Combustione della legna e inquinamento atmosferico (dal campionamento all’analisi)

Emissioni della combustione della legna

Combustione della legna

e inquinamento atmosferico(dal campionamento all’analisi)

Andrea Piazzalunga

Dipartimento di Scienze dell’Ambiente e del Territorio

Università degli Studi di Milano - Bicocca

[email protected]


LA LEGNA NON È ECOLOGICA -

La legna non è un combustibile

ecologico, dal punto di vista delle

emissioni, se bruciata malamente come

avviene nei caminetti aperti e nelle

diffusissime stufe tradizionali: emette

enormi quantità di polveri sottili che,

ricche di frazioni incombuste, sono

fortemente dannose alla salute. I fattori

di emissione della legna sono dieci-venti

volte peggiori, per le sole polveri, di

quelli dell'olio combustibile o cento volte

di quelli del gasolio, la cui azione

inquinante è nota (l'olio combustibile è

già vietato nelle "zone critiche" e lo sarà,

dal 1 ottobre 2006, su tutta la

Lombardia).

L'uso delle biomasse, con particolare

riferimento alle coltivazioni agricole e

forestali, può rivestire un ruolo

rilevante nel prossimo futuro,

soprattutto nell'ottica di un ampio

spettro di interrelazioni dei differenti

settori: l'energia, l'uso del territorio, la

protezione dei suoli, la politica agricola e

forestale, la gestione dei rifiuti, il

commercio internazionale,

l'inquinamento atmosfe-rico e la qualità

della vita nei centri urbani".

Combustione della legna: terreno di contrasto


Photo courtesy of Shropshire Star Newspaper, http://www.shropshirestar.com



- Circa 4.4 milioni di utenze (oltre il 20% della popolazione) a livello nazionale (CTI 2006)

- Oltre 800 mila apparecchiature in Lombardia (CTI 2006)

- Circa 2 milioni di tonnellate di biocombustibile legnoso consumato in Lombardia (ARPA

2006)

- Circa 1 milione di tonnellate di pellet consumato in Italia ogni anno (CTI 2009)

Dove nasce il problema…


Piazzalunga et al.

(Atmospheric Environment 45 (2011) 6642 – 6649)

Benefici e rischi della combustione della legna

C.A. Belis et al.

(Atmospheric Environment 45 (2011) 7266 – 7275)

Renewable Energy Directive

Europa 2010

Consumo di energia da FER 12%

Direttiva 2009/28/CE

Obiettivi vincolanti

Italia 2020

17% dell’energia FER

Consumo di energia 2020: 135Mtep

FER 2008: 9 Mtep

FER 2020: 22 Mtep

È previsto che la combustione della legna

contribuirà per il 25% (5.5 Mtep)

0

1000

2000

3000

4000

5000

6000

2005 2020

HEAT CONSUMPTION FROM BIOMASSES (ktoe)

National Action Plan for Renewables of Italy (2010)


Rischi per la salute umana


Necessità di un approccio integrato

Campionamento

delle emissioni

Caratterizzazione

chimico fisica

Stima dei rapporti

di emissione

Source

apportionment

Caratterizzazione

tossicologicahealth impacts

Analisi LCA

Life Cycle Assessment

Valutazione di sostenibilità

LEnS: Legno Energia e Salute (PRIN 2008)

La combustione della legna come fonte di energia primaria: sviluppo di metodologie integrate per la valutazione di rischi e benefici


Il particolato da biomassa deriva dalle ceneri e dalla combustione incompleta del combustibile

La formazione di particolato dipende principalmente da:

-Tecnologia e efficienza della combustione

-Qualità del combustibile

-Correttezza nell’installazione dell’apparecchio

-Corretta gestione dell’apparecchio

Fonte CTI

La combustione dei solidi consiste nella decomposizione chimica del combustibile che porta alla

produzione di “vapori combustibili” che vengono rilasciati a basse temperature (250°C) per poi

bruciare nella fiamma a contatto con l’ossigeno

Le tre variabili che condizionano principalmente la combustione sono:

-Temperatura

-Diffusione dell’ossigeno all’interno del combustibile

-Reattività chimica del processo di combustione

Francesca Hugony - SSC

I fattori che influenzano l’emissione di particolato

durante la combustione…


Char ceneri

Ossidi di Ca, K, Mg, Mn, Na, Si

gasProdotti combustione

SO2, NOx, CO, COV, PM, H2O, CO2

H2O, CO, H2, CH4, …

O2

Composti Organici Volatili

Si formano dalla combustione incompleta della biomassa

Sono inclusi gli idrocarburi aromatici (IPA) e alifatici, le aldeidi e gli alcoliFrancesca Hugony - SSC

La combustione della legna

O2


I fattori che influenzano l’emissione di particolato

durante la combustione…

G. Toscano (Università Politecnica delle Marche)


Il fattore tecnologico


Il combustibile

Fine et al., 2004 - 2006

In Lombardia

2007 0,5 Mt di legna tagliata (ERSAF)

2007/08 1,6 Mt di legna consumata (Pastorello et al., 2011)


È necessario considerare la stufa a legna come un impianto di riscaldamento

Umidità del

combustibile

Modalità di accensione

Thomas Nussbaumer et al., 2005SSC

Il fattore educativo…

G. Toscano (Università Politecnica delle Marche)


[Klippel & Nussbaumer 2007]

Variabilità del sistema



Campionamento

delle emissioni

Caratterizzazione

chimico fisica

Stima dei rapporti

di emissione

Source

apportionment

Caratterizzazione


Analisi LCA



LEnS: Legno Energia e Salute



Per la caratterizzazione chimica

delle emissioni

Tunnel di diluizione

US-EPA Method 5G,

con ulteriori

implementazioni strumentali

(UNITS)

[email protected]

www.arcosolutions.eu


C. Schmidl et al. / Atmospheric Environment 42 (2008) 126–141


Particolato grossolano

particolato sedimentabile di dimensioni superiori

ai 10 µm, non in grado di penetrare nel tratto

respiratorio superando la laringe, se non in piccola

parte.

PM10

particolato formato da particelle inferiori a 10

micron (µm) è una polvere inalabile, ovvero in

grado di penetrare nel tratto respiratorio superiore

(naso e laringe). Le particelle fra circa 5 e 2,5 µm

si depositano prima dei bronchioli.

PM2,5

particolato fine con diametro inferiore a 2,5 µm, è

una polvere toracica, cioè in grado di penetrare

profondamente nei polmoni, specie durante la

respirazione dalla bocca.

Per particolato atmosferico si intende l'insieme di particelle atmosferiche solide e liquide con

diametro compreso fra 0,1 e 100 micron.


massa vs. numero

Al diminuire della dimensione la frazione di molecole presente in

prossimità della superficie della particella, rispetto al totale, aumenta


Particelle nell’ambiente

Dp < 0.01 m 0.01<Dp < 0.1 m 0.1<Dp < 1 m 1<Dp < 10 m

Materiale Particolato

EMISSIONE

DIRETTA

Aerosol

Primario

Aerosol

SecondarioGas

(molecole)

Precursori Gassosi

CONDENSAZIONE

coagulazionenucleazione coagulazione


Emissione veicoli

Particolato atmosferico

Emissione primaria da

combustione

Crescita dovuta

all’accumulazione di

prodotti secondari o

all’aggregazione fra

particelle elementari

Fresh Aged

Nell’aerosol fresco i clusters tendono a

formare una forma aperta

Le trasformazioni che avvengono

durante l’invecchiamento

(inclusione di acqua) tendono a

formare una forma più chiusa


PM primario

(misura nei fumi

non diluiti)

PM primario + condensabile

(misura nei fumi diluiti con aria a

temperatura ambiente)

L’aumento del

rapporto di

diluizione porta

alla perdita di

gas per

evaporazione e

desorbimento


• Tunnel di diluizione (DT).

Banco sperimentale per lo studio delle emissioni

• Linea di prelievo per il

campionamento delle

polveri.

Analizzatori per la misura della

concentrazione dei gas di combustione

all’interno della canna fumaria.

Impianto Aspirazione

STUFA

BILANCIA

FID

SONDA

MULTIPARAMETRICA

Tf, ( ), CO, NOx, O2,

CO2,

Monitor

CO2

Monitor

CO2

Monitor CO2

Impianto di aspirazione

LINEA DI PRELIEVO



Strumenti per il campionamento delle polveri

(primarie e secondarie)• Sonda di prelievo

• Sistema filtrante per la raccolta polveri

• Condensatore e refrigeratore

• Filtro PUF per microinquinanti

• Pompa isocinetica

Dopo

Prima


IPERCINETISMO IPOCINETISMO ISOCINETISMO

V aspirazione

> V fumi

SOTTOSTIMA!

V aspirazione

< V fumi

SOVRASTIMA!

V aspirazione

= V fumi

CAMPIONE

RAPPRESENTATIVO!


L’impattore multistadio• Sistema TCR TECORA impattore a

multistadio (MSSI) compatibile con

metodo VDI 2066 Part. 10 ed alla

norma EN 13284-1Primo stadio

(PM>10 um)

Secondo stadio

(10um<PM<2,5um)

Terzo stadio

(PM<2,5um)



Strumenti per la caratterizzazione di COV

• Rilevatore a ionizzazione di fiamma

PCF Elettronica - FID 9388 / CH4-TNMHC

• Rilevatore a fotoionizzazione -

PhoCheck Tiger Portable PID VOC Detector

• Campionatore GasCheck/Analitica Strumenti

cartucce TENAX - TD Markes Unity/GC-MS Aglilent 6890/5973

Rilevante per la speciazione dei COV

Solo alcuni (pochi) hanno significato tossicologico,

altri sono precursori di SOA, altri né l’uno né l’altro.

Quanto dell’uno e degli altri?



16 test di combustione con stufa commerciale a pellet (9kW)

Fattori emissivi medi con intervallo di confidenza

per pellet di faggio ed abete

0

10

20

30

40

50

60

Faggio Abete

mg

/ M

J

TEST PM>10

[mg]

2.5<PM<10

[mg]

PM<2.5

[mg]

PMtot

[mg]

PM>10

[%]

2.5<PM<10

[%]

PM<2.5

[%]

TPF 01 0,42 0,24 5,66 6,31 6,59 3,78 89,63

TPF 04 0,26 0,43 6,21 6,90 3,75 6,17 90,08

TPF 05 0,21 0,26 7,46 7,93 2,69 3,26 94,06

TPF 06 0,19 0,35 7,07 7,60 2,47 4,56 92,97

TPF 07 0,67 0,80 6,67 8,15 8,28 9,87 81,86

TPF 08 0,30 0,28 5,88 6,45 4,59 4,27 91,14

TPF 09 0,22 0,29 7,39 7,91 2,77 3,72 93,52

TPF 10 0,21 0,23 6,54 6,97 2,98 3,25 93,77

TPF 11 0,17 0,21 6,41 6,79 2,53 3,14 94,33

TPF 12 0,12 0,28 8,09 8,49 1,43 3,27 95,30

MEDIE 0,28 0,34 6,74 7,35 3,81 4,53 91,67

TEST PM>10

[mg]

2.5<PM<10

[mg]

PM<2.5

[mg]

PMtot

[mg]

PM>10

[%]

2.5<PM<10

[%]

PM<2.5

[%]

TPA 02 0,46 0,61 3,73 4,80 9,59 12,63 77,79

TPA 03 0,46 0,46 2,70 3,62 12,57 12,76 74,67

TPA 04 0,47 0,53 2,68 3,67 12,77 14,40 72,84

TPA 05 0,46 0,47 2,53 3,46 13,24 13,64 73,12

TPA 06 0,44 0,60 2,63 3,67 11,87 16,45 71,68

TPA 07 0,38 0,52 3,03 3,94 9,68 13,31 77,01

TPA 08 0,35 0,35 3,40 4,10 8,56 8,59 82,85

MEDIE 0,43 0,51 2,96 3,89 11,18 13,11 75,71

Condizionamento filtri 48h camera T=25°C, umidità 50%;


Per quel che riguarda dispositivi di combustione di legna, si procede alla valutazione dei fattori

emissivi per monossido di carbonio (CO), composti organici volatili (COV) e polveri

(PM), su inserti che impiegano diversi materiali per la camera di combustione.

(POR-FESR Palazzetti Lelio spa 2010)

REFRATTARIOGHISA


• Refrattario (12:1)

71±12 mg/MJ

• Ghisa (12:1)

134±51 mg/MJ

Combustione di legna


Risultati speciazione Composti Organici Volatili

Aspirazione e adsorbimento di COV non diluiti su cartuccia TENAX

Analisi per desorbimento termico (Markes Unity) e GC/MS (Agilent 6890/5973)

Dati di letteratura riportano emissioni basse di COV

con relativa abbondanza di benzene

1%2%

2%3%

3%4%

4%

5%

5%

8%

8%8% 10%

37%

Benzene

Methyl Vinil Ketone

2,3-butanedione

Furan

m-p-xilene

Toluene

Methyl Ethyl Ketone

(E)-2-Butenal

3-Methyl-Butenal

2-Methyl Furan

Furfural

Naphtalene

Benzaldehyde

Benzene 1,2,3,trimethyl

Distribuzione dei VOC nelle emissioni da

combustione di pellet di abete

Dati LENS

US EPA Emission Factors

AP-42, Vol. I, CH1.10: Residential Wood Stoves

Stufe con catalizzatori specifici

possono abbattere benzene

e COV



Campionamento

delle emissioni

Caratterizzazione

chimico fisica

Stima dei rapporti

di emissione

Source

apportionment

Caratterizzazione


Analisi LCA



LEnS: Legno Energia e Salute



Caratterizzazione delle emissioni

TC (OC, EC) Thermal Optical Trasmittance

Cl-, NO3, SO4--, Na+, NH4+, K+, Mg++, Ca++ IC

Levoglucosano HPLC/PAD

Metalli XRF

IPA HPLC

PCDD/F GC/MS/MS

Coeff. Estinzione fotometro polare

Profili di emissione

UNIMIB/UNIMI

[email protected]


Caratterizzazione delle emissioni

(profili di emissione)

Differenza nei fattori di emissione dell’EC

Si osserva una relazione fra l’aumento degli IPA e la percentuale di EC


abete faggio

Dati di letteratura

Loamberg et al., (2011)

Variabilità dei fattori di emissione degli IPA soprattutto nella combustione dell’abete

Progetto LEnS


Conclusioni

La combustione della legna nella produzione di energia può dare un importante contributo per il raggiungimento degli obiettivi dell’Unione Europea (20,20,20)

Se non gestita correttamente, può influenzare la qualità dell’aria

Piccoli o medi impianti di generazione del calore. Vicino all’approvvigionamento della materia prima (filiera corta)

Difficoltà ad ottenere buone performance di combustione

Qualità del combustibile

Modalità di utilizzo

Previsti degli incentivi per piccoli impianti termici, alimentati da biomassa a filiera corta (conto energia termico)

Controllo sulla qualità e sulla provenienza del combustibile

Mancanza di educazione dell’utilizzatore

Garantite emissioni e rendimento

Poca chiarezza sul concetto di emissione (campionamento a caldo vs. tunnel di diluizione)


Dipartimento di Scienze Ambientali e del TerritorioDemetrio Pitea

Marina Lasagni

Elena Collina

Manuela Anzano

Andrea Piazzalunga

Valentina Castellani - Gruppo di Ricerca sullo Sviluppo Sostenibile

Dipartimento di Scienze Ambientali e del TerritorioPaola Fermo

Dipartimento di Scienze farmacologicheCorrado Galli

Emanuela Corsini

Marina Marinovich

Dipartimento di Farmacologia, Chemioterapia e Tossicologia MedicaLaura Marabini

Dipartimento di Scienze ChimichePierluigi Barbieri

Sergio Cozzutto (spin off ARCo Solutions)

Gianpiero Barbieri (spin off ARCo Solutions)

Dipartimento di Chimica IndustrialeFabrizio Passarini

Daniele Cespi

Combustione della legna e inquinamento atmosferico (dal campionamento all’analisi)

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