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Ing. Roberta ROBERTO, PhDENEA TER [email protected]
C.R. ENEA di Santa Teresa, Lerici (SP), 29 maggio 2007
EnteEnte per le per le NuoveNuove tecnologietecnologie,,ll’’EnergiaEnergia e e ll’’AmbienteAmbiente
I generatori a biomassaper riscaldamento domestico:aspetti normativi, economici, ecologici,requisiti e standard di qualità
Definizione di fonte rinnovabile e biomassa
TER ENETER ENE--BIOBIOEfficienza energetica e soluzioni
impiantistiche innovativeSanta Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 2
Sommario
Caratterizzazione della biomassa legnosa
Impianti di combustione a biomassa
Emissioni inquinanti
Norme tecniche
biomassa: “la parte biodegradabile dei prodotti, rifiuti e residui provenienti dall'agricoltura (comprendente sostanze vegetali e animali) e dalla silvicoltura e dalle industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali e urbani”.
Direttiva 27 settembre 2001, 2001/77/CE, sulla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità.
fonti rinnovabili (Art. 2): “le fonti energetiche rinnovabili non fossili (eolica, solare, geotermica, del moto ondoso, maremotrice, idraulica, biomassa, gas di discarica, gas residuati dai processi di depurazione e biogas)”
Fonte rinnovabile e biomassa
TER ENETER ENE--BIOBIOEfficienza energetica e soluzioni
impiantistiche innovativeSanta Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 3
Chimico-fisica:lignina (C40H44O6), cellulosa ((C6H10O6)n), emicellulosa, estratti, ceneri
Analisi immediata (proximate):umidità, materia volatile, carbonio fisso e ceneri
Composizione elementare:umidità, C, H, O, ceneri, N, S, K, Na, Cl, etc.
Caratterizzazione della biomassa legnosa
TER ENETER ENE--BIOBIO
Potere calorifico [MJ/kg]:superiore (PCS), inferiore (PCI = PCS – calore condensazione acqua)
con riferimento: sul secco senza cenere (sssc), sul secco (ss), sul tal quale (stq)
Altre unità di misura: kcal/kg, kWh/kg, …Efficienza energetica e soluzioni
impiantistiche innovativeSanta Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 4
Caratteristiche di alcune biomasse legnose
Caratterizzazione della biomassa legnosa
TER ENETER ENE--BIOBIO
% in peso su sostanza secca biomassa
umidità materia volatile
carbonio fisso ceneri
PCI [MJ/kg]ss
legno 20,0 62,0 17,0 1,0 18,6 paglia di frumento 16,0 59,0 21,0 4,0 17,3 paglia d’orzo 30,0 46,0 18,0 6,0 16,1
* McKendry P. (2002), Energy production from biomass: Conversion technologies, Bioresource Technology
% su ss volatile biomassa C H O N S % ceneri
su ss PCI
[MJ/kg]ss
betulla 48,8 6,0 44,2 0,5 0,01 0,5 20,0 pioppo 49,8 5,9 44,4 0,6 0,04 1,9 18,3 paglia di frumento (Danimarca) 49,6 6,2 43,6 0,6 n.a. 4,7 18,6
miscanto (Italia) 49,5 6,2 43,7 0,6 n.a. 3,3 18,5 canna da zucchero (Italia) 49,5 6,2 43,8 0,5 n.a. 3,7 18,5
carbone bituminoso 73,1 5,5 8,7 1,4 1,7 9,0 27,2
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Caratterizzazione della biomassa legnosa
TER ENETER ENE--BIOBIO
Confronto tra combustibili legnosi(legna, briquettes, pellet, cippato)
massa volumica[kg/m3]
umidità [%]
PCI [kWh/kg]
ceneri [% in peso]
legna da ardere 600÷850 20 4,0 0,2÷0,5 briquettes > 900 < 15 4,6÷5,1 0,5÷1 pellet 1150÷1400 8÷12 4,7÷5,0 0,3÷1 cippato 30 3,1 0,2÷0,5
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Essiccazione: evaporazione dell’acquaFenomenologia della combustione
TER ENETER ENE--BIOBIO
)()( sCsfissocarbonio →
)()( gOHCsvolatilefraz cba→
)()( 22 gOHsOH vapliq →
Pirolisi e volatilizzazione: distillazione termica senza ossigeno
Gassificazione: reazioni omogenee e eterogenee con ossigeno libero e agenti ossidanti
Combustione: fiamma dei composti volatili in eccesso di ossigeno, con rilascio di calore
222 222 COOCOOC →+→+
( )( ) OHbCOaObaOHC cba 222 5.025.02 ⋅+⋅→⋅++
Particella diParticella dicombustibilecombustibile
Calore QCalore Q
Strato esterno
HH22OO
AmbienteAmbienteParticella diParticella dicombustibilecombustibile
Calore QCalore Q
Strato esterno
HH22OO
AmbienteAmbiente
Impianti di combustione a biomassa
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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La filiera della biomassa legnosa
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Impianti di combustione a biomassa
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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TER ENETER ENE--BIOBIO
Impianti di combustione a biomassa
Uso domestico(≤35 kW)
• caminetti• termo-caminetti• termo-cucine• stufe• boiler • forni• barbecue
Uso Termico(>35kW)
• caldaie• bruciatori
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Non sono impianti termici (nuova versione del decreto attuativo del 192)Non concorrono alla potenza complessiva di 35 kW per installazione in Centrale TermicaNon sono soggetti a controllo ai sensi del DPR 412/93 e ai fini della sicurezza degli impiantiPer gli impianti ad acqua calda possono essere anche a vaso chiuso (vedi UNI10412-2)
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Impianti di combustione a biomassa
Apparecchi a legno <35 kW
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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• Combustibili:Legno naturale: ciocchi, pellets e tronchetti pressatiAlimentazione continua solo con chips e pellets di legno
• Potenze termiche e rendimentiGlobale (apparecchi domestici di riscaldamento)Resa al fluido termovettoreProva di cottura per forni, barbecue e cucine
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Impianti di combustione a biomassa
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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• Caratteristiche tecniche e funzionalimodalità di alimentazione e caricagriglia e camera di combustionescambiatoresistemi di puliziaregolazioni automatichesonda lambda
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Impianti di combustione a biomassa
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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• EmissioniCO (imposto da norme di prodotto)NOx, Polveri, TOC (attualmente non previsti da EN)
• Impiantistica correlataSistema fumarioImpianto termico ad acqua (vaso aperto/chiuso)Impianto elettricoCompatibilità di installazione con altri apparecchi
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Impianti di combustione a biomassa
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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FUMI CO (monossido di carbonio)particolato solido (PM10, PM2.5, PM1)NOx (ossidi di azoto)SOx (ossidi di zolfo)TOC/PAH (Total Organic Carbon, PolyAromatic Hydrocarbon)
CENERI: contenuto in ossidi e metalli
ACQUE REFLUE nel caso di condensazione
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Emissioni inquinanti
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Emissioni inquinanti
POLVERI CO Regno Unito 5-8,33 g/h Austria 60 mg/Nm3 0,5-1,0 g/MJ Germania 150 mg/Nm3 0,6 %vol caldaie Norvegia 10-20 g/kg Italia 200 mg/Nm3 caldaie EPA 7,5 g/h EN - mg/Nm3 0,3-1 %vol * dati CTI
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Emissioni inquinanti
PMtotali NOx COVg/GJ mg/Nm3 g/kg g/GJ mg/Nm3 g/GJ mg/Nm3
camino aperto 500,00 522,45 7,50 70,00 73,14 5.600,00 5.851,43stufa tradizionale 200,00 208,98 3,00 70,00 73,14 1.100,00 1.149,39caldaia e stufa innovativa 150,00 156,73 2,25 60,00 62,69 550,00 574,69 BAT a legna 70,00 73,14 1,05 70,00 73,14 110,00 114,94 BAT a pellet 30,00 31,35 0,45 60,00 62,69 60,00 62,69
CO SO2 IPA PCDD/Fg/GJ mg/Nm3 g/GJ mg/Nm3 mg/GJ mg/Nm3 ng/GJ ng/Nm3
camino aperto 5.600,00 5.851,43 13,00 13,58 250,00 261,22 170,00 177,63 stufa tradizionale 5.600,00 5.851,43 13,00 13,58 200,00 208,98 170,00 177,63 caldaia e stufa innovativa 2.300,00 2.403,27 13,00 13,58 100,00 104,49 30,00 31,35 BAT a legna 1.100,00 1.149,39 13,00 13,58 1,00 1,04 - - BAT a pellet 620,00 647,84 13,00 13,58 1,00 1,04 - -
* dati CTI
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Emissioni inquinanti
STUFEPellet faggio 2Pellet faggio 3 LIMITI
PM totale mg/Nm3 97,55 85,47 200CO mg/Nm3 764,18 305,83 350NO2 totale mg/Nm3 525,69 198,62 500SO2 mg/Nm3 17,07 28,95 200HCl mg/Nm3 13,02 1,68 5HF mg/Nm3 0,00 0,97 5THC idrocarburi incombusti mg/Nm3 14,85 5,21 30
Potenza termica al focolare kW 4,30 10,70 Rendimento al focolare η 63,40 76,80 70potere calorifero inferiore MJ/kg 17,10 17,10
Condizioni normali di riferimento O2 = 11%vol e fumi secchiLIMITI DPCM combustibili 02/03/2002 per biomasse solide combustibili
* prove di laboratorio effettuate presso hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC)
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Emissioni inquinanti
POLVERI CO NOx stufa a legna (*) 110 - 535 210 - 2.640 27 - 160 stufa a pellets 40 35 55 caldaia a cippato 35 - 150 250 - 1.000 125 - 500 caldaia a mais (50%) 150 15 830 mg/Nm3 @ 13% O2 * Round Robin tests prodotti nord europei
* prove di laboratorio effettuate presso hall sperimentale THEXAS, C.R. ENEA di Saluggia (VC)
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Hall sperimentale C.R. ENEA Saluggia(VC)
Sperimentazione su scambiatori di calore
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Combustibili: caratterizzazionechimica;Emissioni: CO, NOx, SO2, particolato, THC, HF, HCl, CO2, O2;Rendimenti: motodo diretto e indirettoSensorizzazione e acquisizioni: termocoppie, Pt100, trasduttori dipressione; analizzatori portatili, analizzatore FTIR, ecc…Laboratorio CFD di calcolotermofluidodinamico
Hall sperimentale C.R. ENEA Saluggia(VC)
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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Particolato solido nei fumi
Particolato da combustioneincompleta di biomassa:diametro caratteristico < 0,1 ηm
Cenere da combustione di biomassa:diametro caratteristico > 1 ηm
Emissioni inquinanti
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Evaporazione e condensazione
Coagulazione:
Particolato solido nei fumi
Emissioni inquinanti
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Emissioni inquinanti
DPCM 08 marzo 2002 e D.Lgs 152/06
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Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia)
Problematiche:metodologia di misura del particolato in campo (CENTC295 metodo europeo di misura del particolato; revisione UNI10389)abbattimento fumidiversi fattori : installazione e funzionamento, combustibile, manutenzione e gestione, e modalità di provaApparecchi a pellets: 50 mg/Nm3, ma con combustibile non idoneo 500 mg/Nm3 contro il limite di 200 mg/Nm3
Caldaie e apparecchi certificati non garantiscono il rispetto dei limiti quando installati: dipende dal combustibile, dal tiraggio e dal funzionamento
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E’ quindi necessario dare priorità di controllo e limitazioni a:combustibili (certificazione di origine, controllo qualità)generatori di calore (controllo installazione, gestione e manutenzione): installatore e manutentoregeneratori di calore (certificazione): costruttoresistemi di abbattimento: progettista
Nuove normative nazionali e regionali >>> limiti sempre piùrestrittivi sul particolato solido: fino a 30 mg/Nm3
Necessità di metodo di misura EN Necessità di metodo di misura in campo (rendimento ed
emissioni) Informazione corretta all’utente: qualità combustibile, uso
corretto e manutenzione
Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia)
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Emissioni inquinanti (apparecchi di piccola taglia)
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UNI 10201 - 1993 - Generatori di calore alimentati con combustibili solidi provenienti dalla lavorazione dei residui agricoli e/o forestali. Definizioni, prove termiche e requisiti.Campo di applicazione da 60kW a 3 MW – sostitita parzialmente da norma EN
UNI 10474 - 1995 - Forni di cottura alimentati con combustibili solidi. Classificazione, caratteristiche e prova termica
UNI 10683 – 2005 - Generatori di calore alimentati a legna o da altri biocombustibili solidi - Requisiti di installazione
UNI 10389 - 1994 - Generatori di calore. Misurazione in opera del rendimento di combustione. Attualmente in fase di revisione.
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Norme tecniche nazionali UNI
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Rendimenti UNI 10201 caldaie a biocombustibili>55% per <60kW a carica>65% per <60kW alimentazione continua>65% per >60kW>70% per >500kW>80% per >1000kW
InstallazioneUNI 10683
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Norme tecniche nazionali UNI
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
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TC 057 TC 057 -- Caldaie per Caldaie per riscaldamento centralizzatoriscaldamento centralizzato
TC 166 TC 166 –– CaminiCamini
TC 281 TC 281 –– Apparecchi, Apparecchi, combustibili solidi e combustibili solidi e accenditori per accenditori per barbecuesbarbecues
TC 295 TC 295 -- Apparecchi di Apparecchi di riscaldamento domesticiriscaldamento domestici a a combustibile solidocombustibile solido
TC 335 TC 335 -- BiocombustibiliBiocombustibili solidisolidi
http://www.cenorm.behttp://www.cenorm.be
Norme tecniche europee
TER ENETER ENE--BIOBIOEfficienza energetica e soluzioni
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EN 12809EN 12809 Caldaie domestiche indipendenti a combustibile solido Caldaie domestiche indipendenti a combustibile solido --Potenza termica nominale non superiore ai 50 kW Potenza termica nominale non superiore ai 50 kW -- Requisiti e Requisiti e metodi di provametodi di prova
EN 12815EN 12815 TermocucineTermocucine a combustibile solido a combustibile solido -- Requisiti e metodi di Requisiti e metodi di provaprova
EN 13229EN 13229 Inserti e caminetti aperti alimentatiInserti e caminetti aperti alimentati a combustibile solido a combustibile solido ––Requisiti e metodi di prova Requisiti e metodi di prova
EN 13240EN 13240 Stufe a combustibile solido Stufe a combustibile solido –– Requisiti e metodi di prova Requisiti e metodi di prova
EN 14785EN 14785 2006 2006 Apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati Apparecchi per il riscaldamento domestico alimentati con pellet di legno con pellet di legno -- Requisiti e metodi di provaRequisiti e metodi di prova
EN 13229 A1EN 13229 A1 Inserti, (Inserti, (KachelofenKachelofen) ) –– Requisiti e metodi di prova Requisiti e metodi di prova EN 13240 A1 EN 13240 A1 Stufe di grande massa (alta inerzia termica) Stufe di grande massa (alta inerzia termica) –– Requisiti e Requisiti e
metodi di prova metodi di prova
Norme tecniche europee (TC295)
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impiantistiche innovativeSanta Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 30
Caldaie alimentate con combustibile solidoBruciatori a pellets
TER ENETER ENE--BIOBIO
Norme tecniche europee (TC057)
EN 303EN 303--55 Caldaie per riscaldamento Caldaie per riscaldamento -- Caldaie per combustibili Caldaie per combustibili solidi, con alimentazione manuale e automatica, con una solidi, con alimentazione manuale e automatica, con una potenza termica nominale potenza termica nominale fino a 300 kWfino a 300 kW --Parte 5: Terminologia, requisiti, prove e marcaturaParte 5: Terminologia, requisiti, prove e marcatura
Classe 1: η = 67 + 6*log(Qn [kW])Classe 2: η = 57 + 6*log(Qn [kW])Classe 3: η = 47 + 6*log(Qn [kW])
η = 100 – perdite (ai fumi, incombusti, alle pareti, alle ceneri)
Efficienza energetica e soluzioniimpiantistiche innovative
Santa Teresa ::: 29 maggio 2007 ::: 31
Grazie per l’attenzione…