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IMPIANTO COGENERATIVO A CIPPATO DI LEGNO 1 Il cippato: il carburante per la cogenerazione Tra le fonti rinnovabili le biomasse legnose rappresentano una buona opportunit di investimento diversificata nelle aree a vocazione selvicolturale per la generazione termica ed elettrica, rappresentando una opportunit di sviluppo per gli operatori del settore forestale, una opportunit di lavoro per la manodopera locale, una opportunit di risparmio economico ed ambientale per la comunit locale. Le biomasse legnose sono tanto pi convenienti quanto pi la filiera corta, riducendo al massimo i costi di trasporto per lapprovvigionamento delle materie prime, disponibili quindi immediatamente e a costi molto bassi. Un impianto destinato alla cogenerazione utilizza la biomassa legnosa solo se trasformata sottoforma di cippato di legno, ossia quella forma che pi si avvicina e mette in relazione il comparto agricolo-ambientale con quello energetico-tecnologico. Il cippato di legno altro non che legno di provenienza agricola-forestale, non particolarmente selezionato, proveniente da tagli e diradamenti boschivi, residui di potature, ecc. Il termine cippato deriva dal vocabolo inglese chipped che significa ridotto in scaglie. Infatti, per ottenere questa forma di combustibile, il legno viene ridotto in chips di dimensioni variabili. Grazie al cippato si supera lostacolo dellalimentazione manuale, poich sotto questa forma il combustibile pu essere prelevato automaticamente da un deposito ed essere portato nel punto di combustione nella quantit richiesta. Inoltre, il legno cippato ha il vantaggio di perdere pi rapidamente lumidit in eccesso, accelerando cos lessicazione e la possibilit di ottenere un combustibile energeticamente pregiato. Il cippato pu essere ottenuto tramite una particolare azione di taglio, definita cippatura per lappunto, attuata mediante macchine cosiddette sminuzzatrici o cippatrici. Tale prodotto presenta forma regolare e pezzatura pi o meno omogenea. La forma dei chips varia in base alle tecniche di taglio adottate, in funzione delle dimensioni richieste dal tipo dimpianto di trasformazione energetica e, soprattutto, dal sistema di alimentazione.

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Il cippato a disposizione in grandissime quantit ed a prezzi vantaggiosi.

Dal cippato si ottiene un gas di legno puro, detto Syngas, destinato alla produzione di energia elettrica.

In questa sede verr analizzata la tecnologia della cogenerazione attuata con gli impianti Spanner, leader europeo del settore della cogenerazione di piccola taglia. Questi impianti si basano sulla gassificazione della biomassa legnosa, da cui viene estratto un particolare gas di legno (syngas) destinato ad alimentare il cogeneratore. 2 La tecnologia della cogenerazione: un processo intelligente Gli impianti di cogenerazione producono energia elettrica e termica dal legno. Le grandi centrali energetiche praticano la cogenerazione di biomassa solida gi da anni. Grazie agli impianti di cogenerazione Spanner, pu essere usato finalmente anche il cippato di legno per produrre in modo diffuso energia elettrica. Questo sistema altamente efficiente, rispettoso dellambiente e soprattutto finanziariamente conveniente. Nessunaltra materia prima offre caratteristiche e possibilit di impiego variegate come il legno (limportante che esso sia vergine, ossia proveniente direttamente dalle attivit selvicolturali anche come materiale di scarto). Qui di seguito viene sintetizzato il processo della cogenerazione attraverso luso degli impianti di cogenerazione Spanner.

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Lenergia elettrica prodotta viene immessa in rete.

Lenergia termica prodotta pu essere usata per lessiccazione del cippato, per il riscaldamento in loco oppure per il teleri-scaldamento.

Gli impianti di cogenerazione generano una rendita maggiore rispetto ad altre fonti rinnovabili, quali il fotovoltaico e leolico.

Nonostante sia caratterizzato da una notevole produzione di energia elettrica da immettere in rete, un impianto di cogenerazione rende ancora di pi se si utilizza in modo continuativo lenergia termica prodotta. Ci valido anche per gli impianti Spanner. Alla buona produttivit dellimpianto bisogna anche affiancare la facilit di reperimento della materia prima (cippato legnoso) a prezzi dacquisto vantaggiosi, incidendo positivamente sul rapporto costi/benefici dellimpianto di cogenerazione.

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3 Gli impianti di cogenerazione per gassificazione La gassificazione un processo chimico intermedio che permette di convertire attraverso dei processi termici ad elevate temperature un materiale solido ricco in carbonio come le biomasse (composta prevalentemente da carbonio, idrogeno ed ossigeno), in monossido di carbonio, idrogeno e altri composti gassosi. In pratica, la gassificazione un metodo per ottenere energia da materiali organici di alta efficienza. Il processo di degradazione termica avviene a temperature elevate (superiori a 700-800 C), in presenza di una percentuale sotto-stechiometrica di un agente ossidante: tipicamente aria (ossigeno) o vapore. Durante il processo di combustione il carbonio della biomassa si ossida, formando CO2 e liberando energia. Il processo di ossidazione avviene in due fasi: 1. Il carbonio si trasforma in monossido di carbonio (CO); 2. Il monossido di carbonio (CO) si ossida ulteriormente in anidride carbonica

(CO2). La prima fase di ossidazione quella in cui il combustibile solido si trasforma in combustibile gassoso, ottenendo cos un gas che, formato in proporzioni variabili da monossido di carbonio (CO), idrogeno (H2), idrocarburi complessi (CXHY), azoto (N2) e anidride carbonica (CO2), include ancora buona parte dellenergia chimica contenuta nel combustibile solido originario. Tale miscela gassosa risultante costituisce quello che viene definito gas di sintesi o syngas e rappresenta essa stessa un combustibile. La seconda fase di ossidazione quella in cui viene effettivamente liberata lenergia contenuta nel syngas. Luso del processo di gassificazione per la produzione di energia presenta alcuni vantaggi rispetto alla combustione diretta. Il syngas presenta un utilizzo versatile in campo cogenerativo, in quanto pu essere bruciato sia mediante combustione esterna e sia mediante combustione interna. Nel nostro caso specifico, il syngas prodotto viene bruciato direttamente in motori a combustione interna, perch il processo di gassificazione permette di togliere con le ceneri elementi altrimenti problematici per la successiva fase di combustione, quali ad esempio cloro e potassio, consentendo la conseguente produzione di un gas molto pulito. Inoltre, la combustione interna presenta altri vantaggi, quali lelevato

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Schema di gassificatore downdraft (Fonte: GUERCIO A., 2011, Mini e micro cogenerazione a biomassa tecnologie e criteri progettuali, Dario Flaccovio Editore, Palermo).

rendimento di conversione in energia elettrica associato nel contempo ad una riduzione dei costi dinvestimento. Il motore coassiale ad un generatore elettrico, il quale a sua volta trasforma lenergia meccanica in energia elettrica, la quale viene immessa in rete. Lenergia termica (raffreddamento motore e fumi di scarico) viene utilizzata per essiccare il cippato e pu venire utilizzata per altri scopi (es. riscaldare lacqua, teleriscaldamento, ecc.). Il sistema di gassificatore utilizzato a letto fisso equicorrente (downdraft): ci vuol dire che sia il combustibile (ossia la biomassa legnosa) e sia laria utilizzata per lossidazione seguono la medesima direzione: viene dapprima introdotta la biomassa dallalto, la quale segue un percorso discendente; ad un punto inter-medio di tale percorso, viene poi introdotta laria, la quale accompa-gna la biomassa, seguendone il percorso discendente. Il principio di funzionamento schematizzato nella figura riportata qui di fianco. Bisogna ricordare che il syngas un gas contenente elevate per-centuali di impurit, dette char e costituite prevalentemente da particolato e catrami, che possono sporcare o, addirittura, comportare rotture ai dispositivi di combustione interna. Per, rispetto ad altre tipologie di gassificazione, i gas-sificatori downdraft generano un syngas ad elevata temperatura e con una percentuale molto bassa di catrame. La generazione del syngas avviene per combustione lenta attraverso il processo di pirolisi, ossia in completa assenza di un agente ossidante (ossigeno). Prima che per si verifichi questo processo, la biomassa appena introdotta viene dapprima essiccata mediante i gas caldi provenienti dalla parziale combustione gi avvenuta nella parte inferiore del reattore: in tal modo il materiale legnoso si essicca e cede lumidit, la

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quale, essendo sottoforma gassosa (vapore acqueo), va ad aggiungersi con i suddetti gas caldi, i quali a loro volta si raffreddano, passando da una temperatura di ca. 800C ad una di ca. 200C. a ca. 200C che inizia il processo di pirolisi (200 700C) nella omonima zona dove il legno si disgrega lentamente per rilascio delle molecole pi volatili, con la formazione di vari elementi, tra cui carbone organico ed i catrami. Dopo la zona di pirolisi, il residuo solido (carbone organico) insieme ai primi gas ottenuti transita nella zona di riduzione. Qui viene iniettata aria attraverso un soffiante e degli ugelli, per bruciare una buona parte del carbone organico a 1200 C. Si ha dapprima una fase di ossidazione, in cui mediante la combustione il carbone organico si trasforma in anidride carbonica (CO2) che va ad unirsi con il vapore acqueo (H2O) proveniente dallumidit estratta dal legno. Subito dopo, si passa alla successiva fase di riduzione, in cui i composti organici reagendo con il vapore acqueo e lanidride carbonica formano monossido di carbonio (CO) e idrogeno (H2), i componenti principali del syngas. Lultima fase del processo lossidazione della sostanza organica residua che genera lenergia termica necessaria per alimentare il processo: le eventuali parti non gassificate come catrame e idrocarburi vengono trasformati in CO, CO2 e H2. 4 Impianto Spanner: componenti e funzionamento Limpianto composto da un efficiente e robusto cogeneratore (riportato nella figura qui di fianco), il quale viene azionato mediante il syngas prodotto attraverso un idoneo gassificatore a partire dal cippato di legno puro. Il gassificatore formato da una struttura base sulla quale sono montati tutti i componenti necessari al funzionamento del processo di gassificazione. Componente essenziale del gassificatore linnovativo reformer Spanner, concepito dallinventore Bernd Joos e poi perfezionato dalla Spanner per la produzione in serie (vedere pagina 8-9). La speciale tecnologia usata nel reformer assicura una produzione di syngas priva di catrame. Il materiale per gassificare cippato di legno vergine di qualit G30-G40. Il cippato viene trasportato tramite una coclea dal magazzino di stoccaggio ed immesso nel serbatoio di caricamento. Tramite un sensore viene controllato il livello nel serbatoio. Per garantire che durante le fasi di caricamento non entri aria nel sistema, nel serbatoio di caricamento, sono montate due valvole a tenuta stagna. Queste vengono comandate tramite un PLC per garantire che una si apra solo se laltra gi chiusa.

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Oltre a garantire la tenuta stagna, queste due valvole a serranda garantiscono anche un controllo del livello di carico del serbatoio. In generale, tutte le valvole e azionamenti sono chiusi in caso di mancanza di corrente elettrica. Tramite un raschietto e una coclea di carico il materiale legnoso viene trasportato nel reformer, il quale viene caricato dallalto, mentre un sensore di livello ne comanda la quantit da immettere agendo sulla suddetta coclea di carico. Il reformer il cuore dellimpianto che produce, grazie ad un processo controllato, gas di legno (syngas) da cippato di legno allo stato naturale. Il gas in questione, che viene estratto in basso, servir per azionare il cogeneratore. Il sensore di livello comanda anche il motore della griglia che serve per estrarre il carbone organico. Il gas di legno (syngas) e i residui della gassificazione escono dal reformer dalla parete bassa a 800C. Passano insieme in uno scambiatore di calore ad acqua nel quale viene raffreddato il gas a 130C. Successivamente passa attraverso un filtro a manica dove viene separato il gas dal carbone organico mediante un meccanismo di pulizia automatica, attuato attraverso una coclea ed una valvola di estrazione per ventola soffiante. Il carbone organico viene trasportato tramite valvole e coclea in un apposito contenitore allesterno dellimpianto. Un meccanismo comandato da PLC garantisce la tenuta stagna del sistema di estrazione. Dopo che il gas pulito esce dal filtro a manica, viene ulteriormente raffreddato tramite un altro scambiatore per arrivare a ca. 90C al filtro di sicurezza. Questultimo funge da filtro di emergenza per evitare eventuali danni al motore se quello principale dovesse presentare dei malfunzionamenti. Dopo il filtro di sicurezza il gas viene miscelato con aria per alimentare il motore a scoppio a ca. 40C. Il potere calorifico del gas di ca. 4,5 MJ/m (uguale a ca. 1,4 kWh/m). I gas di scarico del cogeneratore vengono puliti tramite un catalizzatore e raffreddati attraverso uno scambiatore per essere immessi in atmosfera. Tutti i processi sopra descritti avvengono in componenti singoli collegati tra di loro ermeticamente. Tutto il sistema viene tenuto sotto pressione a 100 mbar tramite un ventilatore. Laria di processo entra dal reformer nel sistema chiuso. Il gas pu solo uscire attraverso il motore dal sistema ermetico. Tutto il circuito del gas viene controllato e comandato tramite il PLC. In caso di un difetto o malfunzionamento del cogeneratore, il sistema chiude le valvole per evitare la fuoriuscita del gas dal sistema ermetico.

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Nelle varie fasi di processo si produce calore, il quale viene estratto tramite due scambiatori dal sistema. Lintero sistema viene controllato da un quadro elettrico, attraverso diversi sensori di temperatura e pressione. Concludendo, lenergia termica prodotta pu essere utilizzata per riscaldare edifici, impianti di essicazione o pu essere distribuita attraverso reti di teleriscaldamento. Lenergia elettrica viene immessa in rete.

5 Residui prodotti: scarico del carbone organico La quantit di cenere/carbonella (carbone organico) prodotta pu arrivare fino al 10% del materiale dingresso; ci dipende sia dalla qualit e sia dalle dimensioni del materiale dingresso. La densit di ca. 0,15-0,2 kg/l. Caratteristiche chimico-fisiche: granulo < 2mm; potere calorifero di ca. 25MJ/kg; perdita di combustione pari a ca. 55-75%. In fase di progetto si deve tener conto di come utilizzare il materiale di scarto. La cenere/carbonella viene trasportata tramite una coclea senza anima allesterno dellimpianto. Il contenitore di raccolta pu stare a una distanza di max. 15 m (max. 2 curve a 45 nel tragitto della tubazione). 6 Descrizione impianto Spanner: dimensioni, modelli, poten-

za e produttivit

GASSIFICATORE Lunghezza: 5.406 mm Profondit: 2.050 mm Altezza: 2.350 mm COGENERATORE Lunghezza: 2.250 mm Profondit: 990 mm Altezza: 1.470 mm N.B. = Nella fase di montaggio deve essere lasciato un corridoio di almeno ca. 500 mm intorno al gassificatore. La lunghezza del cavo tra il cogeneratore e larmadio comando non deve essere superiore a 6 metri.

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SUPERFICIE NECESSARIA: min. 6 m x 5 m ALTEZZA NECESSARIA: min. 2,6 m x 3,4 m (a seconda dellapprovvigionamento del cippato) REQUISITI DEL CIPPATO Pezzatura del cippato di legno vergine: G30-G40 Umidit massima: MAX 15% Polveri sottili: MAX 30% (granulazione sotto 3-4 mm) Materiale omogeneo, con una bassa percentuale di componenti lunghi

Descrizione impianto modelli Denominazione prodotto (modello) HK30 HK45

Resa elettrica 30 kWe 45 kWe Energia elettrica prodotta in unora di esercizio 30 kWhe 45 kWhe

Resa termica 80 kWt 120 kWt Energia termica prodotta in unora di esercizio 80 kWht 120 kWht

Consumo cippato 30 kg/h 45 kg/h Consumo cippato con 6000 ore/anno di esercizio 180 t 270 t

RUMOROSIT GASSIFICATORE SU MODELLO HK45 AD 1 METRO DI DISTANZA < 56dB/A RUMOROSIT COGENERATORE SU MODELLO HK45 AD 1 METRO DI DISTANZA 60 dB/A con cabina sonorizzata 90 dB/A senza cabina sonorizzata USCITA ELETTRICA (TENSIONE/FREQUENZA) 400 V / 50 Hz USCITA TERMICA (TEMPERATURA DEFLUSSO/RIFLUSSO) MAX 90C / MAX 75C

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7 Descrizione impianto Spanner: manutenzione Per quanto concerne la manutenzione ordinaria, gli impianti di cogenerazione Spanner sono di semplice gestione. La maggior parte degli interventi pu essere eseguita dal cliente stesso in maniera indipendente. Il tempo necessario impiegato dipender dai lavori di manutenzione da svolgere, ma in base allesperienza di questa azienda dovrebbero bastare mediamente 20 minuti giornalieri di manutenzione ordinaria affinch venga garantito il buon funzionamento dellimpianto. I lavori di manutenzione da eseguire regolarmente sono pertanto i seguenti: controllo visivo, cambio dellolio motore, cambio del filtro dellolio, cambio del filtro dellaria, cambio del filtro del gas, cambio delle candele di accensione. Nel complesso, la manutenzione ordinaria richiesta dagli impianti Spanner consta di pochi oneri aziendali, incidendo positivamente sul rapporto costi/benefici. La buona esecuzione della manutenzione ordinaria consente di poter evitare quella straordinaria. 8 Conclusioni: perch scegliere la tecnologia Spanner Gli impianti di cogenerazione Spanner constano di una tecnologia che presenta notevoli vantaggi. Tecnologia innovativa e impiantistica collaudata ed affidabile gli impianti

Spanner integrano il know-how ed un esperienza decennale tale da assicurarne un funzionamento sicuro e semplice. In questo modo vengono garantiti impianti di cogenerazione efficienti, ad alta tecnologia, di facile impiego e manutenzione, che lavoreranno per decenni nel rispetto dellambiente.

Presenti sul mercato con successo parecchi impianti sono gi stati installati

con successo in diversi Paesi Europei. Alta efficienza il principio della cogenerazione sfrutta la materia prima

(legno) in maniera ottimale, producendo contemporaneamente energia elettrica e termica.

Cippato da legno vergine come combustibile gli impianti Spanner sono

azionati da cippato di legno derivante da legno vergine, facilmente reperibile sul mercato, quale miglior fonte rinnovabile.

Pochi oneri di manutenzione ordinaria.

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