braccio-coclea dovrà avere una lunghezza non inferiore a 1330 mm, dovendo il braciere posizionarsi al centro della caldaia (raggio di circa 500 mm) e consentire alla tramoggia, motori e ventilatore di posizionarsi nel locale adiacente a quello in cui avviene la caseificazione, separato da questo attraverso una parete in muratura (spessore medio 300 mm circa). In questo modo il sistema soddisfa alle strette esigenze di carattere sanitario che non consentirebbero l alloggiamento del bruciatore a sansa direttamente nella sala di caseificazione. L altezza del braciere dovrà essere poi particolarmente contenuta al fine di evitare un troppo alto posizionamento della caldaia esistente, che renderebbe difficoltosa la gestione delle operazioni di carico e scarico del latte e soprattutto della cagliata, da parte dell operatore. Nella seguente figura è riportato uno schizzo del bruciatore cosi come è stato configurato, assieme alle sue dimensioni caratteristiche: A B C d L H 480 mm 350 mm 200 mm 270 mm 1330 mm 1020 mm Figura 8 Dimensioni caratteristiche del bruciatore ECODENS a pelle di sansa. 82

13 Nel seguito è riportata una immagine del prototipo di bruciatore cosi configurato per l azienda partner Palazzolo Filippo, ottenuto in collaborazione con una ditta siciliana che opera nel settore dei bruciatori e caldaie. Figura 9 Prototipo del bruciatore a pellet per la combustione del pellet di sansa e residui di potatura Nella tabella annessa sono riportati i principali parametri tecnici effettivi, caratteristici del bruciatore, quali range di potenza termica di funzionamento, rendimento della combustione, tensione elettrica di alimentazione, peso complessivo, dimensioni della camera di combustione e dimensioni della tramoggia di carico. Tabella 5 Parametri tecnici del prototipo del bruciatore a pellet per la combustione del pellet di sansa e residui di potatura Il bruciatore per potere essere vantaggiosamente utilizzato per il ciclo produttivo caseario realizzato con le stesse caldaie in dotazione della azienda, dovrà essere dotato di una apposita camera di combustione, che dovrà anche costituire idoneo supporto meccanico per il sostentamento della caldaia, sostituendo l attuale supporto esistente, dimensionato per il bruciatore a GPL. 83

14 4.1 DIMENSIONAMENTO DEL SUPPORTO ECODENS E PROGETTO ESECUTIVO DELLA CALDAIA Come sopra richiamato, il supporto del bruciatore ha molteplici funzioni: deve contenere il bruciatore racchiudendo la zona fumi da convogliare opportunamente verso il camino (camera di combustione) e deve altresì sopportare il peso della caldaia a pieno carico. Pertanto il supporto deve essere abbastanza grande da contenere il fornello e la coclea che trasporta il pellet dalla tramoggia al fornello; deve altresì offrire un sufficiente volume da costituire un piccolo polmone per i fumi di combustione durante i transitori di avviamento ecc. Altri vincoli progettuali sono imposti direttamente dalla particolare geometria della caldaia polivalente da servire. In dettaglio, questa si presenta come un cilindro cavo, chiuso ad una estremità, avente diametro esterno di 955 mm e altezza di 1000 mm. E composta in dettaglio da 2 pentole, la più esterna contiene la più piccola, in modo che tra le 2 si abbia realizza una intercapedine di acqua di spessore non inferiore a 50 mm. Lo spessore delle pentole, realizzate entrambe in acciaio inox, è di 2 mm, con peso complessivo di circa 100 kg; considerando che il volume d acqua nell intercapedine tra le pentole è di circa 100 litri e che la capienza della pentola interna (vasca di coagulazione) è pari a 400 litri (peso specifico di 1,03 kg/litro) si ottiene che il peso della caldaia polivalente, a pieno carico, è di circa 600 kg. Il soddisfacimento delle esigenze di progetto sopra in dettaglio elencate, ha portato al dimensionamento di un componente interamente realizzato in acciaio inox, che risponde alla molteplice funzione di: a. costituire una camera di combustione aperta dotata di apposito finestra di ispezione (con portello ermetico) attraverso la quale è pure possibile la estrazione manuale delle ceneri; b. sopportare il peso della caldaia, con idoneo coefficiente di sicurezza; c. separare fisicamente la camera di combustione dal resto del bruciatore, mediante apposito tunnel in grado di alloggiare il braccio-coclea del bruciatore; d. permettere la facile estrazione dei fumi utilizzando primariamente lo stesso sistema di convogliamanto esiste (camino); e. consentire, in presenza di eventuali criticità (transitori, combustione irregolare ecc), la estrazione supplementare di eventuali fumi in eccesso. Nella figura seguente è riportato uno schizzo quotato di tale componente. Figura 10 Disegno del supporto del bruciatore ECODENS. 84

15 Lo stesso è realizzato mediante lamiera in acciaio INOX, lavorata con sistemi automatici di taglio ed assemblata mediante saldatura TIG (sistemi che consentono produzioni anche in piccola scala a costi contenuti). In dettaglio, si tratta in pratica di un elemento cilindrico di diametro di 920 mm ed altezza di 240 mm (chiuso dal lato del fondo), da cui si dipartono un tubo a sezione quadrata destinato ad ospitare il braccio del bruciatore, ed un tubo a sezione circolare che, a bisogno, può essere utilizzato per la estrazione supplementare dei fumi in eccesso che si possono eccezionalmente formare nei transitori di fiamma (avviamento caldaia ecc.). Ove necessario, tale circuito puo essere dotato di sistema meccanizzato di estrazione con elettroventola. Il sistema è dotato di opportuna coibentazione termica, realizzata in cemento refrattario di idoneo spessore, che limita le temperature superficiali a valori ammissibili con la presenza delle persone umane, evitando cosi accidentali scottature. Per la verifica statica (capacita di resistere ai carichi applicati con idoneo margine di sicurezza), si deve in pratica verificare che la tensione massima di compressione che sollecita il mantello cilindrico della camera di combustione sia inferiore alla tensione di rottura dello stesso. Un tale approccio che trascura gli eventuali fenomeni di instabilità dell equilibrio elastico (buckling) che pure possono verificarsi in tale elemento, è giustificato dalla presenza di appositi pilastrini a sezione retta quadrata che sono stati appositamente introdotti e distribuiti lungo la circonferenza del mantello, collegandoli attraverso apposita saldatura TIG al fondo dello stesso. In queste condizioni il calcolo semplificato deve comunque tenere conto della presenza della finestra con relativo portello che, stando a dati di letteratura tecnica, realizza una concentrazione di tensione con fattore di concentrazione di circa 12,5. Tale valore è stato pure confermato da semplici simulazioni numeriche FEM appositamente eseguite. In sintesi, il coefficiente di sicurezza ( η sic ) del supporto (camera di combustione) è dato da: η sic = k t σ u = * P / A k t σ u 25 = = 19.2 * P /( s * D* π ) 12.5*600/(2*920* π ) (8) L elevato valore del coefficiente di sicurezza mostra come dal punto di vista strutturale la camera di combustione risulta largamente sovradimensionata, e tale da potere certamente trascurare nel calcolo le limitate variazioni di resistenza dovute al riscaldamento dell acciaio. Nella successiva Fig.11 è riportata la rappresentazione esecutiva della caldaia con dettaglio sia delle componenti installate in camera di caseificazione, sia di quelle installate nel locale tecnico. 85

16 Figura 11 - Schema tecnico del sistema in uso presso l'azienda zootecnica Palazzolo Filippo. Nel seguito sono riportate alcune foto che rappresentano la installazione effettivamente realizzata presso l azienda partner Palazzolo Filippo. La realizzazione del bruciatore è stata eseguita avvalendosi della collaborazione di una azienda termotecnica locale, mentre per la realizzazione del supporto ci si è avvalsi di una piccola azienda artigiana palermitana, che ordinariamente opera nel campo della produzione di componenti in acciaio inox. In dettaglio, nelle seguente Fig.12 è rappresentato il sistema alloggiato nel locale tecnico (tramoggia, motore e ventilatore) adiacente alla sala di caseificazione. Figura 12 Installazione dimostrativa del bruciatore a pellet ECODENS presso il partner Palazzolo Filippo,tramoggia di carico e sistema posto nel locale tecnico 86

17 Nella seguente Fig.13 riportata invece la immagine della camera di combustione appositamente realizzata, con braciere in fase di combustione dell Agri-pellet Ecodens. Figura 13 Installazione del bruciatore a pellet ECODENS presso il partner Palazzolo Filippo,dettaglio della camera di combustione. Nella seguente Fig.14 è riportata infine una immagine che descrive la fase conclusiva del processo di produzione della ricotta (affioramento), eseguito in occasione del campo dimostrativo tenutosi presso la stessa azienda zootecnica partner "Palazzolo Filippo". Figura 14 Installazione del bruciatore a pellet ECODENS presso il partner Palazzolo Filippo : fase di affiioramento della ricotta. 87

18 5. ANALISI ECONOMICA DEL BRUCIATORE ECODENS Nel seguito si riportano i risultati di una sintetica analisi dei costi e dei vantaggi economici legati all uso del bruciatore a sansa vergine e residui di potatura. Nella tabella seguente sono riportati i costi del bruciatore: Tabella 6 Costi del bruciatore a pellet di sansa ECODENS DESCRIZIONE COSTO [ ] Costo del bruciatore comprensivo di tramoggia, 2.500,00 motore, ventilatore e sistema di controllo Camera di combustione/supporto comprensiva di 1.000,00 isolamento, tubi di passaggio e portello Installazione elettrica 100,00 Installazione meccanica e civile 400,00 TOTALE 4.000,00 Considerando la tipica installazione del bruciatore presso una piccola azienda casearia, come quella del partner Palazzolo (un migliaio di ovini circa), che utilizza ordinariamente un bruciatore a GPL con una spesa annua di circa /anno (vedi tabella 1) e considerando che la installazione della caldaia a pellet ECODENS realizza un risparmio di circa il 75% (vedi tabella 3), quindi pari a circa 6700 /anno, si ottiene immediatamente un tempo di ritorno dell investimento inferiore ad un anno. Dal secondo anno di funzionamento in poi, pertanto, l uso del bruciatore ECODENS consente ad una piccola azienda casearia una riduzione dei costi di produzione di circa Con l combustibile, cambieranno pure le modalità di approvvigionamento che l azienda dovrà mettere in atto. Su base annua l azienda ha necessità di approvvigionarsi di una quantità (M p ) di pellet pari a: M σ u = 15.9 * 2.5* 2/3*365 = = kg anno (9) k * P / A p / t cui corrisponde un spesa complessiva di 9.672*0.18 /kg = 1.740,96 Per produrre tale quantitativo di pellet occorre un quantitativo si sansa vergine pari a circa 1.5 volte (15 tonnellate circa) avendo questa una umidità all origine non inferiore al 50-60%. Occorrono altresì circa il 30% di residui di potatura (circa 3 tonnellate). Si tratta di quantitativi che corrispondono rispettivamente ad una produzione olivicola di circa 30 tonnellate, ottenibile mediamente da 5-6 ha di oliveto, e ad una quantità di residui di potatura che possono ottenersi mediamente da ettari di colture arboree (ulivo, pesco ecc) o vigneto. 6. CONCLUSIONI In accordo con gli obiettivi del progetto ECODENS, l agripellet ECODENS ed il bruciatore realizzato sono stati vantaggiosamente utilizzati per il soddisfacimento delle esigenze energetiche di una azienda casearia sebbene il loro uso può essere facilmente e vantaggiosamente esteso a molti altri campi del settore agricolo, non meno importanti, quali per esempio: 88

19 Riscaldamento delle serre nella serricoltura invernale Riscaldamento di locali per l allevamento degli animali Riscaldamento di locali di servizio adibiti al personale Riscaldamento dell acqua per uso sanitario. In conclusione pertanto è possibile affermare che l'uso dell'agri-pellet ECODENS consente di ridurre significativamente la bolletta energetica non solo di una azienda lattiero-casearia di piccole o medie dimensioni, come è la azienda zootecnica partner del progetto, bensì in una generica azienda agricola "energivora". In dettaglio, l'uso dell'agri-pellet consente rispetto a combustibili fossili di ridurre i costi di esercizio di oltre il 60-70%, senza tener conto dei vantaggi in termini di inquinamento ambientale, praticamente ridotti a zero trattandosi di un combustibile rinnovabile. Infine, la caldaia implementata per il servizio presso piccole e medie aziende lattierocasearia consente il pratico uso dell'agri-pellet con costi di investimento molto limitati, alla portata appunto di una piccola azienda agricola. Bibliografia [1] Steel Construction Institute, Manuale di progettazione per strutture in acciaio inossidabile (Terza Edizione). [2] COMITATO TERMOTECNICO ITALIANO, Guida alla normativa tecnica di interesse per il settore del riscaldamento a biomassa, [3] ARSIA - Agenzia Regionale per lo Sviluppo e l Innovazione nel Settore Agricolo- Forestale, La filiera Legno-Energia, Risultati del progetto Interregionale Woodland Energy, ARSIA Regione Toscana, Firenze, Italy, (2009). [4] Prof. Enrico Bonari, Analisi sulle possibilità di impiego alternativo delle sanse di oliva in Toscana, CENTRO DI RICERCA INTERUNIVERSITARIO IN BIOMASSE DA ENERGIA, Università di Pisa, Pisa, Italy. [5] Annalisa Paniz, Davide Pettenella, Il mercato del pellet in Italia, da prodotto di nicchia a biocombustibile di massa?, Aiel Associazione Italiana Energia dal Legno, Legnaro (PD), Italy, (2004). [6] Morten Tony Hansen, Anna Rosentoft Jein, Manuale italiano per la produzione di pellet da legno, PELLETSATLAS (2002). [7] MALGAMATIC PER LA PRODUZIONE DI FORMAGGI E RICOTTA, MAGNABOSCO S.r.l., Zugliano (VI), Italy. [8] Gerold Thek, Ingwald Obernberger, The Pellet Handbook: The Production and Thermal Utilization of Biomass Pellets, Routledge (September 28, 2010) [9] Sjaak Van Loo, Jaap Koppejan, The Handbook of Biomass Combustion and Co-firing, Earthscan (2007). [10] Judy D. Wall, Caroline S. Harwood, Arnold L. Demain, Bioenergy, ASM Press (2008). [11] Timothy M. Maker, Wood-Chip Heating Systems, A Guide For Institutional and Commercial Biomass Installations, With funding from the U.S. Forest Service, Washington, D.C. (1994) 89