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Giuseppe Langella » 22.Caldaie a biomasse


Premessa

Come rilevabile nei report energetici pubblicati dall’ENEA, oggi le biomasse concorrono a soddisfare il fabbisogno energetico primario italiano per meno del 2% . Tale contributo è ampiamente inferiore al potenziale disponibile, ed è in gran parte fornito da legna da ardere utilizzata in caminetti e stufe, spesso superati e di scarsa efficienza.

Al contrario, le tecniche basate sull’impiego di combustibili vegetali in impianti di riscaldamento domestici hanno riscontrato negli ultimi anni grandi progressi, e hanno raggiunto livelli di efficienza, affidabilità e comfort del tutto simili a quelli degli impianti tradizionali a gas o gasolio.

In questa lezione viene presentata una panoramica sulle principali tipologie di caldaie per la combustione di biomasse per il riscaldamento di piccole-medie utenze. Le tipologie sono fondamentalmente tre, sulla base delle tre principali categorie di combustibili vegetali:

  • legna da ardere in ciocchi,
  • legno sminuzzato (cippato)
  • pastiglie di legno macinato e pressato (pellet).

Caldaie a fiamma inversa

Bruciare legna è tuttora la forma più diffusa di utilizzo delle biomasse per il riscaldamento domestico. Dal momento che nella maggior parte dei casi i ciocchi vanno caricati a mano, le caldaie a legna hanno potenze massime dell’ordine di qualche decina di kW, e trovano l’impiego ideale per il riscaldamento di case isolate costituite da una o più unità immobiliari.

Una delle principali tipologie di caldaia a legna è quella a fiamma inversa, così definita per la posizione della camera di combustione, ubicata  al di sotto del volume nel quale viene caricata la legna. In genere sono caldaie dotate di una ventola per la circolazione forzata dell’aria comburente. In alcuni modelli (ad aria soffiata), la ventola è posizionata sul lato anteriore della caldaia e forza l’aria all’interno, in modo da attraversare il combustibile fino allo scarico dei gas esausti. In altri tipi la ventola è posta sul retro della caldaia, in corrispondenza della bocca di uscita dei fumi e aspira i fumi generando  una  depressione in caldaia che richiama aria comburente dall’esterno.

Una parte dell’aria (primaria) viene introdotta in caldaia immediatamente sopra la griglia sulla quale è appoggiata la legna. L’aria primaria garantisce l’avvio della combustione (fase di gassificazione), con  formazione di uno strato di braci a contatto della griglia e la formazione di gas combustibili che si originano dalla pirolisi del legno (per la maggior parte  monossido di carbonio e idrogeno). I gas prodotti vengono trascinati in basso attraverso la griglia e arrivano nella camera sottostante, dove l’aggiunta dell’aria secondaria consente il completamento della combustione.

Caldaie a fiamma inversa

Gli ingredienti fondamentali per una combustione ottimale sono una corretta quantità di aria, elevata temperatura e accentuata turbolenza nella camera di combustione, e una sufficiente permanenza dei gas caldi nel focolare per il tempo necessario al completamento delle reazioni di combustione.

L’inversione della fiamma permette di avere  una combustione progressiva della legna, che non si accende del tutto nel vano di carico ma brucia solamente quando giunge nei pressi della griglia. Tutto ciò consente di ottenere una potenza fornita dalla caldaia più stabile nel tempo, e di controllare meglio la combustione, incrementando notevolmente il rendimento e minimizzando le emissioni inquinanti.

I modelli più moderni si basano su di sistemi di regolazione computerizzata, e arrivano a rendimenti termici oltre il 90%. Tra le  innovazioni più importanti, riscontrabili anche in impianti di piccola potenza,  è di ricordare la regolazione dell’aria di combustione in base alla richiesta di ossigeno, misurato nei fumi con una sonda dedicata (sonda lambda). La regolazione lambda permette di aggiustare e ottimizzare con continuità la quantità di aria durante l’intero ciclo di funzionamento della caldaia a legna, dall’accensione iniziale fino al consumo totale del combustibile.

Caldaie a fiamma inversa

La produzione di acqua calda sanitaria a mezzo combustione di legna può essere realizzata con diverse modalità. Il sistema più elementare consiste nell’utilizzare un bollitore con scambiatore interno e collegare questo all’impianto mediante una pompa e un termostato.

Tale tecnica sistema può essere applicata sia in impianti forniti di accumulatore inerziale, sia in impianti che ne sono privi. Un accumulatore inerziale, correttamente isolato dal punto di vista termico,   permette durante l’estate di ricaricare più volte il bollitore di acqua sanitaria, senza dover riaccendere la caldaia. Negli impianti sprovvisti di accumulatore inerziale,  il bollitore sanitario ha in genere una capacità minima di  300 litri. In questo caso, per ottenere l’acqua calda d’estate occorre fare attenzione a  caricare la caldaia con un piccolo quantitativo di legna. Alcuni modelli di accumulatore inerziale per caldaie a legna sono forniti di bollitore o di scambiatore di calore sanitario interno , per cui non hanno bisogno che venga installato alcun bollitore.

Sicuramente sconsigliata è la produzione di acqua calda sanitaria tramite lo scambiatore di calore di emergenza posto all’interno della caldaia a legna. Tale scambiatore  infatti deve essere sempre collegato ad una valvola di sicurezza termica e deve essere in grado di subentrare con elevata efficienza per raffreddare la caldaia in caso di emergenza. Al contrario, utilizzando tale scambiatore per produrre acqua calda sanitaria, si può generare al suo interno la formazione di incrostazioni calcaree che ne possono compromettere il corretto funzionamento in caso di emergenza.

Caldaie a fiamma inversa

Sistemi di sicurezza. Diversamente delle caldaie a gas/gasolio, le caldaie che bruciano legna in pezzi, sono caratterizzate dalla presenza di una grossa quantità di combustibile solido che, una volta acceso, continua a produrre calore con una notevole inerzia , che risulta difficile da controllare nel breve termine. Per tale motivo, le caldaie a legna possono trovarsi in particolari condizioni  di criticità. Queste condizioni sono fondamentalmente due:

  • interruzione dell’alimentazione elettrica
  • guasto della pompa di circolazione della caldaia

In entrambe tali situazioni si verifica un arresto praticamente totale della circolazione di acqua in caldaia e si interrompe la sottrazione del calore prodotto dalla combustione della legna. Di conseguenza, la temperatura dell’acqua può aumentare  fino a raggiungere e superare i 100 ° C. Oltre il limite della temperatura di ebollizione, la produzione di vapore genera un netto e rapido aumento della pressione dell’impianto. In assenza di idonei dispositivi di sicurezza  si può velocemente addivenire ad una situazione di pericolo. Per evitare  questo pericolo, oltre che del termostato di sicurezza in dotazione a tutti i tipi di caldaia, le caldaie a legna sono provviste di uno scambiatore di calore di emergenza, che consiste in una  serpentina immerso nell’acqua della caldaia.

Caldaie a cippato

Le caldaie a cippato bruciano legno vergine  in piccola pezzatura (dimensioni di qualche centimetro), caricato automaticamente grazie a sistemi meccanici ad hoc. Il combustibile è formato da materiali di varia origine, quali residui di potature, scarti di segheria o biomasse provenienti dallele attività di selvicoltura (taglio del bosco ceduo, diradamenti, tagli di conversione, ecc.). Gli impianti a cippato sono completamente automatici e non hanno limiti di dimensioni, potendo arrivare a  potenze anche di diversi MW termici. I rendimenti e il comfort sono gli stessi delle caldaie a gas/gasolio. Grazie all’elevato livello di automazione e quindi alla economicità di esercizio, gli impianti a cippato sono particolarmente idonei per il riscaldamento di edifici di dimensioni medie o grandi, come  scuole, alberghi, condomini, ospedali e centri commerciali.

Dal momento che il caricamento del combustibile in caldaia avviene in modo automatizzato, è necessario che adiacente al locale caldaia venga adibito un locale (silo) per lo stoccaggio del combustibile. Per agevolare le operazioni di scarico del cippato dai mezzi di trasporto, sovente il silo è posto inferiormente alla carreggiata. Dal silo di stoccaggio il cippato viene prelevato automaticamente e inviato, grazie a una coclea dosatrice, nella caldaia, dove si ralizza la combustione completa grazie all’adduzione di aria primaria e secondaria.

Caldaie a cippato

Nella caldaie a cippato, la combustione si realizza  su una  griglia che può essere:

  • fissa, nel caso di combustione di materiali di piccole dimensioni e a basso contenuto di umidità
  • mobile, nel caso di combustibili a grossa pezzatura e ad elevato contenuto di ceneri ed umidità (fino al 50% in peso di acqua), come le biomasse di origine forestale, tagliate da poco.

Negli impianti  più moderni l’apporto di cippato e la combustione sono regolati in continuo da un microprocessore in funzione della richiesta di energia dell’utenza e della temperatura e concentrazione di ossigeno nei fumi (regolazione lambda). Il sistema è in grado di regolare con continuità la potenza fornita mantenendo la combustione ottimale anche con combustibili diversi, sia a pieno carico sia con a carico minimo. L’ignizione del cippato può essere ottenuta sia manualmente, sia automaticamente grazie a dispositivi che possono essere elettrici o a combustibile liquido (bruciatore pilota).

Alcuni modelli sono dotati della funzione di mantenimento brace, che permette alla caldaia di tenere accesa una minima quantità di brace  durante le interruzioni di funzionamento, garantendo così una veloce  riaccensione n caso di riavvio dell’impianto.

Caldaie a cippato

Sistemi di sicurezza. Le caldaie a cippato, così come quelle a legna in ciocchi, devono, per normativa, essere dotate di  vaso di espansione aperto. Diversamente dalle  caldaie alimentate a legna di grossa pezzatura , le caldaie a cippato hanno una camera di combustione che contiene solo minime quantità di combustibile, che brucia velocemente, non appena arriva sulla griglia di combustione. Per tale motivo il rischio di ebollizione,  insituazioni di emergenza in queste caldaie è minore rispetto a quelle a legna.

Il  sistema di sicurezza principale  ha la funzione di interrompere la continuità del flusso di cippato dal silo alla caldaia. Questa è la ragione per cui gli impianti a cippato comprendono spesso una tramoggia di caduta del combustibile, posizionata  tra due diverse coclee, delle quali una proviene dal silo e l’altra conduce il cippato in caldaia. L’afflusso di cippato, che cade libermente nella tramoggia, può essere agevolmente arrestato, in caso di emergenza, da una serranda tagliafiamma, oppure da una più costosa valvola stellare, che tiene il flusso costantemente bloccato. Nella parte finale della coclea che proviene dal silo, può inoltre essere installata una valvola di sicurezza termica in collegamento con l’acquedotto, che,  nelle situazioni di emergenza,  introduce acqua nel canale della coclea impedendo un eventuale ritorno di fiamma.

Il ritorno di fiamma verso il silo si può facilmente verificare quando nel focolare si genera una pressione positiva, mentre il rischio è modesto se il foclare viene costantemente mantenuto in depressione. Per tale motivo molti modelli di caldaie a cippato sono provvisti di dispositivi deputati al controllo della pressione nel focolare.

Caldaie a pellet

Il pellet è un combustibile composto da legno vergine essiccato e pressato in piccoli cilindretti, senza alcun additivo. La densità del pellet sfuso è di circa 6-700 kg/m3 , molto più elevata di quella di altri combustibili legnosi non pressati (cippato, trucioli). Il potere calorifico può arrivare a  le 17.500 kJ/kg, con una densità energetica di 3000 - 3400 kWh/m3

A causa della forma geometrica, della scarsa rugosità superficiale e delle ridotte dimensioni, il pellet ha un comportamento molto simile ad un fluido, il che facilita la movimentazione del combustibile e il caricamento automatico delle caldaie. Il trasporto si può ffettuare con autocisterne, dalle quali il pellet viene pompato direttamente nel serbatoio di stoccaggio dell’impianto. L’alta densità energetica e l’agevole movimentazione fanno del  pellet il combustibile vegetale ottimale per impianti di riscaldamento automatici di qualsiasi dimensioni. Il pellet di legno inoltre può essere bruciato sia nelle caldaie a cippato sia  in caldaie  progettate ad hoc. E’ anche possibile utilizzare il pellet in alcuni modelli di caldaie a gasolio, se dotate di  bruciatori particolari.

Anche le caldaie a pellets, come quelle a cippato, hanno bisogno di un silo per lo stoccaggio del combustibile situato nei pressi della caldaia. Da qui  viene prelevato e trasportato attraverso una  coclea in caldaia , dove avviene la combustione. I bruciatori per pellet da utilizzare in caldaie a gasolio si installano sulla parte anteriore della caldaia. Essi vengono riforniti di pellet dall’alto e bruciando  sviluppando una fiamma orizzontale che si protende nella caldaia, così come si verifica negli impianti a gasolio.

Caldaie a pellet

Sistemi di sicurezza.

La dotazione principale per  la sicurezza di una caldaia a pellet è rappresentata  dai dispositivi per evitare il ritorno di fiamma dal bruciatore verso il serbatoio. Il metodo più comune consiste nel frapporre un condotto di caduta libera del pellet tra la coclea di trasporto e la caldaia. Questo condotto di solito consiste in un tubo flessibile.

Altri sistemi si basano su serrande tagliafiamma o valvole stellari. In caso di interruzione della fornitura  di energia elettrica o di avaria alla pompa di circolazione, il rischio di ebollizione dell’acqua è ridotto considerevolmente rispetto alle caldaie a legna, grazie alla piccola quantità di combustibile presente nel focolare. Tuttavia, dal momento che in molti casi le caldaie a pellets sono equipaggiate anche per la combustione di legna in ciocchi e sono fornite di scambiatore di calore di emergenza, è buona prassi collegare questo a una presa di acqua fredda e installare una valvola di sicurezza termica, come già descritto per le caldaie a legna.

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