IL POTERE CALORIFICO DEL LEGNO di Bernardo Hellrigl

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1 Torna all indice Foto: A. Raise IL POTERE CALORIFICO DEL LEGNO di Bernardo Hellrigl Relatore Stefano Grigolato Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali Università degli Studi di Padova Progetto Fuoco Le biomasse agricole e forestali nel panorama energetico nazionale Verona marzo 2004

2 Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO I Il LEGNO da ENERGIA è un materiale RINNOVABILE NEUTRALE ECONOMICO - VERSATILE - LOCALE Foto: S. De Battista per utilizzare il LEGNO come fonte di ENERGIA bisogna conoscere come si esprime il valore energetico e quali sono le caratteristiche che lo valorizzano

3 Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO II il suo valore energetico influenza non solo la resa energetica, ma può presentare ripercussioni a livello di trasporto e di logistica di approvvigionamento Foto: A. Raise questo perché a parità di specie legnosa, di peso o di volume del materiale trasportato, il valore energetico, che effettivamente arriva al deposito o alla caldaia può variare notevolmente in funzione del contenuto idrico presente Il rischio è quello di trasportare più acqua che LEGNO

4 Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO III il valore energetico del LEGNO si esprime come potere calorifico il patrimonio termico nella misura del calore che può venire sviluppato nella combustione completa di una sua unità di peso o di volume Si distingue in: POTERE CALORIFICO SUPERIORE p.c.s nel prodotto della combustione considera come prodotto del calore anche quello che deriva dalla condensazione del vapore acqueo POTERE CALORIFICO INFERIORE p.c.i. non considera il calore liberato che potrebbe derivare dalla condensazione del vapore acqueo NB: nella combustione l evaporazione di 1 kg di acqua consuma 2,44 MJ

5 Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO IV Il potere calorifico si misura in: J o Wh o cal ma fondamentale è l unità a cui si rapporta al PESO al VOLUME alla DENSITA STERICA kg m 3 J/kg Wh/kg cal/kg J/m 3 Wh/m 3 kcal/m 3 mst J/mst Wh/mst cal/mst es: LEGNA DA ARDERE LEGNAME TONDO CIPPATO Foto: S. De Battista

6 Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO V Il potere calorifico del LEGNO dipende: COMPOSIZIONE CHIMICA a seconda della specie, il LEGNO presenta diverse percentuali di composti come LIGNINA, CELLULOSA, RESINE, OLI che a loro volta si caratterizzano per diversi poteri calorifici TENORE IDRICO il PARADOSSO per parlare di FUOCO si inizia con il parlare dell ACQUA

7 Il TENORE IDRICO del LEGNO I IGROSCOPICO Contiene sempre un certa quantità di acqua sottoforma di vapore legata al reticolo micellare ACQUA DI IGROSCOPICA Il LEGNO e l ACQUA POROSO Volume delle cavità è sempre maggiore del volume delle pareti In questo caso il peso del contenuto idrico sarà maggiore del 30% del peso secco del LEGNO Il LEGNO assorbe acqua fino a raggiungere la SATURAZIONE DELLE FIBRE Il peso del contenuto idrico è pari al 30% del peso secco del LEGNO Se il LEGNO è immerso o è a contatto con l acqua, questa sostituisce gradualmente l aria fino a raggiungere la condizione di IMBIBIZIONE TOTALE dove l acqua sostituisce completamente l aria

8 Il TENORE IDRICO del LEGNO II la quantità max di acqua contenibile nel legno è quasi sempre, discretamente o notevolmente, superiore a quella dello stato fresco Porosità Peso Specifico ( p 0 ) Vediamo alcuni esempi: p 0 w max (g/cm 3 ) (%) Legno pesante Legno leggero pochi vuoti molti vuoti Legno di cerro Legno di pioppo 0,85 0,

9 Il TENORE IDRICO del LEGNO III Per indicare il contenuto di acqua (espresso in termini percentuali) esistono due criteri: peso umido peso anidro u = 100 peso anidro umidità peso umido peso anidro w = 100 peso umido tenore idrico peso umido peso anidro acqua

10 Il potere calorifico PONDERALE I Che cos è? È il p.c. riferito all UNITA di PESO il p.c. ponderale delle diverse a parità di contenuto idrico, varia relativamente POCO Le differenze di valore dipendono dalla % di presenza dei composti: Composto Lignina Cellulosa Resine Lipidi Cere Gomme Potere Calorifico (MJ/kg) vario vario vario latifoglie conifere Salice bianco Ontano bianco Carpino bianco Pioppo nero Cerro Acero Ontano nero Quercia Frassino Betulla Faggio Olmo Tiglio Castagno Robinia Larice Douglasia Abete bianco Abete rosso Pino silvestre Pino strobo Specie Legnose > 3 MJ/kg MJ/kg *LEGNO allo stato anidro

11 Il potere calorifico PONDERALE II Due considerazioni variazione modesta del potere calorifico per le specie usate come combustibile in Italia uso di miscele di specie diverse per determinare il p.c. ad una dato contenuto idrico (W) in dendroenergetica si può fare riferimento ad un valore medio di p.c. ponderale tra il 18.5 MJ/kg e il 18.9 MJ/kg

12 Il potere calorifico PONDERALE III Applicazione alla formula di HARTMANN (calcolo approssimativo del potere calorifico) pci = [ 18,5 ( w) ( 2,44 w) ] 100 Hartmann et al. (2000) pci = potere calorifico inferiore in MJ, di un generico legno con certo tenore idrico 18,5 (MJ/kg) = potere calorifico inferiore medio ammesso per il legno anidro 2,44 (MJ/kg) = calore di evaporazione dell acqua

13 Il potere calorifico PONDERALE IV Variazione del potere calorifico inferiore del LEGNO (MJ/kg) in funzione del tenore idrico (w) e dell umidità (u) calcolato con la formula di Hartmann et al. (2000) MJ/kg u = p.c. f(u) w = p.c. f(w) potere calorifico diminuisce w u 15% 35% 55% 75% 95% 115% 135% contenuto acqua aumenta Il potere calorifico diminuisce perché parte dell energia si consuma con l evaporazione dell acqua, ma anche perché all aumentare della contenuto d acqua, per uno stesso kg di legno abbiamo una maggiore % di acqua rispetto alla sostanza legnosa, determinando l effettiva diminuzione del potere calorifico per quel kg, in quanto la sostanza legnosa destinata alla combustione è minore

14 Il potere calorifico VOLUMETRICO I Il potere calorifico volumetrico, è dato dal prodotto tra il potere calorifico ponderale (p.c.i.) e la massa volumica p pci (v) = pci p w w u in MJ/m 3 dove: w = contenuto idrico percentuale del legno p u = massa volumica NB: la massa volumica di un legno è data dal rapporto fra il peso ed il volume entrambi determinati per lo stesso stato idrico

15 Il potere calorifico VOLUMETRICO II Perché il parametro potere calorifico volumetrico del LEGNO massiccio trova scarso impiego?!? il m 3 di legno massiccio è raramente impiegato nel commercio del LEGNO per ENERGIA la sua determinazione per i diversi assortimenti del legno da energia è laboriosa, di difficile o praticamente di impossibile esecuzione la complessità dell argomento deriva dal fatto che al variare dell umidità, alla variazione del peso si aggiunge la variazione del volume NB: uno dei casi in cui il parametro di riferimento commerciale è il metro cubo massiccio (Festmeter) è quello del tondo di scarto o di piccole dimensioni che viene acquisito per essere spaccato o cippato.

16 Il potere calorifico VOLUMETRICO III AUMENTO ACQUA IGROSCOPICA (0-30%) maggiore variazione del volume rispetto al peso L aumento di peso è inferiore all aumento di volume e perciò il peso specifico della sostanza legnosa diminuisce al crescere del tenore idrico nell intervallo compreso tra 0% - 30% AUMENTO ACQUA DI IMBIBIZIONE ( > 30%) nessuna variazione del volume rispetto al peso L aumento di peso è superiore all aumento di volume

17 Il potere calorifico STERICO I Gli assortimenti di LEGNO per Energia vengono spesso commerciati a metro stero (mst) potere calorifico volumetrico in MJ/m3 potere calorifico sterico in MJ/mst Come si calcola??? moltiplicando il potere calorifico volumetrico (MJ/m 3 ) per l appropriato coefficiente sterico (m 3 /mst) 1m 3 1mst 1mst 1mst 1mst 1mst Coefficiente sterico tronchi ciocchi 1 m legna da legna da cippato cippato stufa stufa accatastati impilati alla rinfusa <30 mm mm 1 m 3 tondo massiccio 1 1,40 1,20 2,00 2,50 3,00 1 mst di ciocchi da 1 m accatastati 0,70 1 0,85 1,40 1,80 2,15 1 mst di legna da stufa impilata 0,85 1,20 1 1,67 2,00 2,50 1 mst di legna da stufa alla rinfusa (*) 0,50 0,70 0,60 1 1,25 1,50 1 mst di cippato < 30 mm 0,40 0,55 0,50 0,80 1 1,20 1 mst di cippato mm 0,33 0,47 0,40 0,67 0,85 1 da Itabia

18 Il potere calorifico STERICO II Qualcosa di incerto?!? effettivamente nei quattro elementi coinvolti (tenore idrico, peso specifico, variazione volumetrica e coefficiente sterico) nell operazione solo il TENORE IDRICO viene determinato per campionamento Alcuni impianti di una certa dimensione valutano: densità sterica (peso, in kg, di 1 mst) determinata sulla fornitura (carico di autotreno) o su ampi campioni (materiale stoccato) contenuto idrico determinato su un ben assortito campione minore con essiccamento in stufa o con dendroigrometro per cippato, segatura o trucioli potere calorifico sterico In MJ/mst

19 Il potere calorifico STERICO III Nella filiera LEGNO-energia la conoscenza del potere calorifico sterico, non ci interessa solo come unità di misura commerciale dell ENERGIA, ma anche per motivi legati alla logistica e all approvvigionamento Consideriamo il trasporto di cippato in un camion con rimorchio con portata utile di 32 t e volume massimo di carico di 85 m 3 e come esempio prendiamo due specie legnose a due diverse umidità (pioppo e faggio) Pioppo Pioppo Faggio Faggio u=30% u=120% u=30% u=70% Peso del carico di 85 metro steri t 11,9 20,2 22,8 29,8 Sfruttamento della portata ponderale % 37,2 63,1 71,2 93,1 Energia contenuta nel carico GJ Consumo assoluto di energia per 100 km A MJ Consumo relativo di energia per 100 Km A % 0,63 0,80 0,36 0,41 Consumo assoluto di energia per 100 km A+R MJ Consumo relativo di energia per 100 km A+R % 1,16 1,40 0,61 0,68

20 CONCLUSIONI E evidente che per parlare bene di LEGNO come fonte di ENERGIA, si deve partire dalla sua ANIMA CALDA. L espressione termica del LEGNO è condizionata dalla composizione chimica, ma soprattutto dal tenore idrico Il tenore idrico influenza non solo l espressione termica del LEGNO, ma anche le problematiche connesse alla logistica e al trasporto

21 Progetto Fuoco Le biomasse agricole e forestali nel panorama energetico nazionale Verona marzo 2004 CONTATTI: Prof. Bernardo Hellrigl e.mail: Dott. Stefano Grigolato e.mail: stefano. GRAZIE PER L ATTENZIONE Dipartimento Territorio e Sistemi Agrigo-Forestali Università degli Studi di Padova

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