I generatori a biomassa per riscaldamento domestico: aspetti normativi, economici, ecologici, requisiti e standard di qualità

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1 C.R. ENEA di Santa Teresa, Lerici (SP), 29 maggio 2007 I generatori a biomassa per riscaldamento domestico: aspetti normativi, economici, ecologici, requisiti e standard di qualità Ing. Roberta ROBERTO, PhD ENEA Ente per le Nuove tecnologie, l Energia e l Ambiente

2 Sommario Definizione di fonte rinnovabile e biomassa Caratterizzazione della biomassa legnosa Impianti di combustione a biomassa Emissioni inquinanti Norme tecniche Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 2

3 Fonte rinnovabile e biomassa Direttiva 27 settembre 2001, 2001/77/CE, sulla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità. fonti rinnovabili (Art. 2): le fonti energetiche rinnovabili non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas) biomassa: la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani. Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 3

4 Caratterizzazione della biomassa legnosa Chimico-fisica: lignina (C 40 H 44 O 6 ), cellulosa ((C 6 H 10 O 6 ) n ), emicellulosa, estratti, ceneri Analisi immediata (proximate): umidità, materia volatile, carbonio fisso e ceneri Composizione elementare: umidità, C, H, O, ceneri, N, S, K, Na, Cl, etc. Potere calorifico [MJ/kg]: superiore (PCS), inferiore (PCI = PCS calore condensazione acqua) con riferimento: sul secco senza cenere (sssc), sul secco (ss), sul tal quale (stq) Altre unità di misura: kcal/kg, kwh/kg, Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 4

5 Caratterizzazione della biomassa legnosa Caratteristiche di alcune biomasse legnose % in peso su sostanza secca biomassa materia carbonio umidità volatile fisso ceneri PCI [MJ/kg] ss legno 20,0 62,0 17,0 1,0 18,6 paglia di frumento 16,0 59,0 21,0 4,0 17,3 paglia d orzo 30,0 46,0 18,0 6,0 16,1 biomassa % su ss volatile % ceneri PCI C H O N S su ss [MJ/kg] ss betulla 48,8 6,0 44,2 0,5 0,01 0,5 20,0 pioppo 49,8 5,9 44,4 0,6 0,04 1,9 18,3 paglia di frumento 49,6 6,2 43,6 0,6 n.a. (Danimarca) 4,7 18,6 miscanto (Italia) 49,5 6,2 43,7 0,6 n.a. 3,3 18,5 canna da zucchero 49,5 6,2 43,8 0,5 n.a. (Italia) 3,7 18,5 carbone bituminoso 73,1 5,5 8,7 1,4 1,7 9,0 27,2 * McKendry P. (2002), Energy production from biomass: Conversion technologies, Bioresource Technology Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 5

6 Caratterizzazione della biomassa legnosa Confronto tra combustibili legnosi (legna, briquettes, pellet, cippato) massa volumica [kg/m 3 ] umidità [%] PCI [kwh/kg] ceneri [% in peso] legna da ardere ,0 0,2 0,5 briquettes > 900 < 15 4,6 5,1 0,5 1 pellet ,7 5,0 0,3 1 cippato 30 3,1 0,2 0,5 Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 6

7 Impianti di combustione a biomassa Fenomenologia della combustione Essiccazione: evaporazione dell acqua H 2Oliq ( s) H 2Ovap ( g) Pirolisi e volatilizzazione: distillazione termica senza ossigeno carbonio fisso ( s) C ( s) fraz volatile ( s) C H O ( g) a b c Gassificazione: reazioni omogenee e eterogenee con ossigeno libero e agenti ossidanti Combustione: fiamma dei composti volatili in eccesso di ossigeno, con rilascio di calore 2C + O CO C 2 2CO + O2 2 2 (( 2a + 0.5b) 2) O a CO + 0. b H O ah boc Particella di combustibile Calore Q Ambiente Strato esterno H 2 O Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 7

8 Impianti di combustione a biomassa La filiera della biomassa legnosa Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 8

9 Impianti di combustione a biomassa Uso domestico ( 35 kw) caminetti termo-caminetti termo-cucine stufe boiler forni barbecue Uso Termico (>35kW) caldaie bruciatori Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 9

10 Impianti di combustione a biomassa Apparecchi a legno <35 kw Non sono impianti termici (nuova versione del decreto attuativo del 192) Non concorrono alla potenza complessiva di 35 kw per installazione in Centrale Termica Non sono soggetti a controllo ai sensi del DPR 412/93 e ai fini della sicurezza degli impianti Per gli impianti ad acqua calda possono essere anche a vaso chiuso (vedi UNI ) Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 10

11 Impianti di combustione a biomassa Combustibili: Legno naturale: ciocchi, pellets e tronchetti pressati Alimentazione continua solo con chips e pellets di legno Potenze termiche e rendimenti Globale (apparecchi domestici di riscaldamento) Resa al fluido termovettore Prova di cottura per forni, barbecue e cucine Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 11

12 Impianti di combustione a biomassa Caratteristiche tecniche e funzionali modalità di alimentazione e carica griglia e camera di combustione scambiatore sistemi di pulizia regolazioni automatiche sonda lambda Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 12

13 Impianti di combustione a biomassa Emissioni CO (imposto da norme di prodotto) NOx, Polveri, TOC (attualmente non previsti da EN) Impiantistica correlata Sistema fumario Impianto termico ad acqua (vaso aperto/chiuso) Impianto elettrico Compatibilità di installazione con altri apparecchi Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 13

14 Emissioni inquinanti FUMI CO (monossido di carbonio) particolato solido (PM10, PM2.5, PM1) NO x (ossidi di azoto) SO x (ossidi di zolfo) TOC/PAH (Total Organic Carbon, PolyAromatic Hydrocarbon) CENERI: contenuto in ossidi e metalli ACQUE REFLUE nel caso di condensazione Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 14

15 Emissioni inquinanti POLVERI CO Regno Unito 5-8,33 g/h Austria 60 mg/nm3 0,5-1,0 g/mj Germania 150 mg/nm3 0,6 %vol caldaie Norvegia g/kg Italia 200 mg/nm3 caldaie EPA 7,5 g/h EN - mg/nm3 0,3-1 %vol * dati CTI Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 15

16 Emissioni inquinanti PMtotali NOx COV g/gj mg/nm3 g/kg g/gj mg/nm3 g/gj mg/nm3 camino aperto 500,00 522,45 7,50 70,00 73, , ,43 stufa tradizionale 200,00 208,98 3,00 70,00 73, , ,39 caldaia e stufa innovativa 150,00 156,73 2,25 60,00 62,69 550,00 574,69 BAT a legna 70,00 73,14 1,05 70,00 73,14 110,00 114,94 BAT a pellet 30,00 31,35 0,45 60,00 62,69 60,00 62,69 CO SO2 IPA PCDD/F g/gj mg/nm3 g/gj mg/nm3 mg/gj mg/nm3 ng/gj ng/nm3 camino aperto 5.600, ,43 13,00 13,58 250,00 261,22 170,00 177,63 stufa tradizionale 5.600, ,43 13,00 13,58 200,00 208,98 170,00 177,63 caldaia e stufa innovativa 2.300, ,27 13,00 13,58 100,00 104,49 30,00 31,35 BAT a legna 1.100, ,39 13,00 13,58 1,00 1, BAT a pellet 620,00 647,84 13,00 13,58 1,00 1, * dati CTI Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 16

17 Emissioni inquinanti STUFE Pellet faggio 2Pellet faggio 3 LIMITI PM totale mg/nm3 97,55 85, CO mg/nm3 764,18 305, NO2 totale mg/nm3 525,69 198, SO2 mg/nm3 17,07 28, HCl mg/nm3 13,02 1,68 5 HF mg/nm3 0,00 0,97 5 THC idrocarburi incombusti mg/nm3 14,85 5,21 30 Potenza termica al focolare kw 4,30 10,70 Rendimento al focolare η 63,40 76,80 70 potere calorifero inferiore MJ/kg 17,10 17,10 Condizioni normali di riferimento O2 = 11%vol e fumi secchi LIMITI DPCM combustibili 02/03/2002 per biomasse solide combustibili * prove di laboratorio effettuate presso hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC) Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 17

18 Emissioni inquinanti POLVERI CO NOx stufa a legna (*) stufa a pellets caldaia a cippato caldaia a mais (50%) % O2 * Round Robin tests prodotti nord europei * prove di laboratorio effettuate presso hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC) Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 18

19 Hall sperimentale C.R. ENEA Saluggia(VC) Sperimentazione su scambiatori di calore Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 19

20 Hall sperimentale C.R. ENEA Saluggia(VC) Combustibili: caratterizzazione chimica; Emissioni: CO, NOx, SO2, particolato, THC, HF, HCl, CO 2, O 2 ; Rendimenti: motodo diretto e indiretto Sensorizzazione e acquisizioni: termocoppie, Pt100, trasduttori di pressione; analizzatori portatili, analizzatore FTIR, ecc Laboratorio CFD di calcolo termofluidodinamico Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 20

21 Emissioni inquinanti Particolato solido nei fumi Particolato da combustione incompleta di biomassa: diametro caratteristico < 0,1 ηm Cenere da combustione di biomassa: diametro caratteristico > 1 ηm Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 21

22 Emissioni inquinanti Particolato solido nei fumi Evaporazione e condensazione Coagulazione: Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 22

23 Emissioni inquinanti DPCM 08 marzo 2002 e D.Lgs 152/06 Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 23

24 Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia) Problematiche: metodologia di misura del particolato in campo (CENTC295 metodo europeo di misura del particolato; revisione UNI10389) abbattimento fumi diversi fattori : installazione e funzionamento, combustibile, manutenzione e gestione, e modalità di prova Apparecchi a pellets: 50 mg/nm 3, ma con combustibile non idoneo 500 mg/nm 3 contro il limite di 200 mg/nm 3 Caldaie e apparecchi certificati non garantiscono il rispetto dei limiti quando installati: dipende dal combustibile, dal tiraggio e dal funzionamento Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 24

25 Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia) E quindi necessario dare priorità di controllo e limitazioni a: combustibili (certificazione di origine, controllo qualità) generatori di calore (controllo installazione, gestione e manutenzione): installatore e manutentore generatori di calore (certificazione): costruttore sistemi di abbattimento: progettista Nuove normative nazionali e regionali >>> limiti sempre più restrittivi sul particolato solido: fino a 30 mg/nm3 Necessità di metodo di misura EN Necessità di metodo di misura in campo (rendimento ed emissioni) Informazione corretta all utente: qualità combustibile, uso corretto e manutenzione Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 25

26 Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia) Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 26

27 Norme tecniche nazionali UNI UNI Generatori di calore alimentati con combustibili solidi provenienti dalla lavorazione dei residui agricoli e/o forestali. Definizioni, prove termiche e requisiti. Campo di applicazione da 60kW a 3 MW sostitita parzialmente da norma EN UNI Forni di cottura alimentati con combustibili solidi. Classificazione, caratteristiche e prova termica UNI Generatori di calore alimentati a legna o da altri biocombustibili solidi - Requisiti di installazione UNI Generatori di calore. Misurazione in opera del rendimento di combustione. Attualmente in fase di revisione. Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 27

28 Norme tecniche nazionali UNI Rendimenti UNI caldaie a biocombustibili >55% per <60kW a carica >65% per <60kW alimentazione continua >65% per >60kW >70% per >500kW >80% per >1000kW Installazione UNI Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 28

29 Norme tecniche europee TC Caldaie per riscaldamento centralizzato TC 166 Camini TC 281 Apparecchi, combustibili solidi e accenditori per barbecues TC Apparecchi di riscaldamento domestici a combustibile solido TC Biocombustibili solidi Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 29

30 Norme tecniche europee (TC295) EN Caldaie domestiche indipendenti a combustibile solido - Potenza termica nominale non superiore ai 50 kw - Requisiti e metodi di prova EN Termocucine a combustibile solido - Requisiti e metodi di prova EN Inserti e caminetti aperti alimentati a combustibile solido Requisiti e metodi di prova EN Stufe a combustibile solido Requisiti e metodi di prova EN Apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati con pellet di legno - Requisiti e metodi di prova EN A1 Inserti, (Kachelofen( Kachelofen) Requisiti e metodi di prova EN A1 Stufe di grande massa (alta inerzia termica) Requisiti e metodi di prova Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 30

31 Norme tecniche europee (TC057) Caldaie alimentate con combustibile solido Bruciatori a pellets EN Caldaie per riscaldamento - Caldaie per combustibili solidi, con alimentazione manuale e automatica, con una potenza termica nominale fino a 300 kw - Parte 5: Terminologia, requisiti, prove e marcatura Classe 1: η = *log(Q n [kw]) Classe 2: η = *log(Q n [kw]) Classe 3: η = *log(Q n [kw]) η = 100 perdite (ai fumi, incombusti, alle pareti, alle ceneri) Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 31

32 Grazie per l attenzione

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