Criticità della combustione della legna vergine · 2016-10-12 · 3 4 Biomassa legnosa Le biomasse...
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Criticità della combustione della legna vergine Responsabile scientifico dello Studio: prof. Marco Ragazzi 31/12/2015 F
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Criticità della combustione della
legna vergine
Responsabile scientifico dello Studio:
prof. Marco Ragazzi
31/12/2015 F
I
Sommario
1 Premessa ................................................................................................................................................... 1
2 Introduzione .............................................................................................................................................. 1
3 Biomassa .................................................................................................................................................... 2
4 Biomassa legnosa ...................................................................................................................................... 3
4.1 Caratteristiche chimiche .................................................................................................................... 3
4.2 Caratteristiche fisiche ........................................................................................................................ 3
5 Usi termici delle biomasse ......................................................................................................................... 3
5.1 Energia termica per uso domestico individuale ................................................................................ 4
5.2 Teleriscaldamento ............................................................................................................................. 4
5.3 Energia termica ad uso industriale .................................................................................................... 5
5.4 Energia elettrica ................................................................................................................................. 5
6 Emissioni gassose da combustione di biomassa ....................................................................................... 5
6.1 Anidride carbonica ............................................................................................................................. 6
6.2 Monossido di carbonio ...................................................................................................................... 6
6.3 Ossidi di azoto.................................................................................................................................... 6
6.4 Protossido di azoto ............................................................................................................................ 6
6.5 Ossidi di zolfo ..................................................................................................................................... 6
6.6 Composti del cloro ............................................................................................................................. 7
6.7 Particolato ......................................................................................................................................... 7
6.8 Metalli pesanti ................................................................................................................................... 8
6.9 Metano .............................................................................................................................................. 8
6.10 Composti organici volatili non metanici ............................................................................................ 8
6.11 Idrocarburi Policiclici Aromatici ......................................................................................................... 8
7 Dati sperimentali sulle emissioni ............................................................................................................... 8
8 Aspetti ambientali della combustione domestica ..................................................................................... 9
8.1 Influenza delle caratteristiche della legna ......................................................................................... 9
8.2 Caratteristiche del particolato emesso ........................................................................................... 10
8.3 Influenza della modalità di campionamento del particolato .......................................................... 10
II
8.4 Emissioni di polveri ultrafini ............................................................................................................ 11
8.5 Aspetti tossicologici ......................................................................................................................... 11
8.6 Emissioni climalteranti .................................................................................................................... 14
9 Riduzione delle emissioni ........................................................................................................................ 14
9.1 Ottimizzazione del processo ............................................................................................................ 14
9.2 Dispositivi di rimozione del particolato ........................................................................................... 15
10 Riferimenti normativi italiani per l’emissione di fumi di combustione ............................................... 17
11 Emissioni solide ................................................................................................................................... 18
11.1 Ceneri ............................................................................................................................................... 18
11.2 Ceneri basso fondenti e fenomeni di sinterizzazione ...................................................................... 18
12 Conclusioni .......................................................................................................................................... 18
13 Bibliografia ........................................................................................................................................... 19
1
1 Premessa
Il presente documento è stato prodotto nell’ambito dell’accordo di collaborazione tra Azienda ULSS 20 di
Verona ed Università degli Studi di Trento (Dipartimento di Ingegneria Civile, Ambientale e Meccanica) per
l'esecuzione del programma della Regione Veneto dal titolo "Programma di Riferimento Regionale di
Epidemiologia Ambientale", in merito alle attività previste per il 2015.
2 Introduzione
Il tema della caratterizzazione delle emissioni atmosferiche da combustione di biomassa legnosa è
sicuramente d’attualità nonostante il processo si possa considerare certamente consolidato. Lo dimostra la
presenza il letteratura di recenti studi, anche di ampio respiro, che analizzano i problemi associati con
adeguato rigore scientifico. Tra questi, di particolare interesse è la ricerca svolta da Dell’Antonia (2011) di
cui si riportano gli aspetti salienti. Le energie alternative utilizzate in sostituzione di combustibili fossili
convenzionali sono di vario tipo (Demirbas, 2005): in tale ambito, l’utilizzo di biomasse quali legna, paglia,
corteccia, i residui vegetali è quasi indifferente in termini di bilancio della CO2 (Zhou et al., 2006).
Attualmente le biomasse rappresentano circa il 10% del consumo energetico su scala planetaria (ENEA,
2010), con una particolarità che riguarda i paesi in via di sviluppo, i quali coprono il 75% del loro fabbisogno
con l’utilizzo di biomasse (Zhao et al., 2008). Per quanto riguarda l’Italia, l’energia fornita dalle fonti
rinnovabili ha già da qualche anno superato il 12% rispetto al consumo interno lordo (ENEA, 2009), con
possibilità di salire al 14% del fabbisogno energetico nazionale (ITABIA, 2008).
La combustione di biocombustibili a livello domestico può essere fatta in stufe tradizionali, tuttavia solo in
moderne caldaie le emissioni di inquinanti in atmosfera sono significativamente inferiori, soprattutto nel
caso di utilizzo di pellet (Johansson et al., 2004; Dell’Antonia et al., 2010). Diametro delle particelle, densità
apparente, umidità, ceneri, potere calorifico e composizione chimica delle biomasse sono differenti da
quelle delle fonti convenzionali con conseguenti problematiche tipiche del settore (Khana et al., 2008;
Obernberger et al., 2006). I processi di combustione risultano infatti incompleti, con importanti rilasci di
inquinanti in atmosfera, tra cui polveri, monossido di carbonio (CO), ossidi di azoto (NOX), biossido di zolfo
(SO2), idrocarburi (CXHY), idrocarburi policiclici aromatici (IPA) (Bhattacharya et al., 2000). L’utilizzo di
biomasse combustibili contribuisce significativamente alle emissioni globali influendo già 20 anni fa dall’1 al
3% sul riscaldamento globale (Smith, 1994). Anche il comportamento delle ceneri in fase di combustione va
considerato per le sue implicazioni energetiche e tecniche (Toscano et al., 2008). L’utilizzo di biomasse
erbacee, per la presenza di un elevato contenuto di elementi alcalini, crea notevoli problemi sulla griglia di
2
combustione, sugli scambiatori di calore e nelle parti interne dei sistemi di combustione. La forma liquida o
gassosa dei combustibili fossili favorisce una migliore combustione e quindi minori emissioni rispetto a
piccoli impianti di riscaldamento a biomasse. Per migliorare le prestazioni degli impianti, la forma solida
delle biomasse rende necessaria una triturazione per avere una buona miscelazione e quindi un
innalzamento della temperatura in camera di combustione (Dell’Antonia, 2011).
Da tutto ciò si deduce che una corretta valorizzazione del settore della legna deve passare per l’adozione di
soluzioni preventive nei confronti delle emissioni in atmosfera.
3 Biomassa
La definizione di biomassa è stata articolata in diversi modi nella letteratura scientifica. Tra i lavori recenti,
di interessante è quello svolto da Ronchini (2010) del quale si riporteranno gli aspetti salienti. Con
biomassa ci si riferisce ad ogni materiale originato da organismi viventi attraverso l’attività fotosintetica
delle piante (direttamente o indirettamente); la biomassa può essere vista anche come la forma più
sofisticata di accumulo di energia solare, grazie alla conversione della CO2 atmosferica in materia organica.
Le biomasse combustibili sono associabili a coltivazioni dedicate, interventi selvicolturali, lavorazione
esclusivamente meccanica di legno vergine, lavorazione esclusivamente meccanica di prodotti agricoli. Una
biomassa utile per fini energetici è un materiale organico utilizzabile come combustibile, direttamente o
mediante trasformazioni (termochimiche, biologiche o biochimiche finalizzate a migliorarne le proprietà
energetiche).
In genere le biomasse, che generalmente sono fortemente disperse sul territorio, possono essere
classificate nel seguente modo: a) biomassa vegetale; è questa la biomassa su cui si concentra il presente
documento; b) biomassa animale (ne sono un esempio i rifiuti del metabolismo e le deiezioni animali). La
biomassa può consistere in un’ampia varietà di forme (colture, sottoprodotti di colture, deiezioni, frazione
organica dei rifiuti, ecc.).
Per quanto riguarda in particolare la legna da ardere si ha a che fare con assortimenti e sottoprodotti
forestali, residuali ottenuti da interventi di gestione di specifiche aree, ecc. ; è a questo tipo di biomassa che
fa prevalentemente riferimento il presente documento. Importante è infine l’aspetto temporale: le
biomasse possono considerarsi inesauribili nel tempo purché siano sfruttate con un ritmo coerente con
quello associato al rinnovamento biologico.
3
4 Biomassa legnosa
Le biomasse legnose sono quelle composte principalmente da lignina e cellulosa (sono dette anche ligno-
cellulosiche); possono provenire dal settore forestale, essere scarti delle industrie di trasformazione del
legno, potature, produzioni di colture legnose dedicate (Ronchini, 2010).
4.1 Caratteristiche chimiche
I principali polimeri che caratterizzano le biomasse forestali sono la cellulosa (conferisce al legno
resistenza), l’emicellulosa (si trova nella parete cellulare delle piante e dove la cellulosa lascia spazi liberi),
la lignina (conferisce rigidità). Una frazione del legno è costituita da composti inorganici che si trovano
come ceneri a fine combustione. Dipendono, tra le altre cose, dalla tipologia di terreno e dalla specie
arborea. Il legno è composto quasi interamente da carbonio (circa 50%), ossigeno (oltre il 40%), idrogeno
(intorno al 6%). Contiene basse quantità d’azoto, tracce di zolfo e di altri elementi minerali (Ronchini,
2010). Evidentemente maggiore è il contenuto di C e H e maggiore è il potere calorifico.
4.2 Caratteristiche fisiche
Le caratteristiche fisiche del legno di maggiore interesse sono umidità, densità e massa volumica sterica.
L’umidità assume differenti valori in funzione della specie, dell’età, della parte della pianta considerata,
della stagione e del luogo di provenienza. Varia anche con la stagione. La densità rappresenta il più
semplice indicatore di qualità del combustibile legno dato che il potere calorifico è direttamente
proporzionale ad essa. Tipica del settore è la massa volumica sterica, usata per gli ammassi dei combustibili
legnosi tal quali (come la legna da ardere, il cippato e il pellet); tali ammassi presentano spazi vuoti in
funzione di pezzatura e forma; è espressa in peso per unità di volume stero (msr, metro stero riversato;
msa, metro stero accatastato).
5 Usi termici delle biomasse
In condizioni ideali il processo di combustione avviene attraverso reazioni di ossidazione complete che
portano allo sviluppo di calore ed alla formazione di acqua (H2O) e anidride carbonica (CO2) (ENEA, 2009,
2010). Per le biomasse la combustione può essere schematizzata in tre fasi: a) essiccazione mediante
evaporazione dell’acqua, ottenuta a temperatura di almeno 100°C; b) pirolisi-gassificazione a temperatura
< 600°C e in condizioni riducenti; c) ossidazione del carbonio e dei gas combustibili, a temperatura > 800°C.
Il potere calorifico inferiore su base secca della biomassa legnosa vaira tra 17 e 19 MJ kg-1 (Dell’Antonia,
2011). Ovviamente l’acqua ha un ruolo centrale influenzando anche le condizioni all’interno dei generatori
di calore, influenzando (allungando) i tempi per il completamente delle reazioni. Per questo motivo è
difficile contenere le emissioni di inquinanti da combustione incompleta (ENEA, 2009, 2010). Negli ultimi
anni, oltre ai piccoli impianti domestici, si stanno diffondendo anche impianti di teleriscaldamento, con
potenze termiche generalmente tra 0,5 MW e 5 MW, ma anche superiori a 10 MW. Sono realizzati
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utilizzando cicli Rankine a vapore o cicli Rankine a fluido organico (ORC) in assetto cogenerativo (energia
termica ed elettrica). Esistono anche impianti ad alimentazione mista se di grande taglia: se superiore a 100
MW si può utilizzare la co-combustione di biomassa e carbone (ENEA, 2009, 2010). Tornando agli impianti
domestici, è importante segnalare che una evoluzione del settore ha portato a disporre di impianti basati
sulla combustione a più stadi. Tali caldaie presentano una zona dedicata ad una prima fase di ossidazione in
difetto di aria rispetto a quella stechiometrica (aria primaria); si parla in questo caso di fase di
gassificazione, in cui si sviluppa un gas combustibile da bruciare in una camera secondaria, in cui è
introdotta aria secondaria per completare le reazioni ossidative (Dell’Antonia, 2011). Un altro aspetto
potenzialmente critico riguarda il fatto che le migliori condizioni di combustione si raggiungono in
qualunque impianto dopo un transitorio abbastanza lungo caratterizzato da elevate emissioni. E’ bene
quindi che in fase di progettazione si cerchi di realizzare un sistema con pochi arresti; nel caso di caldaie si
può prevedere un opportuno accumulatore di acqua calda che ne permette un funzionamento più regolare
[ENEA, 2009, 2010].
5.1 Energia termica per uso domestico individuale
Nel settore del riscaldamento delle abitazioni civili e degli impianti industriali di modeste dimensioni è da
tempo affermato l’impiego di biomasse lignocellulosiche, ciò grazie anche all’evoluzione tecnologica che ha
portato a raggiungere un rendimento prossimo al 90% nei migliori impianti (Ronchini, 2010).
Contestualmente è migliorato anche il controllo sulle emissioni. Cippato, pellet e bricchette, più facilmente
maneggiabili e stoccabili, hanno contribuito all’evoluzione del settore. La sostituzione degli impianti
domestici è in molte zone una operazione che richiede anni, per cui ancora oggi, in molte aree montane
italiane, la combustione della legna può comportare problemi ambientali locali non trascurabili.
5.2 Teleriscaldamento
Una rete di teleriscaldamento a biomassa distribuisce calore ad utenze solitamente mediante acqua calda.
Quest’ultima è normalmente prodotta in una centrale termica da alcune centinaia di kW ad alcuni MW e
circola in un circuito di tubature isolate. Ogni singola utenza servita deve sostituire le tradizionali caldaie
con scambiatori di calore, è indipendente dalle altre e paga solo il calore consumato (Ronchini, 2010). Un
aspetto critico delle proposte di teleriscaldamento riguarda la disponibilità di biomassa in loco (boschi,
terreni di coltura, segherie). L’impianto è costituito da alcuni elementi quali: area di stoccaggio biomasse;
pretrattamento per la riduzione della pezzatura e dell’umidità; linea di alimentazione; combustore;
abbattitore di polveri (negli ultimi impianti è obbligatorio per il ruolo in termini di impatto ambientale
locale); unità di trattamento acqua di alimentazione caldaia e circuito di teleriscaldamento.
Vantaggi:
Minor inquinamento locale (grazie al controllo centralizzato)
Maggiore efficienza energetica
5
Maggiore sicurezza, dato che la combustione avviene nell'impianto di teleriscaldamento e non a
livello domestico
Comodità per l’utente, che deve solo regolare la temperatura sul proprio termostato
Svantaggi:
Impatto paesaggistico e ambientale dell'impianto e del trasporto non sempre accettati
Tempi di realizzazione della rete di distribuzione
Disagi locali da lavori per la realizzazione della rete
Stoccaggio potenzialmente pericoloso
Da non trascurare la necessità di approfondimenti per garantire un dimensionamento dell’impianto (in
particolare del sistema di trattamento fumi e dell’altezza del camino) in grado di rendere trascurabile
l’impatto ambientale locale.
5.3 Energia termica ad uso industriale
Esistono casi in cui gli scarti lignocellulosici di alcuni settori industriali sono di poco diversi dalla legna
vergine. Sulle problematiche relative a questo settore sarà dedicata una parte di un successivo documento.
Deve invece essere sottolineato che nel caso di scarti legnosi classificati come rifiuti non è possibile
utilizzarli in combustori industriali che non siano stati autorizzati ai sensi della normativa sulla combustione
dei rifiuti (con le relative implicazioni di costi impiantistici per rispettarla). La valorizzazione degli scarti
lignocellulosici è quindi di sicuro interesse ma deve essere chiaramente inquadrato il contesto normativo.
5.4 Energia elettrica
La tecnologia più usata per la produzione di energia elettrica da biomasse legnose è la combustione diretta
in caldaia per la produzione di vapore; tale vapore è introdotto in una turbina accoppiata ad un alternatore.
Un ciclo di questo tipo è economicamente sostenibile solo per impianti che prevedano una soglia minima
dell’ordine di 1 MWe (Ronchini, 2010); ne consegue un consumo minimo di biomassa molto elevato (circa
25 t/d). Il rendimento elettrico con questa taglia è dell’ordine del 20-25%, da cui la necessità di agire in co-
generazione sfruttando anche il recupero del calore di processo, che però risente spesso della stagionalità
della richiesta.
6 Emissioni gassose da combustione di biomassa
La biomassa ha caratteristiche fisiche e composizione chimica sostanzialmente differenti da quelle delle
fonti energetiche convenzionali (Khana et al., 2008; Obernberger et al., 2006). Le emissioni di inquinanti da
combustione possono dipendere da: a) Combustibile - può contenere sostanze inquinanti che rimangono
inalterate o sostance che si trasformano in inquinanti; b) Combustione - tipiche sostane da combustione
6
incompleta sono: monossido di carbonio (CO), composti organici volatili non metanigeni (NMVOC),
idrocarburi policiclici aromatici (IPA), diossine e furani (PCDD/F), carbonio organico totale (TOC), particolato
(PM) e idrocarburi incombusti (CXHY)); da una combustione si può anche avere formazione di ossidi di azoto
di origine termica (causati da una alta temperatura di fiamma). In tutto ciò l’eccesso d’aria gioca un ruolo
fondamentale (Obernberger et al., 2006).
6.1 Anidride carbonica
Le emissioni di CO2 da ossidazione di biomassa sono considerate a impatto nullo in termini di gas serra: il
carbonio ossidato è infatti precedentemente assorbito dalle piante per produrre un analogo quantitativo di
materiale organico mediante il processo di fotosintesi (Obernberger et al., 2006). Da qui nasce l’interesse
per la combustione di biomassa (Van Loo and Koppejan, 2012).
6.2 Monossido di carbonio
Il monossido di carbonio è un prodotto intermedio della combustione di biomassa. Il fattore principale che
influenza la trasformazione di CO in CO2 è la temperatura nella camera di combustione. Il CO è utilizzato
come indicatore della qualità della combustione, più facilmente controllabile in grossi impianti (Johansson
et al., 2004). Diversi studi scientifici hanno dimostrato che la concentrazione di CO rimane stabile ad una
temperatura di 600-700°C (Ndiema et al., 1998; Dell’Antonia, 2011).
6.3 Ossidi di azoto
Quando la temperatura di combustione è compresa tra 800-1.200°C gli ossidi di azoto sono
prevalentemente dovuti alla presenza di N nel combustibile. Importanti sono anche la concentrazione di
ossigeno e la temperatura nell’area di fiamma. Al contrario, i combustibili di origine fossile non hanno azoto
nella loro composizione chimica e quindi gli NOX che si formano durante la combustione dipendono da
reazioni tra l’azoto e l’ossigeno presente nell’aria ad temperature elevate, in genere <1300 °C (Obernberger
et al., 2006; Teixeira and Lora, 2004).
6.4 Protossido di azoto
I livelli misurati in emissione in vari impianti di combustione sono molto bassi ma; nonostante ciò,
contribuiscono all’effetto serra a causa dell’elevato fattore GWP (Global Warming Potential) del protossido
di azoto. Le emissioni possono essere ridotte grazie agendo sulle condizioni in cui avviene la combustione
(Van Loo and Koppejan, 2012).
6.5 Ossidi di zolfo
Dalla presenza di zolfo nella biomassa si forma principalmente SO2 (Ghafghazi et al., 2011). Una parte
considerevole dello zolfo rimane nelle ceneri (Van Loo and Koppejan, 2012). Le emissioni possono creare
problemi quando la sua concentrazione supera 0,2 %. Valori più alti possono dipendere da una
contaminazione chimica (Obernberger et al., 2006).
7
6.6 Composti del cloro
Il cloro contenuto nel legno è di in genere molto basso. Ciò non toglie che dalla combustione si formi acido
cloridrico (HCl). Grazie al successivo raffreddamento, parte del cloro condensa come sale. Esiste inoltre una
collaterale formazione di diossine e furani (PCDD/F) e altri composti organici cancerogeni. Un fattore di
emissione di PCDD/F indicativo è pari a circa 0,5 ngTEQ/MJ (EEA, 2010), non trascurabile in caso di grandi
impianti, ma comunque molto variabile nella realtà impiantistica. Il cloro evidenzia problemi di corrosione o
di emissione non trascurabile di acido cloridrico dal camino se la sua concentrazione supera 0,1% di
sostanza secca. La presenza di questo elemento può anche dipendere da una contaminazione chimica
(Obernberger et al., 2006).
6.7 Particolato
Le emissioni di particolato sono primarie (direttamente emesse) e secondarie (da reazioni tra gas in
atmosfera). Le ceneri volanti sono il risultato del trascinamento sia delle ceneri nei fumi, sia dei sali che si
formano dalle reazioni tra metalli con cloro e zolfo (Aureli, 2014). La maggior parte delle specie refrattarie
(come Ca, Mg e Si) forma composti di particelle di grande diametro, che, rimanendo sulla grata di
combustione, formano un fondo di cenere (Aureli, 2014). La parte rimanente è trascinata nei gas di
combustione e costituisce la frazione più grossolana delle ceneri volanti (1-100 μm). Elementi quali K, Na, S,
Cl, Zn, Pb condensano sulle ceneri volanti in misura maggiore al diminuire della taglia delle particelle: nelle
particelle più piccole infatti c’è una maggiore superficie specifica.
Le particelle con diametro maggiore di 5 μm sono intercettabili in cicloni, la cui efficienza però è abbastanza
grossolana, mentre le particelle indicativamente di diametro minore di 1 μm richiedono filtri elettrostatici
(Dell’Antonia, 2011; Obernberger et al., 2006).
La Provincia Autonoma di Trento ha da qualche anno intrapreso una iniziativa per co-finanziare elettrofiltri
domestici da applicare nei camini di impianti a legna. Dal punto di vista sanitario il PM10 (particolato con
diametro rappresentativo inferiore a 10 μm) include una frazione in grado di raggiungere la parte superiore
dei polmoni (polveri inalabili), mentre il PM2,5 (diametro inferiore a 2,5 μm) è in grado di penetrare più in
profondità e include una frazione che può raggiungere la regione alveolare (polveri respirabili). I
meccanismi che portano alla formazione di particolato grossolano e particolato fine (aerosol) durante la
combustione di legna vergine sono stati oggetto di numerosi approfondimenti anche in tempi recenti
(Aureli, 2014; Ghafghazi et al., 2011; Obernberger et al., 2006).
Da sottolineare infine che i fattori di emissione di polveri totali per la combustione domestica della legna
sono in certi casi simili a quelli del carbone, a ribadire l’importanza della ottimizzazione di questo settore
(EEA, 2004).
8
6.8 Metalli pesanti
La legna, anche se vergine, contiene metalli pesanti (rame, piombo, cadmio, mercurio, ecc.) che possono
rimanere nelle ceneri o evaporare e possono anche legarsi alle particelle emesse in atmosfera. Il loro
contenuto varia significativamente anche in funzione del terreno di origine della biomassa, con ovvie
conseguenze sulle emissioni al camino.
6.9 Metano
Le emissioni di CH4 (importante gas climalterante) dipendono da una temperatura di combustione troppo
bassa, dal tempo di permanenza se troppo breve o da una scarsa presenza di ossigeno (Van Loo and
Koppejan, 2012).
6.10 Composti organici volatili non metanici
Sono inclusi gli idrocarburi eccetto il metano, gli IPA e altri idrocarburi non volatili che condensano
formando particolato. Sono prodotti intermedi. Come per il CO, le emissioni di NMVOC dipendono da una
temperatura di combustione troppo bassa, Da un tempo di permanenza eccessivamente breve o da una
limitata presenza di ossigeno (Van Loo and Koppejan, 2012).
6.11 Idrocarburi Policiclici Aromatici
Gli IPA sono analizzati separatamente dagli altri idrocarburi per tener conto del loro effetto sulla salute.
Sono prodotti intermedi della conversione del carbonio e dell’idrogeno presenti nel combustibile.
Analogamente al monossido di carbonio, le emissioni di IPA sono il risultato di una bassa temperatura di
combustione, di un tempo di permanenza eccessivamente breve o di una non adeguata presenza di
ossigeno (Van Loo and Koppejan, 2012).
7 Dati sperimentali sulle emissioni
Gli apparecchi più studiati in letteratura sono distinguibili nelle seguenti tipologie:
Caminetto aperto (richiede un eccesso d’aria molto elevato ed ha una bassa efficienza)
Caminetto chiuso (sono presenti dispositivi per la regolazione dell’aria)
Stufe a legna (a focolare chiuso; le stufe tradizionali sono generalmente del tipo ad alimentazione
di aria dal basso; ne consegue una minore qualità della combustione e una maggiore generazione di
inquinanti)
Stufe a pellet (ad alimentazione automatica e generalmente dotati di dispositivi per la regolazione
automatica dell’aria; sono una delle tecnologie con gli standard di emissione migliori)
Caldaie (alimentate a legna o a pellet)
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I valori di NOx misurati in varie sperimentazioni appaiono in genere nel range 100-150 mg/m3
indipendentemente dalla tecnologia utilizzata, mentre notevoli sono le variazioni di concentrazione di PM
(Van Loo and Koppejan, 2012). Le emissioni delle stufe a pellet sono confrontabili con quelle di un
bruciatore ad olio combustibile (Saccani et al., 2014). Però le emissioni da combustione di olio combustibile
non sono trascurabili, da cui la necessità di ottimizzare la filiera (tipo di legna, processo di combustione,
modalità di emissione).
8 Aspetti ambientali della combustione domestica
La combustione della biomassa può essere descritta suddividendo le diverse fasi che si sviluppano con il
progressivo aumento della temperatura (Faravelli et al., 2006): essiccamento, devolatilizzazione,
combustione in fase gassosa, combustione del residuo solido carbonioso (char). Tali fasi possono avvenire
simultaneamente in varie zone della camera di combustione (Galante, 2013). Il transitorio di avviamento e
condizioni di basso carico sono particolarmente critici per le emissioni. E’ importante sottolineare che in
alcuni Paesi è obbligatorio dotare la caldaia di un serbatoio di stoccaggio dell’acqua calda per disaccoppiare
la richiesta dell’utenza, intermittente e non costante, dalle condizioni di funzionamento della caldaia
(Nussbaumer, 2010). Anche la fase finale della combustione è critica, con alte emissioni di materiale
particolato e CO; ciò dipende anche dalla tipica azione di chiusura della valvola dell’aria per fare durare di
più la combustione (Galante, 2013). Meno rilevante è in fase finale l’emissione di idrocarburi, in quanto
volatilizzati principalmente nelle fasi precedenti (Keltz et al., 2010). Altri inquinanti derivano dalle sostanze
contaminanti presenti nella biomassa (Nussbaumer, 2003). Gli ossidi di azoto provengono generalmente da
processi che coinvolgono l’azoto presente nel combustibile, per via delle temperature non troppo elevate
raggiunte in fase di combustione. L’azoto è intorno allo 0,5% in peso del combustibile, riferito alla sostanza
secca (Galante, 2013). Questo aspetto ne smorza le emissioni (prima di qualunque eventuale trattamento)
rispetto ad altri combustibili.
8.1 Influenza delle caratteristiche della legna
Le caratteristiche del combustibile in relazione alla quantità e qualità delle emissioni sono state oggetto di
numerosi studi (Hays et al., 2003; Purvis et al., 2000; McDonald et al., 2000); una sintesi si può trovare in
Galante (2013); diversi studi hanno approfondito il ruolo dell’umidità con riferimento alle emissioni; ad
esempio Hays et al. (2003) hanno individuato una correlazione lineare tra umidità e massa di PM2.5 emessa,
risultati confermati da Gras et al. (2002). Grazie alla stagionatura di 2 anni, in Europa centrale si ottengono
valori di umidità inferiori al 10% (Schmidl et al., 2011), prossimi alla minima umidità che la legna può
raggiungere con tale pratica: di conseguenza molti degli studi realizzati in tali aree usano legna molto secca,
a differenza per esempio degli Stati Uniti dove si utilizzano essenze più umide. In letteratura sono
disponibili alcune ricerche che hanno confrontato le emissioni di varie essenze legnose (Faravelli et al.,
10
2006, Fine et al., 2001, Fine et al., 2002, Schmidl et al., 2007); tuttavia non è semplice correlare i tipi di
legna a specifici livelli emissivi.
8.2 Caratteristiche del particolato emesso
Le emissioni di polveri sono maggiori in fase di avvio dell’impianto. Negli impianti tradizionali si registrano
anche concentrazioni di un ordine di grandezza superiore a quelle della combustione a regime
(Nussbaumer et al., 2008). Per l’80-90% in particolato è composto da particelle fini inferiori a 2,5 μm
(Ehrlich et al., 2007; EEA, 2010). In letteratura alcune fonti (Bolling et al., 2009) classificano il particolato in:
particolato inorganico (costituito da sali), fuliggine (chiamata soot in inglese) e composti organici
semivolatili. La loro presenza varia in funzione delle condizioni di combustione: eccesso d‘aria e
concentrazione di CO (Nussbaumer and Lauber, 2010).
Il particolato inorganico, per la maggior parte composto da sali, è la componente prevalente nel particolato
emesso a regime dagli apparecchi automatici più moderni (stufe e caldaie a pellet), dove si realizzano
condizioni di combustione completa. La fuliggine è l’emissione tipica delle condizioni di cattiva combustione
(cattiva miscelazione o carenza di aria) a temperatura sufficientemente elevata, accompagnate da alti livelli
di emissioni di monossido di carbonio, ed è essenzialmente costituita da carbonio elementare in forma
grafitica (Galante, 2013). Questa frazione del particolato è chiamata anche ‘black carbon’ ed ha un
importante ruolo per i suoi effetti climalteranti. I composti organici semivolatili sono presenti soprattutto in
fase di avvio e di spegnimento dell’impianto: in questi casi la sostanza organica volatilizzata non è
completamente combusta per cui si formano prodotti carboniosi organici condensabili (COC).
8.3 Influenza della modalità di campionamento del particolato
Il contributo delle sostanze condensabili al particolato misurato è influenzato dalle condizioni di
campionamento: il passaggio di stato dalla fase gassosa alla fase particolata dipende infatti dalla
temperatura e della pressione parziale delle specie semivolatili coinvolte (Galante, 2013). In ambito
europeo la norma tecnica specifica, ratificata anche in Italia (UNI CEN/TS 15833) riporta alcune
metodologie di misura sulla base di norme nazionali e quindi non è univoca. Si distinguono comunque due
principali approcci: campionamento a caldo (mediante filtri preriscaldati, non misura le particelle organiche
condensabili) e campionamento a diluzione a freddo (su filtro dal flusso diluito mediante tunnel di
diluizione, comprende le particelle derivanti dal materiale organico condensabile). E’ stato dimostrato
(Nussbaumer and Klippel, 2008) come la differenza tra i diversi metodi è più marcata per i piccoli impianti
di combustione, che generano elevate emissioni della frazione condensabile a causa delle condizioni di
funzionamento non ottimali. Addirittura, nelle condizioni reali meno favorevoli le emissioni misurate a
freddo possono essere fino a un ordine di grandezza in più di quelle misurate a caldo.
11
8.4 Emissioni di polveri ultrafini
Negli ultimi anni sono state numerose le ricerche su impianti per riscaldamento civile a biomassa di piccola
potenzialità (Cernuschi et al., 2010; Ozgen et al., 2012). Tali studi hanno dimostrato che esiste un
contributo significativo di polveri ultrafini, inferiori a 100 nm, al numero totale di particelle emesse. Si parla
di numero e non di massa in quanto per diametri così piccoli la massa perde di significato anche se
considerata nel complesso delle polveri ultrafini presenti in un campione. Confrontando la combustione di
pellet in un impianto a tecnologia avanzata e quella di ciocchi di legna in un caminetto chiuso, il fattore di
emissione in termini di numero di particelle per kg di legna è simile, ma è particolarmente differente se si
considera la granulometria e in particolare la frazione nanoparticolata (il diametro caratteristico delle
nanoparticelle è inferiore a 50 nm) (Galante, 2013).
8.5 Aspetti tossicologici
Il ‘fumo da legna’ è una complessa miscela di gas e particelle fini ed ultrafini. Contiene oltre 200 specie
chimiche quasi tutte inalabili (Zelikoff et al., 2002); tra queste specie, oltre al particolato, si possono
individuare alcuni gruppi di sostanze chimiche classificate dall’IARC (International Agency for Research on
Cancer) come noti cancerogeni; ulteriori sostanze chimiche sono tra quelle indicate come pericolose
dall’EPA (Naeher et al., 2007). Pur conoscendo le problematiche dei singoli composti, resta da chiarire il
ruolo degli effetti sinergici delle diverse componenti; per agire in tale direzione si esamina la tossicità
complessiva dell’intera miscela. In questo ambito gli studi possono distinguersi in tre filoni (Galante, 2013):
studi sull’inquinamento outdoor;
studi sull’inquinamento indoor;
studi sulle fonti di emissione.
Gli studi sull’esposizione outdoor normalmente svolti analizzano gli effetti acuti dell’esposizione correlati a
livelli di fumo particolarmente elevati (Naeher et al., 2007): per la maggior parte tali studi valutano
l’esposizione degli addetti allo spegnimento di incendi boschivi (che causano effetti sull’apparato
respiratorio e sulla funzionalità polmonare).
A livello di inquinamento indoor devono essere distinti gli studi che riguardano il mondo industrializzato da
quelli relativi ai paesi in via di sviluppo (Galante, 2103). Notevole è infatti l’uso di biomasse a livello
domestico in paesi a basso reddito, soprattutto in apparecchi privi di sistemi di ventilazione (ovvero senza
camino di evacuazione dei fumi dagli ambienti domestici). Per comprenderne la rilevanza basta ricordare
che l’Organizzazione Mondiale della Sanità ha inserito l’inquinamento indoor causato da legna e carbone
tra i fattori di maggiore rischio ambientale, con milioni di morti premature. Sono segnalati inoltre effetti
quali irritazione oculare, cataratta, vari problemi respiratori e il basso peso dei bambini alla nascita
(correlato alla presenza di monossido di carbonio nell’ambiente domestico). Deve essere sottolineato che il
12
problema non riguarda solo le aree povere del Pianeta (Delgado et al., 2005), infatti anche nei Paesi
industrializzati numerosi studi epidemiologici (Naeher et al., 2007) hanno evidenziato effetti da
inquinamento indoor: affezioni respiratorie, decrescita della funzionalità polmonare, aumento delle visite
di emergenza e delle ospedalizzazioni (Galante, 2013). Orozco-Levi et al. (2006) hanno trovato, in Spagna,
una significativa correlazione tra l’utilizzo di legno o carbonella e le malattie polmonari ostruttive croniche
(COPD). In Canada, Levesque et al (2001) hanno evidenziato che in ambito indoor si riscontrano criticità da
presenza di formaldeide, biossido di azoto, PM10 e monossido di carbonio. In Svezia (Gustafson et al., 2008)
sono stati misurati gli idrocarburi policiclici aromatici presenti all’interno ed all’esterno di varie abitazioni,
riscontrando valori quattro volte superiori nel caso di utilizzo di biomassa. Anche la combustione di una
sigaretta è di fatto una combustione di biomassa. E’ perciò interessante rilevare che, negli Stati Uniti, uno
studio epidemiologico ha analizzato una popolazione di forti fumatori – riscontrando come la presenza di
COPD sia statisticamente superiore tra chi utilizza apparecchi per la combustione di biomassa (Sood et al.,
2010).
Una recente review (Kim et al., 2011) ha sintetizzato le informazioni relative ai danni alla salute da utilizzo
non ottimizzato di biomasse (in particolare legna) per le attività di cucina, evidenziando quanto segue
(Galante, 2013):
Malattie respiratorie acute specialmente nei bambini, generalmente nei paesi in via di sviluppo
(ma non solo); i casi di otite nei bambini sono influenzati dalla presenza di stufe a legna nelle
abitazioni;
Associazione tra uso di biomasse e bronchite cronica e/o COPD;
Influenza sulla velocità dell’infezione da tubercolosi;
Influenza dell’utilizzo di combustibili solidi (più il carbone della legna) sul cancro ai polmoni;
Basso peso alla nascita dei neonati a causa del monossido di carbonio
Irritazione oculare e cataratta.
L’International Agency of Research on Cancer (IARC, 2010) che ha definito le emissioni indoor dalla
combustione di biomassa legnosa come ‘probabili cancerogeni per l’uomo’, sulla base di tre elementi:
a) presenza di idrocarburi policiclici aromatici ed altri composti cancerogeni nel fumo da combustione
della legna
b) evidenze sulla mutagenicità
c) danni citogenetici negli esseri umani esposti.
Come segnalato, l’influenza sul cancro ai polmoni è meno evidente di quella riscontrata nel caso del
carbone (Galante, 2013).
13
Una particolare ricerca ha considerato l’utilizzo di forni a legna nelle pizzerie (Buonanno et al., 2010),
misurando numero, area superficiale e concentrazione di polveri ultrafini all’interno di pizzerie; ne è
risultato che i parametri sono simili a quelli di altri microambienti critici, quali le zone in prossimità di grandi
arterie stradali. Il sistema di ventilazione dei forni delle pizzerie gioca un ruolo fondamentale
nell’esposizione di operatori e clienti.
Gli effetti della combustione della legna sono stati analizzati anche comparativamente. E’ il caso di uno
studio svizzero (Klippel and Nussbaumer, 2007) in cui il confronto in termini di tossicità e potere mutageno
su cellule polmonari in vitro ha riguardato polveri provenienti da un auto diesel e da una stufa in condizioni
di combustione completa e incompleta. La tossicità delle polveri da diesel è risultata 5 volte più alta di
quella da polveri da combustione completa della legna; a sottolineare la criticità della combustione di bassa
qualità, il particolato dalla combustione incompleta è risultato contenere livelli di idrocarburi policiclici
aromatici venti volte superiori a quelli del diesel con un conseguente livello di tossicità 15 volte superiore.
Un’altra ricerca (Jalava et al., 2010) ha indagato l’influenza delle condizioni di combustione sull’attività
citotossica ed infiammatoria del particolato: il particolato prodotto in caso di combustione incompleta,
ovviamente caratterizzato da una maggiore presenza di composti organici, è risultato avere un potere
citotossico ed infiammatorio più marcato.
Una ricerca riguardante una particolare caldaia usata nei Paesi scandinavi, effettuata con la medesima
metodologia, si è occupata delle differenze (immunotossiche e citotossiche) tra il particolato generato da
una caldaia a pellet e quello da un masonry heater – caldaia ad accumulo tipica dei paesi scandinavi
(Tapanainen et al., 2011): La combustione meno efficiente del masonry heater è risultata associata ad una
maggiore genotossicità, per l’alta concentrazione di IPA e di altri composti organici presenti nel particolato.
Un ulteriore studio ha evidenziato come uno dei possibili meccanismi di generazione del danno da
particolato sia correlabile allo stress ossidativo prodotto dalla presenza di radicali liberi (Tian et al., 2009).
Miljevic et al. (2010) hanno studiato la presenza di specie reattive ossigenate; a tal fine hanno utilizzato una
sonda che diventa fluorescente in presenza di elevata attività redox, risultata più marcata nel caso di avvio
della combustione a freddo rispetto ad un avvio a caldo.
Sempre in tale ambito, Danielson et al. (2011) hanno studiato lo stress ossidativo, i danni al DNA e le
infiammazioni indotte su cellule polmonari e monociti umani da tre campioni di PM. Anche in questo caso,
per quanto riguarda le emissioni da legna, si è concluso che queste hanno un elevato contenuto di IPA con
effetti potenzialmente non trascurabili.
Ulteriori approfondimenti si possono trovare in Galante (2013).
14
8.6 Emissioni climalteranti
La combustione di biomassa non è del tutto neutra in quanto ad effetti climalteranti (Galante, 2013).
Alcune emissioni sono infatti legate alla filiera di produzione della legna: ad esempio a causa del trasporto
dalla produzione al punto di consumo. Un recente studio (Caserini et al., 2010) ha mostrato che tale
contributo è poco rilevante, anche se la legna è trasportata su gomma da notevoli distanze. Anche le
emissioni generate durante la produzione del pellet hanno un ruolo modesto. Diverso è il caso delle
emissioni da cattiva combustione: la legna da ardere emette metano, importante gas climalterante, oltre a
fuliggine, meglio indicata come black carbon (BC), che ha un fortissimo potere climalterante (circa 500 volte
quello dalla CO2) ancora più marcato sul breve periodo (Bond et al., 2004). Nei Paesi della Convenzione sul
Trasporto Transfrontaliero di Inquinanti a Lunga Distanza (Ad-Hoc Expert Group on Black Carbon, 2011) è
stato stimato che il contributo del settore residenziale alle emissioni di black carbon è intorno al 30% delle
emissioni complessive. Non deve esse inoltre dimenticato il particolato inorganico emesso, con effetto
ancora non univocamente definito per l’atmosfera, ed il brown carbon, ovvero un aerosol organico
originato da composti organici volatili e da sostanze umiche (Galante, 2013). Da notare infine che se si
considerano le emissioni di un camino aperto, o di una stufa a bassa efficienza, con alte emissioni di BC e
CH4, la combustione della legna può avere un effetto negativo addirittura anche dal punto di vista delle
emissioni climalteranti (Galante, 2013). Al contrario, per apparecchi a basse emissioni (come le stufe a
pellet) il bilancio della CO2 resta favorevole. E’ fondamentale quindi ottimizzare la filiera di valorizzazione
della legna.
9 Riduzione delle emissioni
L’utilizzo della biomassa a fini energetici è incentivato nella maggior parte dei Paesi sviluppati, per via della
loro natura rinnovabile. I livelli emissivi attualmente riscontrabili negli impianti in esercizio sono però
considerati in chiaro confitto con gli obiettivi di una corretta gestione della qualità dell’aria (Nussbaumer,
2010). Si possono al riguardo distinguere due filoni di lavoro: l’ottimizzazione del processo di combustione
e l’introduzione di dispositivi per l’abbattimento degli inquinanti.
9.1 Ottimizzazione del processo
La geometria della camera di combustione e le caratteristiche dei sistemi di alimentazione dell’aria giocano
un ruolo fondamentale. La fluidodinamica computazionale consente di sviluppare le innovazioni
minimizzando l’utilizzo di test di laboratorio (Brunner et al., 2011).
Le possibili strategie di riduzione possono essere riassunte nel modo seguente (Galante, 2013):
Per minimizzare le emissioni di ceneri volanti grossolane, è possibile mantenere bassa la velocità
dei flussi gassosi sul letto di combustione (ottimizzando la geometria della griglia e i sistemi di
15
alimentazione dell’aria primaria). In alternativa si possono prevedere punti di riduzione della
velocità dei fumi, oppure variazioni di direzione del flusso a valle della camera di combustione, per
consentire una precipitazione delle ceneri;
Per diminuire le emissioni di particolato inorganico si può ridurre la temperature sul letto di
combustione, oppure agire con appositi additivi;
Per ridurre le emissioni di particolato organico si può rendere la fase di accensione più breve
possibile; occorre al riguardo una parzializzazione degli afflussi d’aria e l’adozione di sistemi
automatici di controllo del processo.
In letteratura (Brunner et al., 2011) si indica come livello emissivo relativo alle migliori tecnologie sul
mercato un intervallo tra 20 e 50 g/GJ di PM. Questi valori possono essere ridotti dell’80% nel caso degli
impianti automatici e del 50% nel caso degli impianti alimentati manualmente. Una ulteriore frontiera di
sviluppo riguarda i sistemi di gassificazione di piccola taglia , considerati però ancora in fase pre-
commerciale (Jokkiniemi, 2011); in scala di laboratorio si è scesi a 2 g/GJ di PM.
9.2 Dispositivi di rimozione del particolato
La gestione delle emissioni da combustione della legna può essere di tipo preventivo e depurativo.
Appartengono al secondo caso i sistemi di abbattimento da posizionare a valle. Tra quelli considerati
tecnicamente ed economicamente fattibili per i piccoli impianti vi sono i catalizzatori e i precipitatori
elettrostatici, di seguito brevemente descritti.
I catalizzatori operano garantendo l’ossidazione dei composti organici presenti nei fumi di combustione. Se
non ci sono dispositivi specifici l’ossidazione di per sé ha bisogno di una temperatura di almeno 540 °C per
completarsi; una tale temperatura è difficile da raggiungere all’esterno della camera di combustione
(Galante, 2013). Posizionando un catalizzatore a valle della camera di combustione è possibiel abbassare
tale temperatura. I catalizzatori sono realizzati con un supporto ceramico estruso e con una configurazione
a celle o ad alveare. Non tutto il materiale è catalizzante, per ragioni di costo; si opera infatti ricoprendo la
superficie con un sottile strato di platino, rodio o palladio, da gestire opportunamente mediante periodiche
pulizie. I catalizzatori sono molto diffusi negli Stati Uniti e solo da tempi redenti in Europa.
Nei precipitatori elettrostatici domestici l’elettrodo è in genere collocato al centro della canna fumaria. La
tensione generata opportunamente provoca la ionizzazione delle particelle, che quindi si depositano lungo
il camino eventualmente su specifiche superfici aggiunte per facilitarne l’adesione. La rimozione delle
particelle depositate può avvenire a seconda dei casi (Galante, 2013):
Previa rimozione dell’elettrodo ai fini della pulizia;
Tramite un sistema vibrante, oppure rimozione meccanica o ancora insufflazione di aria.
16
Il sistema può essere dotato di una presa d’aria per il raffreddamento dell’elettrodo. Alcuni modelli
prevedono una sonda di regolazione che attiva l’elettrofiltro a seconda della temperatura (per esempio
oltre i 60°C).
Da segnalare che alcuni scambiatori sono configurati anche con lo scopo di favorire la precipitazione del
particolato.
La presenza di dispositivi sul mercato è cresciuta negli ultimi anni, ma resta difficile accedere a
documentazione tecnica non commerciale.
Una ricerca svolta in Svizzera (Okozentrum Langenbruck, 2006) ha constatato sugli impianti a carica
manuale rendimenti di rimozione del particolato del 76%, mediante elettrofiltro, nella fase centrale del
processo di combustione, con valori peggiori nella fase iniziale e finale.
Un altro lavoro svolto presso l’Università di Trento (Baggio et al., 2008), ha testato l’efficienza
dell’elettrofiltro Zumikron, tra i primi presenti sul mercato europeo. Le percentuali di abbattimento sono
state intorno all’80% in fase di combustione stazionaria; da segnalare che un limite degli elettrofiltri è
proprio il calo di prestazioni in condizioni di combustione non ottimali (Nussbaumer e Lauber, 2010).
IEA Bioenergy (2011) ha sottoposto a prove di laboratorio 19 apparecchiature, per la maggior parte
precipitatori elettrostatici (ESP). Un problema riscontrato è la difficoltà nel riferirsi a standard di misura
comuni. Infatti, diverse circostanze possono influenzarne il valore (Galante, 2013):
Alcuni filtri sono posizionati calandoli nei comignoli che fuoriescono dal tetto delle abitazioni: il
conseguente raffreddamento dei fumi influenza l’efficienza; questa condizione non è facile da
riprodurre in laboratorio;
L’uso di flussi d’aria per la pulizia degli elettrodi può causare un raffreddamento dei fumi
producendo ulteriore particolato per adsorbimento dei composti organici su quello già presente
Le migliori performance sono state quelle correlate a filtri di tipo elettrostatico, con efficienze tra il 50 e
l’85%. I sistemi catalitici normalmente hanno il difetto di non essere operativi in fase di combustione
iniziale, a causa delle basse temperature.
I filtri ceramici installati nella camera di combustione non sono verificabili in termini di efficienza, perché
non è possibile effettuare il prelievo a monte del filtro.
In Danimarca l’Agenzia di Protezione dell’Ambiente ha recentemente supportato la valutazione di nove
dispositivi per la rimozione del particolato da combustione in impianti a biomassa (Schleicher, 2011). I
risultati hanno evidenziato, limitatamente agli elettrofiltri, riduzioni molto limitate per le emissioni di
composti organici ed alcune criticità in merito alle granulometrie più fini (<0,1 um) che in certi casi possono
aumentare; infatti in fase di raffreddamento dei fumi, le particelle organiche anziché condensare sul
17
particolato di granulometria maggiore, che viene rimosso dall’elettrofiltro, possono formare particolato di
granulometria inferiore (Galante, 2013). Altri problemi pratici evidenziati: necessità di una canna fumaria in
metallo, rumorosità dell’apparecchio.
Per quanto riguarda i problemi del catalizzatore, deve essere segnalato che le prestazioni più elevate si
ottengono se si prevedono frequenti interventi di pulizia. La loro applicabilità può essere difficile anche per
problemi di pressione: sono necessari anche 10 m di canna fumaria per raggiungere i valori necessari. E?
stato segnalato anche un potenziale problema di blocco del flusso di gas nella canna fumaria, ad opera del
catalizzatore, con conseguenti problemi di sicurezza.
Nel complesso quindi è importante valutare comparativamente anche l’opzione di sostituire un combustore
vecchio con uno nuovo ad elevate prestazioni, piuttosto che operare con una rimozione a valle.
In un altro lavoro (Nussbaumer e Lauber, 2010) l’efficienza di un precipitatore elettrostatico è stata testata
in laboratorio per diversi tipi di particelle (sali, fuliggine, composti organici condensabili): solo i sali hanno
dimostrato avere caratteristiche ideali per la rimozione.
Un ulteriore lavoro (Meyer et al., 2009) si è occupato del ruolo delle particelle cariche nell’influenzare il
funzionamento dei sistemi di misurazione.
In Bologa et al. (2009) è stata valutata l’influenza delle fasi di combustione sugli elettrofiltri. Soprattutto in
caso di alimentazione manuale, ogni nuova aggiunta di legna causa un aumento del numero di particelle ed
un conseguente effetto corona, che limita l’efficienza per alcuni minuti.
Tornando ai sistemi catalitici, Hukkanen et al. (2012) hanno rilevato un 30% di riduzione del PM1 sull’intero
di ciclo di combustione per uno specifico dispositivo. Da segnalare però che l’apparecchio scelto (stufa da
sauna) ha una temperatura dei fumi particolarmente elevata, quindi adatta all’uso del catalizzatore.
Un recente studio realizzato in Francia su un combustore di condizioni nominali (Le Dreff – Lorimier et al.,
2012) ha stimato l’efficienza di rimozione del particolato da parte di un elettrofiltro pari a 75%.
Ulteriori approfondimenti possono essere trovati in Galante (2013).
10 Riferimenti normativi italiani per l’emissione di fumi di combustione
L’approccio normativo si basa sul contenimento della quantità di inquinanti emessi, spesso solo riferiti alle
concentrazioni al camino. Per grandi impianti è opportuno che le verifiche siano fatte anche in termini di
flussi di inquinanti e con adeguata attenzione al ruolo di diluzione degli inquinanti emessi dato dal camino.
Secondo il Decreto Ambientale 152 del 3 aprile 2006 i valori limite delle emissioni nei fumi durante la
combustione di biomasse solide sono i seguenti (per impianti nuovi o recentemente autorizzati dal 2002, i
valori di emissione vanno riferiti ad un tenore di ossigeno nell'effluente gassoso dell'11%): per impianti
18
superiori a 20MW il limite delle polveri totali è 30 mg/Nm3, quello per gli ossidi di azoto (espressi come
NO2) è 400 mg/Nm3. Per impianti tra 150 kW e 3 MW i limiti salgono a 100 e 500 rispettivamente. Non sono
perciò previste limitazioni con potenze termiche inferiori ai 35 kW. Inoltre, per le caldaie con potenze
comprese tra 35 e 150 kW la legge prevede delle limitazioni solo per i valori delle polveri totali (200
mg/Nm3). Sarebbe invece opportuna la commercializzazione di caldaie vincolate a classi di qualità a partire
da impianti di piccola taglia.
11 Emissioni solide
Il comportamento delle ceneri in camera di combustione è un parametro da tenere in conto in quanto
influenza il potere calorifico della biomassa, aumenta i problemi dello smaltimento dei residui inorganici
della combustione e causano la formazione di depositi (Toscano et al., 2008).
11.1 Ceneri
Le ceneri sono costituite da specie alcaline, da metalli pesanti e da altri elementi. Le ceneri di piccole
dimensioni, in particolare, sono più volatili e quindi possono anche dare origine a particolato emesso al
camino. Il legno genera una bassa percentuale di ceneri, a differenza di altri tipi di biomasse.
11.2 Ceneri basso fondenti e fenomeni di sinterizzazione
Una delle maggiori criticità connesse ai residui della combustione è la formazione di ceneri basso fondenti.
Ciò avviene in particolare per alcuni tipi di biomasse per le quali la temperatura di inizio deformazione è
bassa (basso punto di fusione). Le criticità sono varie:
- Formazione di duri agglomerati (Paulrud et al., 2001);
- Particolato che sinterizza sugli scambiatori termici (Yin et al., 2008);
- Corrosione per la presenza di cloruri (Sippula, 2010; Khan et al., 2009; Bowie, 2006);
- Presenza di precursori che esaltano il fenomeno (Fernandez et al., 2006).
12 Conclusioni
Allo stato attuale, il comparto della combustione della legna, anche se vergine, può comportare importanti
impatti locali su ambiente e salute se non opportunamente gestito. La promozione di una strategia che
favorisca la sostituzione di vecchie caldaie con altre più tecnologiche e l’uso di legna pre-lavorata ad
esempio in forma di pellet è più importante di quanto si possa pensare; la visione acriticamente positiva
della legna come combustibile rinnovabile tende infatti a contrastare tale percorso. Per approfondimenti si
rimanda alla bibliografia di seguito riportata. Il presente documento, di carattere divulgativo, è da
intendersi come integralmente sostitutivo di una versione non definitiva precedentemente messa on-line.
19
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