Caratterizzazione delle emissioni durante la combustione di biomasse erbacee e legnose

Le risorse energetiche giocheranno un ruolo fondamentale nel futuro del pianeta, perché sono considerate un elemento significativo nello sviluppo economico. La sua importanza è riconosciuta universalmente e i dati storici confermano che esiste una stretta relazione tra la disponibilità di energia e l’attività economica. Esistono diversi tipi di energie alternative che possono essere utiliz-zate in sostituzione dei combustibili fossili convenzionali [Demirbas, 2005]. L’utilizzo di fonti di energia da biomasse quali il legno, la paglia, la corteccia, i residui vegetali sono quasi indifferenti nel bilancio della CO2, e sono un’importante scelta di breve termine per ridurre gli impatti negativi derivanti dall’uso dei combustibili fossili in via di esaurimento [Zhou, 2006]. Il consumo attuale di energia da biomassa rappresenta circa il 9,7% del consumo energetico mondiale, secondo solo al carbone, petrolio e gas naturale [ENEA, 2010]. I paesi in via di sviluppo coprono il 75% dei loro consumi energetici con l’utilizzo di biomasse [Zhou, 2008]. Attualmente, in Italia, l’energia fornita da tutte le fonti rinnovabili, incluse idroelettrico e biomasse, si attesta su un valore intorno al 11,7% (20,7 Mtep), rispetto al consumo interno lordo di energia (180 Mtep) [ENEA, 2009]. Sebbene non siano a disposizione dati ufficiali recenti stime hanno riportato che il contributo annuo delle bio-masse in Italia potrebbe essere di 24-30 Mtep (circa il 13,6%) [ITABIA, 2008]. Recentemente si è considerato di usare i prodotti agricoli (es. pioppo da short rotation fo-resty e miscanto) e i sottoprodotti per il riscaldamento domestico. L’opportunità di usare i residui come combustibile permette alle aziende agrarie di diversificare la loro produzione agricola verso il comparto energetico, consentendo una maggiore stabilità del reddito. La combustione di biocombu-stibili in impianti domestici può essere fatta in stufe tradizionali o in moderne caldaie a pellet o le-gna, dove le emissioni di inquinanti in atmosfera sono notevolmente inferiori [Johansson, 2004; Dell’Antonia 2010]. Tuttavia l’utilizzo di biomassa nella produzione di energetica termica presenta alcune pro-blematiche dovute alle sue caratteristiche fisiche (es. il diametro delle particelle la densità apparente, l’umidità, le ceneri, il potere calorifico superiore) e alla sua composizione chimica che sono so-stanzialmente differenti da quelle delle fonti energetiche convenzionali [Khana, 2008; Obernberger, 2006]. Nella realtà i processi di combustione risultano sempre incompleti e rilasciano sostanze in-quinanti dannose in atmosfera; particolato, monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NO2), biossidi di zolfo (SO2), idrocarburi incombusti (CXHY), idrocarburi aromatici policiclici (PAHS) e altri composti organici. [Bhattacharya, 2000]. I prodotti della combustione incompleta hanno tre ef-fetti negativi: perdita energetica, impatto sulla salute umana ed inquinamento dell’ambiente. L’utilizzo di biomasse combustibili contribuisce dall’1 al 5% delle emissioni totali di CH4 , dal 6 al 14% delle emissioni totali di CO, dal 8 al 24% delle emissioni totali di composti organici non-methane (TNMOC) e i infine influisce dall’1 al 3% sul riscaldamento globale [Smith, 1994]. Oltre alle emissioni di inquinanti in atmosfera, anche il comportamento delle ceneri in camera di combustione è un importante parametro da considerare (aspetti energetici e tecnici). In modo particolare l’influenza sul potere calorifico della biomassa, l’aumento dei problemi che riguardano lo smaltimento dei residui inorganici della combustione e i fenomeni di fusibilità delle ceneri che causano la formazione di depositi [Toscano, 2008]. I processi di combustione con biomasse erbacee, che presentano un elevato contenuto di elementi alcalini, causano agglomerati sulla griglia di combustione e fenomeni di sinterizzazione sugli scambiatori di calore che diminuiscono la capacità di trasferire il calore e danneggiano le parti interne dei sistemi di combustione. L’utilizzo di additivi durante la combustione di cereali riduce i problemi di sinterizzazione (in Danimarca si consiglia di aggiungere 1-2% di carbonato di calcio per evitare i fenomeni di sinterizzazione) [Ronnback, 2008]. L’aggiunta di calcio su diversi cereali diminuisce la formazione di depositi in modo considerevole (soprattutto per il frumento e il riso), grazie alla formazione di fosfati di calcio e potassio con alte temperature di fusione delle ceneri, invece della formazione di fosfati di potassio con basse tempe-rature di fusione [Ronnback, 2008; Lindstrom, 2006]. Per una valutazione dell’utilizzo delle biomasse come risorsa energetica, da un punto di vista ambientale, è quindi importante valutare le emissioni e i fenomeni di fusibilità delle ceneri. La sperimentazione ha identificato e valutato le caratteristiche delle emissioni durante la combustione delle biomasse e le possibili soluzioni per ridurre gli effetti di inquinamento sull’ambiente e sulla salute dell’uomo. Nella prima fase della ricerca le emissioni di CO2, CO, NOX e SO2 durante la combustione di materiale agro-forestale (legno, mais e orzo) sono state confrontate con la combustione dei prodotti di origine fossile (metano, gasolio e GPL) in piccoli impianti utilizzati per il riscaldamento domestico. Da queste prove è emersa la necessità di comprendere in che modo variano le emissioni durante la combustione (ceneri, particolato e gas) in rapporto al tipo di coltura e alla sua composi-zione chimica. In riferimento a questa problematica, nella seconda fase della sperimentazione è stata fatta una caratterizzazione chimico-fisica delle biomasse utilizzate nella sperimentazione, per in-dividuare le differenze durante la combustione delle biomasse agroforestali, in riferimento anche a sperimentazioni scientifiche internazionali riportate in bibliografia. Questo ha permesso di relazio-nare i diversi fenomeni di combustione con la composizione chimica del materiale utilizzato e de-terminare una metodologia sperimentale per migliorare le prestazioni energetiche delle biomasse. Successivamente sono stati individuati dei miscugli di biomasse con prodotti agro-forestali ed addi-tivi per migliorare le caratteristiche di combustione in riferimento alla fusibilità delle ceneri e quindi diminuire le emissioni in atmosfera: farinetta di mais con diverse percentuali di faggio puro (12,5%, 25% e 50%), farinetta di mais con l’1% di calce idratata (Ca(OH)2) come additivo e il mais granella conciato (1-2%) con idrossido di calcio (Ca(OH)2). I campioni sono stati pellettati e successivamente testati in una caldaia sperimentale per determinare le emissioni gassose in atmosfera, le polveri totali e i depositi in camera di combustione. I dati raccolti hanno evidenziato una minore emissione di sostanze inquinanti (CO, NOX e SO2) nelle caldaie a combustibile fossile rispetto alle biomasse utilizzate per il riscaldamento in pic-coli impianti residenziali. Questo perché i combustibili di origine fossile presentano una composi-zione chimica più semplice, caratterizzata da elevate percentuali di carbonio e idrogeno, che per-mettono di ottenere una migliore efficienza di combustione rispetto alla composizione più compli-cata delle biomasse. In relazione alle emissioni di monossido di carbonio (CO), le emissioni nella combustione dei prodotti di origine fossile sono più basse rispetto all’utilizzo delle biomasse perché sono in forma liquida o gassosa e quindi hanno una migliore miscelazione con il comburente. Con-trariamente, la forma solida dei biocombustibili richiede una triturazione per ottenere una buona mi-scelazione e quindi un incremento della temperatura in camera di combustione. Le piante erbacee hanno un contenuto di ceneri più elevato rispetto alle biomasse legnose. L’aumento nella concentra-zione di N, Cl, e K nei biocombutibili erbacei può causare problemi di emissioni in atmosfera, for-mazione di depositi e fenomeni di corrosione. In riferimento ai problemi di sinterizzazione delle ce-neri, la seconda fase della sperimentazione ha evidenziato che l’utilizzo di Ca e Mg come additivi aumenta la temperatura di fusione delle ceneri nei campioni analizzati in laboratorio. Nella terza fase della sperimentazione i test eseguiti con la caldaia sperimentale hanno evi-denziato una maggiore emissione di incombusti (CO, H2, idrocarburi incombusti e polveri totali) per il pellet di faggio rispetto al mais. In riferimento alle emissioni di ossidi di azoto (NOX) e di zolfo (SO2) il mais ha determinato emissioni maggiori rispetto al legno di faggio, perché le biomasse erbacee hanno una concentrazione maggiore di azoto e zolfo rispetto alle biomasse legnose. I mi-scugli di farinetta di mais con il faggio non hanno evidenziato delle differenze significative rispetto al mais in riferimento alle emissioni di ossidi di azoto,mentre le emissioni di ossidi di zolfo sono state notevolmente inferiori. In relazione agli incombusti prodotti durante la combustione i miscugli hanno determinato valori più alti rispetto al mais, a causa della presenza del faggio. La farinetta di mais con l’aggiunta della calce idratata (Ca(OH)2) come additivo ha evidenziato un elevato aumento delle emissioni di polveri in atmosfera e dei depositi in camera di combustione, rispetto alla bio-massa di partenza. Il mais granella conciato con la idrossido di calcio, invece, ha determinato un e-levato aumento dei depositi in camera di combustione (maggiore rispetto alla farinetta di mais addi-tivata con la calce idratata) e una diminuzione delle emissioni di polveri in atmosfera rispetto alla granella di mais. Entrambi i campioni che presentano l’idrossido di calcio come additivo hanno de-terminato una diminuzione degli ossidi di zolfo in relazione alla granella di mais.