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

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1 P.S.R. Sicilia Misura 124 Cooperazione per lo sviluppo di nuovi prodotti, processi e tecnologie nei settori agricolo alimentare, e in quello ambientale PROGETTO: ECODENS ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE CALDAIA AD AGRI-PELLET PER PICCOLE E MEDIE AZIENDE LATTIERO CASEARIE 1

2 ECODENS - ECOSTABILIZZAZIONE DELLE SANSE MEDIANTE DENSIFICAZIONE MISURA PSR SICILIA CALDAIA AD AGRI-PELLET PER PICCOLE E MEDIE AZIENDE LATTIERO-CASEARIE 1.SOMMARIO Il presente documento riporta una sintesi delle attività svolte e dei risultati ottenuti nell ambito del progetto ECODENS ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione, finanziato con fondi dalla Misura 124 del PSR Sicilia Esso descrive in dettaglio le caratteristiche della caldaia innovativa ad agri-pellet per piccole e medie aziende lattiero casearie, sviluppata nell ambito del citato progetto. 2. INTRODUZIONE Il progetto ECODENS ecostabilizzazione delle sanse mediante densificazione, ha quale concreto obiettivo la dimostrazione della fattibilità tecnica e della sostenibilità economica di un processo per la co-densificazione di sanse vergini miste a residui di potature da colture arboree (uliveti, vigneti, frutteto), che consenta lo sfruttamento energetico di tali biomasse da parte di aziende agricole energivore (lattiero-casearie), in un ottica di filiera corta. A tal fine è stata (a) selezionata ed ottimizzata una procedura per la raccolta meccanizzata dei residui di potature, (b) progettato ed ottimizzato un apposito impianto di codensificazione di miscele di sanse e vergini e residui di potature che consente la produzione di un agri-pellet di buona qualità, (c) progettata ed ottimizzata una innovativa caldaia ad agri-pellet per aziende casearie, (d) verificato l uso delle ceneri di agri-pellet in agricoltura quali fertilizzanti ed ammendanti dei terreni agricoli. In accordo con l orientamento delle politiche comunitarie e nazionali in ambito di sviluppo delle fonti energetiche rinnovabili (FER), il progetto pertanto consente di dare un significativo contributo allo sfruttamento energetico delle biomasse provenienti direttamente dal mondo agricolo, consentendo altresì di trasformare il crescente problema legato allo smaltimento di sanse e residui di potature in una opportunità di reddito per le aziende agricole. In dettaglio, in parallelo con l attività relativa allo sviluppo dell impianto di codensificazione, è stata portata avanti, in stretta collaborazione con i tecnici della azienda 2

3 lattiero casearia partner, una attività finalizzata alla messa a punto di una caldaia che possa vantaggiosamente funzionare con agri-pellet, attraverso lo sviluppo di un progetto avente come obiettivo primario quello di ottenere un sistema che risulti compatibile con le esigenze specifiche di una azienda casearia medio-piccola; in particolare il progetto è stato sviluppato con il duplice obiettivo di: a) mettere in campo la massima semplificazione dell impianto al fine di ridurre al minimo i costi di investimento; b) individuare, allo stesso tempo, le caratteristiche del sistema che ne consentano una facile integrazione con il processo di caseificazione in uso, migliorando allo stesso tempo le condizioni di igiene del lavoro dell operatore addetto alla caseificazione. Dovendo operare in un ottica di filiera corta, appare fin dall inizio importante individuare le caratteristiche di un impianto che risulti tecnicamente fattibile ed economicamente conveniente, tenuto conto delle specifiche esigenze aziendali con particolare attenzione ai fattori che possono incidere negativamente sulla redditività dell impianto e sulla qualità della produzione casearia. La progettazione, realizzazione ed installazione della caldaia, sono stati seguiti da una lunga attività di ottimizzazione dei singoli componenti e dei parametri di esercizio, fino al collaudo finale eseguito anche attraverso una attenta verifica delle performance del sistema installato con riferimento alle diverse possibili condizioni di esercizio. Infine, è stata svolta altresì una attività volta verificare la possibilità di utilizzazione delle ceneri ottenute dalla combustione dell agri-pellet, quale fertilizzante ed ammendante dei terreni agricoli. 3. IL PROCESSO DI PRODUZIONE CASEARIA 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 tali aziende solitamente il processo di caseificazione avviene con un solo ciclo di lavorazione giornaliera, sebbene nelle stagioni di maggiore produzione, si può ricorrere a due o tre cicli di produzione, utilizzando opportunamente un sistema di refrigerazione che consente la conservazione della materia prima. Nella Figura 1 è riportato il diagramma di flusso del processo di lavorazione del latte, attuato da una azienda casearia medio-piccola quale è l azienda Palazzolo Filippo, partner del progetto ECODENS. In sintesi il processo di produzione casearia 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

4 3) raffreddamento del latte sino alla temperatura di coagulazione e immissione dei fermenti e del caglio; 4) riposo per il tempo necessario alla coagulazione; 5) taglio della cagliata; 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) ; 11) riposo della ricotta, ed estrazione con sistemazione del prodotto nelle apposite fuscelle. Figura 1 - Schema del tipico processo di produzione casearia. 2. CALDAIE PER LA CASEIFICAZIONE E COMBUSTIBILI USATI Negli anni passati, la principale attrezzatura utilizzata per la produzione artigianale dei prodotti caseari è stata la cosiddetta caldaia a fuoco diretto, di capacità compresa tra i 30 ed i 120 litri. Limite di questo tradizionale approccio è sempre stato il rendimento (camera di combustione aperta) e il rispetto delle norme igieniche sanitarie, potendo facilmente il prodotto essere inquinato da elementi estranei, quali frammenti di combustibile, ceneri ecc. Per questi motivi, da alcuni decenni sono state immesse nel mercato caldaie cosiddette polivalenti, in quanto consentono la produzione di diversi prodotti, di capacità variabile tra i 200 e i 500 litri. Queste tipologie di caldaie consentono di ottenere un riscaldamento del latte sufficientemente uniforme senza sbalzi termici localizzati (sistema denominato usualmente a bagno-maria ). La tipica struttura del contenitore (vasca) entro cui avviene il riscaldamento del latte e la formazione dei latticini, è mostrata nella seguente Figura 2. 4

5 Figura 2 Tipica vasca a bagnomaria di una caldaia polivalente per caseificazione. La trasmissione dell energia termica alla vasca contenente il latte avviene tramite un fluido scambiatore, solitamente acqua allo stato liquido o vapore. L utilizzo di vapore come fluido scambiatore è usato molto raramente in aziende casearie medio-piccole, ma trova ampia diffusione nelle aziende medio-grandi ch possono permettersi l uso di un generatore di vapore, spesso in grado di alimentare più unita di caseificazione. Tali sistemi sono pero caratterizzati da costo relativamente elevati anche a causa degli elevati standard imposti dalla presenza di vapore surriscaldato. Per questo i caseifici medio piccoli utilizzano esclusivamente quale fluido scambiatore acqua calda a temperature al di sotto di quella di ebollizione (riscaldata con bruciatori a gas o a gasolio). I tipi più comuni di caldaie polivalenti per caseifici medio-piccoli hanno un 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. 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 cicli). Tab.1 - Costi dell energia termica ed elettrica utilizzata per la caseificazione da 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 Nella successiva Tab.2 è riportata una comparazione dei vari combustibili utilizzabili nelle aziende zootecniche. 5

6 Tab.2 - Comparazione dei costi dell energia per diversi combustibili utilizzati per la caseificazione. COMBUSTIBILE P. CAL. INF. U.M. pari a Kwh Rendimento % Costo * /kwh+ BENZINA (1.83 /l) Kcal/l 12, G.P.L. (1.02 /l) 6070 Kcal/l 7, METANO (0.76 /mc) 8500 Kcal/mc GASOLIO (1.25 /l) 8250 Kcal/l PELLETS (0.30 /kg) 4500 Kcal/Kg 5, LEGNA (0.10 /kg) 3500 Kcal/Kg AGRI-PELLETS (0.18 /kg) 4290 Kcal/Kg 5, Si nota come l utilizzo di biomasse, ed in particolare dell agri-pellet ECODENS, attraverso l uso di una opportuna caldaia possa consentire alla azienda di ottenere un significativo risparmio sul costo specifico del combustibile. In dettaglio, tenuto conto dei rendimenti di combustione, e che l agri-pellet ECODENS può essere messo a disposizione delle aziende casearia ad un prezzo di 0.18 /kg, l uso di questo permetterebbe rispetto al GPL un risparmio sulla bolletta energetica di circa il 75% se si utilizza già benzina, di circa il 73% se si utilizza già GPL (caso più ricorrente), di circa il 71% e si utilizza gasolio (caso raro), di circa il 52% se si utilizza metano (caso raro), e di circa il 38% se si utilizza già un pellet comune. Solo utilizzando legna si possono ottenere costi inferiori (-17%), ma questo è un caso teorico in quanto l uso della legna non risulta compatibile con le esigenze igienico sanitarie di una moderna sala di caseificazione. Anche il caso relativo all uso di pellet comune è di fatto un caso teorico, in quanto non esistono in commercio caldaie a pellet per piccole o medie aziende casearie. L utilizzo di combustibili alternativi, quali pellet di legno ecc., per la produzione casearia, prevede infatti ordinariamente l uso di apposite caldaie polivalenti a vapore surriscaldato, caratterizzati da costi relativamente elevati ed idonei solo per grandi caseifici. 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 innovativo 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 dell agri-pellet, 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. 3. 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 ad oggi non inferiori 0.30 /kg. 6

7 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, generalmente 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. 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. 7

8 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, come già detto, in caldaie per aziende casearie medio-grandi. 4. SOLUZIONE INNOVATIVA ECODENS Per l alimentazione della caldaia esistente presso l azienda zootecnica partner Palazzolo Filippo, è stata considerata, quale soluzione tecnico-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; le dimensioni di questa sono ste fissate i 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 aggregati che tendono, come è noto, ad attaccarsi alle griglie del braciere stesso. Sempre al fine di abbattere i costi del sistema, l immissione dell'aria comburente non avviene attraverso apposito condotto separato con sistemi tagliafuoco ecc., bensì semplicemente attraverso lo stesso condotto della coclea, cosa resa possibile dalla presenza di sufficienti vuoti naturalmente determinati dalla morfologia del combustibile (pellet). In dettaglio, l aria comburente è spinta da apposito ventilatore a velocità variabile, controllato da apposito quadretto di comando. Al fine di consentire la regolazione della potenza termica del bruciatore, azione necessaria per conservare la caratteristica polivalente delle caldaia, 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 8

9 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 comando. 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. Nella figura seguente è riportato lo schema funzionale del bruciatore a pellet ECODENS cosi configurato: Fig.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. 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 (se richiesta dal cliente), potrebbe essere dotato di un sistema automatico di espulsione delle ceneri attraverso apposita coclea pescante all interno della camera di combustione, appositamente configurata in modo da riportare le ceneri nel locale tecnico adiacente la sala di caseificazione. 9

10 4. DIMENSIONAMENTO TERMO-MECCANICO DEL BRUCIATORE ECODENS In pratica il principio di funzionamento sul quale si basano le caldaie polivalenti, in uso presso le piccole e medie aziende casearie, come quella presente presso l azienda zootecnica partner Palazzolo, è quello della cosiddetta pentola a bagno-maria (così come concepito da tempi remoti) o a intercapedine d acqua. In dettaglio, la vasca di coagulazione, in acciaio inox, è riscaldata dal fondo e dalle pareti, attraverso l acqua calda contenuta nell intercapedine, a sua volta riscaldata direttamente dal bruciatore, in generale del tipo a gas (GPL, più raramente a metano o a gasolio). 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 (a resistenza), in alternativa di quello 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 calcolare la potenza termica al focolare, si può considerare il seguente semplice schema a blocchi: Fig.7 Schema a blocchi della cladaia ECODENS con appposito bruciatore ad agri-pellet. 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, è dato dalla semplice formula: Q m c*( T f T ) (1) * i 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, la massa di latte da riscaldare è pari a: m * V 1030* 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: 10

11 c p ( c * V c * V ) (0.931*100 1* 400) kcal / kg C (3) pl l pa a Per la valutazione del salto termico ΔT, si può considerare che presso un caseificio dislocato nel territorio della regione siciliana, 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, con T f = 85 C circa, si ottiene un valore massimo di ΔT pari a 80 C. Trascurando pertanto le perdite, la quantità di calore (Q) necessaria per scaldare il latte e l acqua dell intercapedine è data quindi da: Q ( m m ) * c * T ( ) *0.944* 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 * 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 dell impianto di co-densificazione) e la combustione di pellet ha in genere un rendimento non inferiore all 85%, allora alla potenza massima di kcal/h corrisponde la portata massima di pellet Q p pari a : 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 (al mattino, prima dell inizio del processo di caseificazione) 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, che per un peso specifico di circa 0.7 kg/l corrisponde a circa 50 litri. 11

12 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 addetto alla caseificazione. 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 Fig.8 Dimensioni caratteristiche del bruciatore ECODENS ad agri-pellet. Le dimensioni indicate in figura ovviamente possono subire relative variazioni in funzione delle peculiari caratteristiche della caldaia esistente presso la generica azienda lattiero casearia, dello spessore della parete e di altre eventuali esigenze funzionali. Nel seguito è riportata una immagine del prototipo di bruciatore cosi configurato per la caldaia a bagnomaria in uso presso l azienda partner Palazzolo Filippo; il prototipo è stato costruito in collaborazione con una ditta siciliana che opera nel settore dei bruciatori e delle caldaie a pellet secondo i dettami del progetto appositamente ECODENS sviluppato per soddisfare le particolari esigenze del processo di caseificazione. 12

13 Fig.9 Prototipo del bruciatore ad agri- pellet ECODENS. Nella seguente tabella 5 sono riportati i principali caratteristiche del bruciatore costruito, rilevate attraverso apposita sperimentazione e collaudo, quali range di potenza termica di funzionamento, rendimento della combustione, tensione elettrica di alimentazione, peso complessivo. Tab.3 Caratteristiche tecniche del prototipo del bruciatore ad agri-pellet sviluppato nell ambito del progetto ECODENS. Il bruciatore cosi configurato non può essere utilizzato per la caseificazione in quanto per potere essere impiegato per il ciclo produttivo caseario realizzato con le stesse caldaie in dotazione della azienda, dovrà accoppiarsi idoneamente con queste, ovvero dovrà essere dotato di una apposita camera di combustione chiusa, che dovrà anche costituire idoneo supporto meccanico per il sostentamento della caldaia a bagnomaria, sostituendo l attuale supporto esistente (camera aperta), che non può più essere utilizzato essendo stato appositamente dimensionato e configurato per un bruciatore a gas (GPL o altro gas). La progettazione della camera di combustione, di seguito in dettaglio esposta, è stata eseguita in modo da ottenere la massima integrazione funzionale con la caldaia esistente e con il processo di caseificazione utilizzato. 13

14 4.1 DIMENSIONAMENTO DELLA CAMERA DI COMBUSTIONE ECODENS E PROGETTO ESECUTIVO DELLA CALDAIA Come sopra richiamato, l integrazione del bruciatore appositamente configurato, con la caldaia a bagnomaria necessita di un elemento strutturale che deve assolvere a molteplici funzioni: 1) deve costituire una camera di combustione, cioè deve contenere il bruciatore racchiudendo la zona fumi da convogliare opportunamente verso il camino; 2) deve accoppiarsi strutturalmente ed ermeticamente con la caldaia e sopportare il peso della stessa a pieno carico (circa 600 kg); 3) deve offrire una sufficiente barriera allo scambio termico con l esterno al fine di limitare la esposizione al calore dell operatore alla caseificazione. Pertanto il supporto deve essere abbastanza grande da contenere il braciere e la coclea che trasporta l agri-pellet dalla tramoggia al braciere; deve altresì offrire un sufficiente volume da costituire un piccolo polmone per i fumi di combustione durante i transitori di avviamento ecc; deve infine essere collegato all esistente camino di smaltimento dei fumi di combustione al fine di evitare i costi di una nuova linea di espulsione dei fumi. 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 realizza di fatto 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, 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 di fatto alle molteplici funzioni e cioé: a) costituire una camera di combustione dotata di apposita finestra di ispezione (con portello ermetico), attraverso la quale è pure possibile la estrazione periodica manuale delle ceneri di combustione; b) sopportare il peso della caldaia, con idoneo coefficiente di sicurezza, tenuto conto anche di eventuali sovraccarichi che possono verificarsi in esercizio, ovvero durante la caseificazione; c) separare fisicamente la camera di combustione dal resto del bruciatore, mediante apposito tunnel a sezione rettangolare in grado di alloggiare il braccio-coclea del bruciatore stesso; d) permettere la naturale estrazione dei fumi utilizzando primariamente lo stesso sistema di convogliamento esistente (camino in tubo di acciaio); 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. 14

15 Fig.10 Disegno del supporto/camera di combustione del bruciatore ECODENS. Tale supporto è stato 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 pienamente compatibili con la presenza di personale, evitando cosi il rischio di 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 (non riportati in figura per semplicità), 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, tenuto conto delle sopra riportate considerazioni tecno-strutturali, il coefficiente di sicurezza ( ) del supporto (camera di combustione) in progetto è dato dalla seguente formula: sic 15

16 sic k t u * P / A k t u * P /( s* D* ) 12.5*600/(2*920* ) (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 riportato il disegno esecutivo della caldaia cosi configurata, con dettaglio sia delle componenti installate in camera di caseificazione, sia di quelle installate nel locale tecnico adiacente. Fig.11 Disegno esecutivo della caldaia ad agri-pellet ECODENS installata presso l'azienda lattiero-casearia partner Palazzolo Filippo. Dalla Fig.11 si può osservare la perfetta integrazione ottenuta tra nuovo sistema ed esistente caldaia bagnomaria, l estrema compattezza del sistema realizzato, la conveniente dislocazione del quadretto di comando all interno della sala di caseificazione in posizione prossima a quella dell operatore, e la perfetta separazione della camera di combustione dalla tramoggia dell agri-pellet. Nel seguito sono riportate alcune foto che rappresentano la installazione effettivamente realizzata presso l azienda partner Palazzolo Filippo. Per la realizzazione del bruciatore e del supporto è stata preziosa la collaborazione del fornitore, anche attraverso le relative aziende produttrici che hanno dato ampio supporto alla attività di progettazione ed ottimizzazione svolte dal team di tecnici della SABER Technology SRL coadiuvati dai tecnica della azienda casearia. 16

17 In dettaglio, nelle seguente Fig.12 è rappresentato il sistema di alimentazione (tramoggia, motore e ventilatore) alloggiato nel locale tecnico adiacente alla sala di caseificazione. Fig.12 Installazione della caldaia ad agri-pellet ECODENS presso l azienda lattiero casearia partner: sistema di alimentazione posto nel locale tecnico. Nella seguente Fig.13 è riportata invece l immagine del braciere visto dalla finestra di ispezione, durante l esercizio con agri-pellet ECODENS. Fig.13 Installazione della caldaia ad agri-pellet ECODENS presso l azienda lattiero casearia partner: dettaglio del braciere in esercizio con agri-pellet. Nella seguente Fig.14 è riportata infine una immagine che descrive la fase conclusiva del processo di produzione della ricotta (affioramento), eseguito utilizzando la caldaia ECODENS, in occasione del campo dimostrativo tenutosi presso la stessa azienda zootecnica partner "Palazzolo Filippo". 17

18 Fig.14 Installazione della caldaia ad agri-pellet ECODENS presso l azienda lattiero casearia partner: fase di affiioramento della ricotta. 5. ANALISI ECONOMICA DELLA CALDAIA ECODENS Nel seguito si riportano i risultati di una sintetica analisi dei costi e dei vantaggi economici legati all uso dell agri-pellet ECODENS attraverso l uso della caldaia appositamente sviluppata. Al fine di consentire una preliminare valutazione dei cosiddetti costi di investimento, nella tabella seguente sono riportati i costi che sono stati sostenuti per la implementazione della caldaia: Tab.6 Costi sostenuti per la implementazione della caldaia 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 della caldaia presso una azienda casearia mediopiccola, come è l azienda partner Palazzolo Filippo che alleva circa capi ovini ed che utilizza ordinariamente un bruciatore a GPL con una spesa annua di circa /anno (vedi tabella 1), tenuto conto che l uso dell agri-pellet ECODENS consente di ottenere un risparmio di circa il 73% rispetto all uso del GPL (vedi tabella 2), cioè un risparmio annuo di circa 6700, si ottiene immediatamente un tempo di ritorno dell investimento inferiore ad un anno. Si tratta di un risultato che mostra chiaramente un notevole vantaggio economico. 18

19 In pratica, dal secondo anno di funzionamento in poi, l uso della caldaia ECODENS consente ad una piccola azienda casearia una riduzione dei costi di produzione di circa 6700 /anno. Con il combustibile, cambieranno pure le modalità di approvvigionamento che l azienda dovrà mettere in atto. Considerando il consumo orario sopra calcolato, nonché la realizzazione di due cicli di caseificazione giornalieri di durata complessiva di 2.5 ore per un anno, si ottiene che su base annua l azienda ha necessità di approvvigionarsi di una quantità (M p ) di pellet pari a: M p 15.9* 2.5* kg/ anno (9) cui corrisponde un spesa complessiva di circa 0.18 /kg* kg/anno = 2610 /anno. I dati sopra esposti sono stati largamente confermati dall uso effettivo delle caldaia perla caseificazione che l azienda ad oggi ha fatto per un periodo di circa 1 anno. Considerando che tale agri-pellet sia prodotto esclusivamente con biomasse provenienti da coltivazione di uliveto, da cui si traggono in Sicilia mediamente 2 ton/ha di olive e altrettanti di residui di potature, allora per produrre tale quantitativo di agri-pellet di sansa vergine e residui di potature (nel rapporto in peso 25/75 congruente con i rapporti delle materie prime messe a disposizione) occorre un quantitativo di sansa vergine essiccata pari a circa 4 ton ed un quantitativo di residui di potature (secco) pari a circa 10.5 ton. A questi corrispondono un quantitativo di sansa umida pari a circa 8 ton ed un quantitativo di residui freschi pari a circa 15 ton. Tenuto conto che da una tonnellata di olive si ottengono circa il 50% di sanse, si ha che il fabbisogno di una tale azienda casearia è coperto da una produzione di circa 16 ton di olive cui corrisponde mediamente una superficie coltivata di circa 8 ha, che da luogo anche ai necessari residui di potature. Si tratta di un numero relativamente basso, tenuto conto della elevata superficie che in Sicilia è destinata alla coltivazione di ulivo (circa ha). In altre parole lo sfruttamento energetico delle biomasse proveniente dagli uliveti siciliani potrebbe più che coprire il fabbisogno delle aziende lattiero casearie presenti nello stesso territorio, lasciando pertanto ampi margini per coprire il fabbisogno di altre aziende agricole energivore (agro-alimentari, serricultura ecc.). 6. CONCLUSIONI In accordo con gli obiettivi del progetto ECODENS è stato dimostrato che l uso dell agripellet di sanse e residui di potature è ed il bruciatore realizzato sono vantaggiosamente utilizzabili per il soddisfacimento delle esigenze energetiche di una azienda lattiero casearia sebbene il loro uso può essere facilmente e vantaggiosamente esteso a molti altri campi del settore agricolo ed agro-industriale, quali per esempio: Riscaldamento delle serre nella serricoltura invernale Riscaldamento dell acqua nelle aziende agro-alimentari 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 19

20 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 lattierocasearie consente il pratico uso dell'agri-pellet con costi di investimento molto limitati, sostenibili anche da parte di una piccola azienda agricola. 20