COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE A FINI ENERGETICI: ESPERIENZE DEL CENTRO RICERCHE ENEA DI SALUGGIA

Transcript

1 ECODENS - ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE MISURA PSR SICILIA CONVEGNO FINALE, 3 GENNAIO 214, UNIVERSITÀ DEGLI STUDI DI PALERMO COMBUSTIONE DELLE BIOMASSE A FINI ENERGETICI: ESPERIENZE DEL CENTRO RICERCHE ENEA DI SALUGGIA Giovanni Stoppiello Centro Ricerche ENEA di Saluggia Unità Tecnica Tecnologie Saluggia (UTTS) Strada per Crescentino, 134 Saluggia (VC) giovanni.stoppiello@enea.it Parole chiave: biomasse, combustione, emissioni inquinanti 1. INTRODUZIONE Al lento e progressivo esaurimento delle fonti fossili di energia fa riscontro una sempre maggiore domanda di fonti rinnovabili e alternative, tra cui la biomassa, che attualmente ricopre il 13% del fabbisogno energetico mondiale ed il cui approvvigionamento a fini energetici risulta in costante aumento (Khan et al., 29). In molti Paesi europei i progressi raggiunti nello sviluppo di tecnologie per il reperimento e la trasformazione delle varie forme di biomassa hanno permesso a questo particolare tipo di combustibile di rappresentare una valida alternativa alle fonti tradizionali anche in applicazioni di cogenerazione e/o riscaldamento domestico di piccola scala, in termini soprattutto di facilità di utilizzo, efficienza energetica e riduzione delle emissioni di gas serra (Verma et al., 29). Tuttavia, vari studi hanno dimostrato che la combustione di biomassa, soprattutto negli impianti di riscaldamento di piccola taglia, è un importante fonte di emissioni di particolato fine (PM < 1 µm) e di vari inquinanti gassosi, quali gli idrocarburi policiclici aromatici (IPA), i composti organici aromatici (COV), il monossido di carbonio (CO), gli ossidi di azoto (NO x ) (Tissari et al., 28; Kubica et al., 27; Loo et al., 21). In aggiunta, a onda della composizione delle ceneri dei combustibili di partenza, si ritrovano nei fumi di combustione aerosols di natura inorganica, formati soprattutto da composti a base di metalli alcalini e/o cloro (Obernberger et al., 26). Oltre agli effetti sulla salute umana (Barregard et al., 26; Lighty et al., 2) e all impatto sull ambiente (Loo et Koppejan, 21), tutte queste sostanze producono un decadimento dell affidabilità e dell efficienza dei sistemi di riscaldamento, attraverso soprattutto la loro condensazione e deposizione sulle superfici di scambio termico, causandone il ricoprimento e in alcuni casi la corrosione (Tissari et al, 28). Il Centro Ricerche ENEA di Saluggia da anni svolge studi e sperimentazioni finalizzati all innovazione tecnologica dei sistemi di combustione a biomassa, focalizzando maggiormente l attenzione sugli apparecchi per il riscaldamento domestico e gli impianti di piccola/media taglia. Mediante l utilizzo di laboratori attrezzati (Hall Tecnologica THEXAS, Thermal Experimentation Area of Saluggia), conduce verifiche sperimentali per il miglioramento del rendimento energetico e per la riduzione e l abbattimento delle 9

2 maggiori emissioni inquinanti (soprattutto particolato), analizzando i processi che avvengono in camera di combustione e/o sviluppando componenti tecnologici innovativi per l abbattimento delle sostanze inquinanti lungo la linea fumi. In linea con gli obiettivi dell Ente, produce un valido supporto tecnico per le Pubbliche Amministrazioni in termini di normazione in materia di qualità dell aria, e si propone come centro di riferimento per l innovazione tecnologica degli apparecchi di combustione a biomassa di piccola taglia. 2. QUADRO DI RIFERIMENTO NORMATIVO / LEGISLATIVO A livello nazionale, per gli impianti termici alimentati a biomassa solida, sono prescritti limiti di emissione per potenze degli impianti superiori ai 35 kw (D.lgs 152/26). Lo stesso decreto, per potenze inferiori ai 35 kw, prevede l emanazione di un Decreto attuativo che definisca i parametri per la classificazione dei generatori di calore in base al rendimento ed alle emissioni di CO, NO x e particolato. A livello territoriale, alcune Regioni italiane prescrivono limiti più bassi rispetto a quelli imposti dalla legislazione nazionale anche per potenze < 35 kw, e altre deliberano misure di limitazione dell utilizzo dei piccoli apparecchi a biomassa solida (vd. Regione Piemonte, Lombardia e Marche). Il Decreto Ministeriale 28/12/212, noto come Conto Termico, nel rispetto di determinate condizioni, ammette agli incentivi previsti le caldaie a biomassa, i termocamini a pellet e a legna, le stufe a legna, definendo valori minimi di rendimento e coefficienti premianti riferiti alle emissioni di particolato e CO. Sempre a livello nazionale, è stata recentemente aggiornata la legislazione sui cosiddetti Certificati Bianchi (o Titoli di Efficienza Energetica, TEE), con l uscita del relativo Decreto Interministeriale DM 28/12/212, che include tra gli interventi ammissibili l installazione di termo-camini, termo-stufe e caldaie di potenza inferiore a 35 kw che rispettino specifici requisiti sul rendimento e sulle emissioni di particolato e CO. Anche in ambito europeo il quadro legislativo sulle emissioni da generatori di calore a biomassa non è completo. Mentre alcune nazioni non hanno legiferato in materia, altre impongono limiti su rendimenti ed emissioni di particolato e CO. Tra i limiti più restrittivi per generatori di potenza < 35 kw, si segnalano quelli imposti su CO e particolato dall ordinanza tedesca 1.BlmShv che sarà in vigore dal 215. Dal punto di vista della normazione di prodotto (il cui rispetto consente l ottenimento del marchio CE), ogni tipologia di generatore di calore, catalogato per taglia, per combustibile di alimentazione e in alcuni casi anche per particolarità strutturali, ha una sua propria normativa di riferimento che ne indica anche i requisiti di rendimento ed emissioni di CO. Per le caldaie a biomassa di potenza < 5 kw è stata pubblicata la norma non armonizzata UNI EN 33-5 che stabilisce una suddivisione in classi in base al rendimento e alle emissioni di CO, particolato e OGC (organic gaseous compounds). 3. ATTIVITÀ DEL CENTRO RICERCHE ENEA DI SALUGGIA In base al ruolo istituzionale ricoperto all interno della struttura organizzativa dell ENEA, l Unità Tecnica Tecnologie Saluggia (UTTS), operante nel Centro Ricerche ENEA di Saluggia (VC), effettua studi e ricerche sull uso e la caratterizzazione energetica delle biomasse, e sulla sperimentazione di bio-combustibili. 1

3 Tale obiettivo viene maggiormente perseguito nell ambito di tre principali filoni di ricerca: Studi e ricerche sugli impianti di riscaldamento domestico di piccola taglia finalizzati all analisi delle emissioni inquinanti e alla verifica del rendimento; Sviluppo di componenti tecnologici innovativi per la riduzione delle emissioni inquinanti prodotte dalla combustione della biomassa solida in impianti di piccola/media taglia; Sviluppo e verifica sperimentale di componenti tecnologici innovativi per la produzione di energia da biomassa e il recupero energetico; Per quanto riguarda l analisi degli apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati a biomassa, prevalentemente a carica manuale, l UTTS conduce studi e sperimentazioni per la verifica del rendimento energetico e delle emissioni inquinanti, con particolare riferimento al particolato. Per quest ultimo vengono infatti effettuati campionamenti sui fumi di combustione seguendo i metodi oggi maggiormente considerati in sede europea, quali il metodo a caldo, con tunnel di diluizione (fig.1), e con determinazione della frazione granulometrica delle particelle. Tali analisi permettono la stima della natura e della tipologia di particolato tipicamente presente nei fumi di combustione di biomassa solida, e contribuiscono all interpretazione dei meccanismi di formazione degli inquinanti all interno della camera di combustione. Di conseguenza, esse favoriscono l individuazione di interventi migliorativi sugli apparecchi (ad esempio l utilizzo di filtri catalitici a valle della camera di combustione, vedi fig. 2), atti alla riduzione delle stesse emissioni inquinanti e all incremento dell efficienza energetica. L UTTS è inoltre coinvolta in attività di sviluppo, progettazione e realizzazione di componenti tecnologici innovativi da integrare in sistemi di riscaldamento e/o cogenerazione a biomassa di piccola/media taglia (principalmente caldaie a pellet e cippato), per la riduzione delle emissioni di particolato, CO e IPA. Nell ambito dell Accordo di Programma tra ENEA e Ministero dello Sviluppo Economico (MSE), l UTTS segue infatti lo sviluppo di nuovi sistemi di filtrazione per i fumi di combustione di caldaie a biomassa, basati sulla tecnologia wall flow accoppiata a sistemi di rimozione catalitica degli inquinanti. Mediante tali sistemi, le particelle di particolato solido presenti nei fumi di combustione subiscono un processo di filtrazione di massa (depth filtration) attraverso la superficie di filtri di materiale ceramico poroso (vedi fig. 3). 11 Fig.1 Tunnel di diluizione in dotazione a UTTS presso il CR ENEA Saluggia Fig.2 Filtro catalitico per stufa a legna

4 Fig.3 Meccanismo di depth filtration per il particolato solido Fig.4 filtri ceramici tipo wall flow testati presso il CR ENEA Saluggia In presenza di materiali ad azione catalitica all interno della stessa matrice porosa dei filtri (in questo caso a base di CuFe 2 O 4 ), e raggiunte adeguate temperature di esercizio (circa 4 C), le particelle solide depositatesi sulla superficie e nei pori del filtro vengono termodistrutte, e contemporaneamente si assiste a fenomeni di ossidazione e decomposizione di alcuni inquinanti gassosi, quali CO ed IPA. Fig.5 Linea sperimentale al CR ENEA di Saluggia per lo sviluppo di filtri catalitici tipo wall flow Nei laboratori del CR ENEA di Saluggia (Hall Tecnologica THEXAS, Thermal Experimentation Area of Saluggia) sono inoltre effettuate prove per la verifica funzionale di componenti e dispositivi tecnologici finalizzati al recupero energetico da cascami termici o da fonti ondarie di energia. 12

5 4. ALCUNI RISULTATI CONSEGUITI PRESSO IL CR ENEA DI SALUGGIA Prove su stufa a legna di lunga durata (maggiore di 4 ore) e a diversi cicli di carica (4) hanno dimostrato che taluni apparecchi, costruiti in maniera da evitare infiltrazioni di aria in camera di combustione, con la stessa camera di combustione dimensionata appropriatamente e rivestita di materiale refrattario, e con un efficiente sistema di alimentazione dell aria, garantiscono la costanza delle condizioni di esercizio e un ottima ripetibilità dei cicli di combustione (vedi fig. 6, 7 e 8). C T focolare temperature T fumi Fig.6 temperature al focolare e nei fumi di scarico di una stufa a legna, durante una prova a quattro cicli di carica. % rendimento termico Fig.7 rendimento termico di una stufa a legna, durante una prova a quattro cicli di carica. mg/nm 3 al 13% O CO mg/nm filtro non attivo filtro attivo CO Fig.8 emissioni di CO di una stufa a legna, durante una prova a quattro cicli di carica minuti Fig.9 emissioni di CO di una stufa a legna, corredata o meno di filtro catalitico. Tale condizione risulta essere prerogativa anche di elevati valori del rendimento termico (fig. 7) e di bassi valori di emissione di CO (fig. 8). L utilizzo di un filtro catalitico a valle dello scarico dei fumi della stessa stufa a legna produce un ulteriore abbassamento delle emissioni di CO (circa 6% in media), con un azione che può ritenersi costante per almeno 15 minuti (fig.9). Per quanto riguarda le analisi condotte su caldaie a biomassa (alimentate con pellet di legno certificato UNI EN ), è stato riscontrato che la quasi totalità del particolato (circa il 94%) presente nei fumi di combustione ha dimensione inferiore al micron (fig. 1). Tale risultato rende maggiormente presumibili fenomeni di formazione di particolato ondario e di ceneri volatili, rispetto all ipotesi di combustione incompleta del combustibile. 13

6 Fig.1 campionamenti di particolato solido per caldaia a biomassa alimentata con pellet di legno Riguardo allo sviluppo di filtri catalitici tipo wall flow per l abbattimento del particolato e degli inquinanti gassosi organici dai fumi di combustione, prove preliminari su prototipi da laboratorio hanno evidenziato che: Utilizzando un filtro con percentuale in massa del catalizzatore pari al 15%, si è riscontrato un netto calo della concentrazione di CO nei fumi durante le prove, corrispondente ad un efficienza di abbattimento di circa il 95% (fig. 11). Nelle prove condotte con filtro catalizzato (T > 4 C) si evincono andamenti delle perdite di carico pressoché costanti, le quali fanno supporre il verificarsi di processi di termodistruzione delle particelle carboniose simultanei alla loro deposizione sui filtri (fig. 12). Prove eseguite sui filtri con 25% in massa di catalizzatore mostrano un efficienza di abbattimento del particolato (PM < 1) superiore a 9% (rispettivamente 92% e 96% per due prove effettuate), con tempi di campionamento di circa 2 ore. mg/nm 3 al 1% O filtro bianco filtro cat. 15% CO mm H 2O filtro "bianco" filtro cat. 15% ( p filtri Fig.11 emissioni di CO a valle di filtro tipo wall flow, non catalizzato e catalizzato al 15% in peso (T > 4 C). Fig.12 perdite di carico per filtro tipo wall flow, non catalizzato e catalizzato al 15% in peso (T > 4 C). 14

7 6. CONCLUSIONI L Unità Tecnica Tecnologie Saluggia (UTTS), operante presso il Centro Ricerche ENEA di Saluggia (VC), svolge studi e sperimentazioni sugli apparecchi termici e gli impianti di piccola/media taglia alimentati a biomassa solida, finalizzati all innovazione tecnologica in termini di incremento del rendimento energetico e abbattimento delle emissioni inquinanti. In particolare il laboratorio è attrezzato per l euzione di campionamenti ondo metodi che consentono la stima della natura e della composizione del particolato presente nei fumi di combustione, favorendo di conseguenza l analisi dei processi che avvengono in camera di combustione e i meccanismi di formazione di tali inquinanti. L UTTS svolge inoltre attività di sviluppo di componenti tecnologici innovativi per il recupero energetico e/o l abbattimento delle emissioni inquinanti. In tale ambito, riveste particolare importanza la collaborazione con il Ministero dello Sviluppo Economico (MSE) per la realizzazione di sistemi filtranti tipo wall flow ad azione catalitica, capaci di abbattere simultaneamente le concentrazioni di particolato e di CO. A tal riguardo, prove preliminari effettuate con prototipi in materiale ceramico attivati con catalizzatore a base di CuFe2O4 hanno evidenziato un ottima efficienza di abbattimento, sia per il particolato (> 9%) che per il monossido di carbonio (circa 95%). Bibliografia [1] D.Lgs 152/26, Norme in materia ambientale, GU n.88 - Suppl. Ordinario n. 96, (14/4/26). [2] DM 28/12/212, Incentivazione della produzione di energia termica da fonti rinnovabili ed interventi di efficienza energetica di piccole dimensioni, GU n.1 - Suppl. Ordinario n. 1, (2/1/213). [3] Lighty J. S., Veranth J. M., Sarifim A. F., Combustion Aerosols: Factors governing their size and composition and implication of human health, Air and Waste Manage Association 5, , (2). [4] Khan A.A., Jong W.D., Jansens P.J., Spliethoff H., Biomass combustion in fluidized bed boilers: Potentials, problems and remedies, Fuel Processing Technology 9, 21-5 (29). [5] Kubica K., Paradiz B., Dilara P., Small Combustion installation: techniques, emissions and measure for emissions reduction, JRC Scientific and Technical Reports, ISBN , (27). [6] Loo S. V., Koppejan J., The handbook of biomass combustion and co-firing, London, Earthscan, (21). [7] Obernberger I., Brunner T., Barnthaler G., Chemical properties of solid biofuels - significance and impact, Biomass and Bioenergy 3, (26). [8] UNI EN 33-5, Caldaie per combustibili solidi, con alimentazione manuale e automatica, con una potenza termica nominale fino a 3 kw, (24). [9] Verma V.K., Bram S., De Ruycj J., Small scale biomass heating systems: Standards, quality labelling and market driving factors an EU outlook, Department of Mechanical Engineering, Faculty Applied Sciences, Biomass and Bioenergy 33, , (29). 15