Energia da biomasse e rifiuti - Tesina "Pirolisi del Cardo"

UNIVERSITA’ DEGLI STUDI DI PERUGIA

Corso di laurea specialistica in Ingegneria

Meccanica

CORSO DI “ENERGIA DA BIOMASSE E RIFIUTI”

Pirolisi del Cardo

INDICE

1 INTRODUZIONE ............................................................................................................................. 2

1.1 OBIETTIVO DELLA TESI ........................................................................................................... 5

2 MONITORAGGIO IN CAMPO ......................................................................................................... 7

2.1 CONFRONTO CON DATI DI LETTERATURA ........................................................................... 11

3 DESCRIZIONE STRUMENTI USATI NELLE PROVE ......................................................................... 12

3.1 DESCRIZIONE REATTORE BATCH ......................................................................................... 12

3.2 DESCRIZIONE STRUMENTAZIONE DI ANALISI ...................................................................... 19

4 PROCEDURA DELLA PROVA DI PIROLISI ...................................................................................... 23

4.1 PROCEDURA DELLA PROVA ISOTERMICA ............................................................................ 25

4.2 PROCEDURA DELLA PROVA BATCH ..................................................................................... 25

4.3 PROCEDURA DI ESTRAZIONE ED ANALISI DI PYROGAS TAR E CHAR ................................... 26

5 SET UP DEL SISTEMA DI RISCALDAMENTO/ISOLAMENTO ......................................................... 30

5.1 PRIMA PROVA ...................................................................................................................... 31

5.2 SECONDA PROVA ................................................................................................................. 32

6 PROVE SPERIMENTALI ................................................................................................................ 33

6.1 PREPARAZIONE DEL CAMPIONE .......................................................................................... 33

6.2 CARATTERIZZAZIONE DEL CAMPIONE ................................................................................. 35

6.3 PIROLISI ISOTERMICA .......................................................................................................... 36

6.4 PIROLISI BATCH .................................................................................................................... 42

7 CONFRONTO CON DATI DI LETTERATURA .................................................................................. 49

7.1 SPERIMENTAZIONE .............................................................................................................. 49

7.2 RISULTATI E CONFRONTO.................................................................................................... 50

8 CONCLUSIONI ............................................................................................................................. 53

9 BIBLIOGRAFIA ............................................................................................................................. 57

1

1 INTRODUZIONE

Il Cynara cardunculus comunemente chiamato “cardo” appartiene alla famiglia delle

Asteraceae, ed è una pianta perennante nativa delle regioni Mediterranee, nelle

quali si è ampiamente diffusa come pianta selvatica e come specie coltivata.

Questa pianta presenta una spiccata adattabilità all'ambiente mediterraneo, la

quale si concretizza fondamentalmente in una stagione di crescita, che coincide con

il periodo in cui si hanno i maggiori apporti idrici naturali (dall’autunno fino a metà

primavera), e con l'accumulo nelle radici di sostanze di riserva in grado di sostenere

la riattivazione vegetativa, dopo la quiescenza estiva. In sostanza, per superare il

periodo estivo di massima siccità il Cynara cardunculus completa il ciclo annuale

all’inizio dell’estate per lasciare che la parte epigea della pianta si secchi, mentre

quella ipogea resta vitale, in attesa che le condizioni avverse cessino. Ha una crescita

molto vigorosa, una sola pianta può raggiungere l’altezza di 3 m e coprire un’area

dal diametro di 1,5 m, per questo ed altri motivi è una pianta interessante per la

produzione di biomassa. Figura 1.1 Cynara cadunculus

Le foglie si sviluppano da una rosetta man mano che la pianta cresce, presentano

numerose spine che le rendono difficilmente manipolabili od edibili. In tarda

2

primavera vengono emesse delle ramificazioni che portano i fiori (numerosi per ogni

pianta); alla maturazione dei frutti la pianta inizia a disseccarsi, tranne le gemme

perennanti basali che inizieranno a germinare al cessare della stagione secca.

Se lo scopo è la destinazione industriale, è bene coltivare questa pianta negli areali

in cui si trova anche a crescere in natura, per poter sfruttare al massimo l’effetto

ambientale ed ottenere un prodotto già perfettamente essiccato in campo.

Per quel che concerne la longevità, questa coltura può fornire una produzione

interessante anche per 15 anni consecutivi di impianto. La preparazione del terreno

per questa coltura deve essere scrupolosa, si inizia con un’aratura profonda (40-50

cm), per poi proseguire con l’affinamento mediante erpici.

I semi germinano a temperature dai 15 ai 25 °C, per questo motivo vengono messi a

dimora ad inizio autunno o in tarda primavera nelle regioni mediterranee; questa

seconda opzione è raccomandabile nelle regioni in cui si presentano spesso gelate

autunnali. La semina autunnale deve essere effettuata in modo che si riesca a

formare una resistente rosetta di foglie prima che giunga l’inverno.

La distanza di semina è di 80 cm o più tra le file e lungo le file, con un investimento

di circa 10000-15000 piante per ettaro a seconda della potenzialità del suolo e delle

caratteristiche climatiche, in condizioni sfavorevoli è bene non superare 7500 piante

per ettaro.

Come per ogni coltura poliennale è raccomandata una buona concimazione di fondo

all’impianto interrando in profondità anche sostanza organica se possibile, visto che

il cardo sviluppa delle radici molto profonde.

Dal secondo anno d’impianto, è necessario reintegrare i nutrienti in relazione alla

quantità di biomassa asportata dal raccolto annualmente; studi effettuati in Spagna

hanno evidenziato che produrre 1 t di sostanza secca depaupera il suolo di 12,6 kg di

N, 3,5 kg di P, 20,8 kg di K [11]. 3

Il diserbo è importante soprattutto il primo anno d’impianto, effettuato con prodotti

chimici o mediante sarchiatura, per avvantaggiare il Cardo rispetto le malerbe. Negli

anni seguenti non è generalmente richiesto alcun trattamento perché le foglie della

rosetta si sviluppano più velocemente rispetto alle infestanti.

Il C. cardunculus è una specie molto resistente alle malattie ed ai parassiti, ma

occasionalmente può essere colpita da afidi, minatori fogliari, o bruchi fillofaghi, per

questo è bene osservare la coltura periodicamente, soprattutto in tarda primavera e

se necessario utilizzare insetticidi sistemici.

La raccolta si effettua una volta l’anno, quando il ciclo annuale è finito, ma prima

che la pianta rilasci i semi. In questa fase la pianta ha un contenuto di umidità

inferiore al 15%. La raccolta avviene mediante falcia-trincia-caricatrici; in Spagna si

sperimentano macchine semoventi, costituite da tamburi falcianti seguiti da una

rotoimballatrice, ma spesso la biomassa risulta essere contaminata da particelle del

suolo.

Se la coltura avviene in zone dove le precipitazioni sono circa 500 mm all’anno si

producono 10-15 t/ha [2-4]. A seguito di sperimentazioni poliennali si è potuta

calcolare una produttività media, in 10 anni con precipitazioni molto eterogenee, di

circa 14 t/ha [2-4]; negli areali nord italiani la coltura raggiunge livelli produttivi

molto più limitati (5-10 t/ha). Le ricerche condotte hanno evidenziato che, della

biomassa totale prodotta a fine ciclo, le radici costituiscono ben il 40-50%,

percentuale che diminuisce progressivamente con l'età degli impianti. La rimanente

parte è rappresentata in media per il 30% dalle foglie, per il 40% dai fusti e per il

30% dai fiori, il 15% dei quali è granella.

L'interesse verso questa coltura è legato non solo alla sua spiccata adattabilità

all'ambiente mediterraneo, ma anche alle diverse modalità di utilizzazione. Dalla

combustione della biomassa, eccetto gli acheni, è possibile ricavare tra 16.500 e

17.800 Kj/kg: valori che rientrano nella norma per biomasse lignino-cellulosiche.

4

Inoltre risulta essere una buona fonte per la produzione di biocombustibili mediante

i processi di pirolisi e gassificazione.

Questa specie è interessante anche per le buone rese in granella, che in particolari

condizioni possono superare le 2 t/ha. La granella presenta un contenuto in proteine

pari a circa il 22,5%, mentre quello in olio, idoneo per la produzione di biodiesel, può

anche superare il 26%.

Attualmente in Italia la superficie investita per la produzione di cardo da biomassa a

scopo sperimentale, è intorno ai 20 ettari in Calabria, mentre in Spagna la coltura

raggiunge circa i 400 ettari.

1.1 OBIETTIVO DELLA TESI

L’obiettivo della tesi è quello di analizzare i bilanci di massa relativi alla pirolisi del

cardo e calcolare i relativi poteri calorifici dei prodotti. Nel presente lavoro si è

proposto un confronto tra i risultati ottenuti eseguendo la pirolisi in due diverse

modalità. Nella prima prova la pirolisi è stata eseguita ad una temperatura costante

di 600°C (prova denominata ISOTERMICA), mentre la seconda prova è stata eseguita

in condizioni non isotermiche immettendo sin da subito tutto il campione nel

reattore e riscaldando lo stesso da una temperatura iniziale pari a quella

dell’ambiente fino a 600°C (prova denominata BATCH).

Inoltre si è eseguito un monitoraggio in campo delle coltivazioni di cardo al fine di

capire le possibili rese energetiche ottenibili da questa coltivazione.

Lo studio in questione è stato giudicato di interesse dal momento che in letteratura

esiste un solo lavoro (“Fixed-bed pyrolysis of Cynara cardunculus L.” [1]) che si

occupa della pirolisi del cardo nel quale la stessa è stata studiata con lo scopo di

determinare le principali caratteristiche del char e del gas prodotto.

Lo studio in questione è stato eseguito nelle seguenti condizioni: pirolisi isotermica,

temperature comprese tra 300°C e 800°C, dimensioni delle particelle tra 0,4 e 2

5

millimetri di diametro, pesi campione iniziale tra 2,5 e 10 g, e portate di azoto tra

100 e 300 cm3/min.

Da quello studio si è evinto che la dimensione delle particelle, la portata di azoto, e il

peso del campione iniziale in genere non hanno esercitato alcuna influenza, mentre

la temperatura è risultato essere il parametro più significativo. L’aumento della

temperatura porta ad un aumento del contenuto di carbonio fisso, del gas prodotto

e, in misura minore, della percentuale di ceneri. I principali gas generati sono H ,

2

CH , CO e CO . La qualità del char e l’analisi dei poteri calorifici evidenzia che la

4 2

temperatura ottimale per la pirolisi dovrebbe essere tra 600°C e 700°C. Infine, è

stato effettuato uno studio cinetico della pirolisi, basata sulla generazione di gas

dalla decomposizione termica del residuo. Da questo modello sono stati

determinate le costanti di velocità per la formazione di ogni gas e le loro

corrispondenti energie di attivazione. 6

2 MONITORAGGIO IN CAMPO

Sono stati monitorati 100 metri quadri coltivati a cardo nella stazione sperimentale

di Casalina (Deruta), vedi figura 2.1.

Figura 2.1 Stazione sperimentale di Casalina

Prima sono stati raccolti e contati i fiori; sono stati misurati 454 fiori. Da questo

campione iniziale sono stati separati 21 fiori, che poi sono stati pesati e per i quali

sono stati contati i semi contenuti in ciascun fiore. Si è provveduto quindi ad

impostare una regressione lineare tra il peso dei fiori ed il peso dei semi. I dati

ottenuti sono riportati in tabella, mentre la correlazione è mostrata in figura 2.3. 7

Figura 2.2 Interno del fiore

Tabella 2-1 Dati ricavati dall'analisi di 21 fiori della stazione di Casalina

Peso fiore (g) N° semi Peso semi (g) Peso semi/Peso fiore*100

1 31,38 236 8,7 27,72

2 35,55 170 3,8 10,69

3 74,3 560 24,55 33,04

4 15,53 85 1,32 8,50

5 11,74 50 0,79 6,73

6 46,06 252 10,59 22,99

7 51,8 320 14,48 27,95

8 47,28 250 11,39 24,09

9 46,24 252 11,66 25,22

10 36,32 253 9,82 27,04

11 51,68 305 13,8 26,70

12 27,25 210 5,61 20,59

13 51,32 264 12,4 24,16

14 44,81 330 13,1 21,96

15 33,42 244 9,67

16 40,1 400 13,48

17 44,68 318 11,64

18 36,37 246 8,95

19 45,08 268 11,58

20 23,72 55 0,83

21 51,42 323 16,24 Peso semi x parcella (100 mq)

Media 10,209524 4,63 kg

Somma 214,4 Produzione di semi per ettaro

463 kg 8

Il peso totale dei semi ottenuti dalla parcella di 100 metri quadri è stato derivato

inserendo ogni singolo peso dei fiori raccolti nella seguente legge di regressione

(centrata nell’origine) ottenuta considerando i dati sperimentali derivanti dall’analisi

dei 21 fiori: = 0,2662x

Sommando le 454 si è riuscito a stimare il peso totale dei semi. Il dato finale

ottenuto è stata una resa di 4,63 kg di semi/ha. 2

∑ (

̂ −̅)

2

=1

=

È stato indicato anche il coefficiente di determinazione che è una

2

∑ ( ̅)

−

=1

misura della bontà dell’adattamento della regressione lineare stimata ai dati

osservati ed essendo pari a 0,8006 dimostra che la regressione è abbastanza buona.

Peso fiore vs Peso semi

30 y = 0,2662x

25 R² = 0,8006

(g) 20

semi 15 peso semi

Peso 10 Lineare (peso semi)

5

0 0 20 40 60 80

Peso fiore (g)

Figura 2.3 Retta di regressione peso fiore peso semi

Da questi semi è stata fatta l'estrazione dell'olio (vedi figura 2.4). L’olio è stato

estratto in una prima fase per pressione (processo meccanico) e successivamente il

residuo della pressione è stato sottoposto ad un processo chimico utilizzando esano.

9

Figura 2.4 Fasi dell'estrazione dell'olio dai semi di cardo

La resa in olio è stata pari al 21%. I dati medi ottenuti dal monitoraggio sono

presentati in tabella 2-2.

Tabella 2-2 Dati ricavati dal monitoraggio in campo di Cynara cardunculus del campo sperimentale di Casalina di proprietà della

Fondazione per l’Istruzione Agraria dell’ Università degli Studi di Perugia

Numero fiori nella parcella di 100 m^2 454

Numero fusti nella parcella di 100 m^2 198

Numero fiori per ogni fusto 2,29

Altezza media fusto (cm) 137

Diametro medio fusto (cm) 1,76

Numero semi x fiore 256,71

Peso medio fiore più fusto (Kg) 0,1537

Peso medio semi per pianta (Kg) 0,0234

Kg. semi/ha 463

Kg. fiori/ha 1.345 10

Kg.fusti/ha 1.704

Kg. fiori + fusti (biomassa)/ha 3.044

Resa in olio (kg/ha) 97

2.1 CONFRONTO CON DATI DI LETTERATURA

Tabella 2-3 Dati ricavati dal monitoraggio in campo del cardo trovati in lavori di letteratura [2-4]

Materiale di propagazione Seme

Resa (t/ha di s.s.) Biomassa 7,5 - 10

Resa (t/ha di s.s.) Semi 0,6 - 1

Percentuale degli acheni sulla biomassa Circa 10

totale (%)

Resa media in olio (%) Circa 20

Densità media (piante/ha) 16.000-28.444

Resa media dei semi (Kg/ha) 603

CARATTTERISTICHE BIOMETRICHE

Numero fiori x fusto 3-5,7

Altezza media fusto (m) 1 - 2.1

Diametro medio fusto (cm) 1,8 – 2,2

Numero semi x fiore 126

Peso medio fiore e fusto (g) 21.7 - 166.5

Peso medio semi 32 g per 1000 semi

ANALISI CHIMICO FISICHE

Umidità indicativa alla raccolta (%) 10 - 15

Ceneri (%) 10 - 16

Cloro nelle ceneri (%) 0,3 – 1,7

Potassio nelle ceneri (%) 2 - 2,5

Potere calorifico inferiore (MJ/kg) 14 - 17

COMPOSIZIONE OLIO

60% acido linoleico

25% acido oleico

11% acido palmitico

4% acido stearico

Da un confronto dei dati di Letteratura con i dati rilevati nella stazione sperimentale

di Casalina si nota come ci sia una differenza in merito ai kg di semi prodotti per

ogni ettaro. In particolare nel caso della coltivazione di Casalina, si hanno 463 kg

11

semi/ha che è una produzione inferiore rispetto agli altri casi trovati in letteratura

ove la produzione si attesta a circa 600 kg/ha. Inoltre si può notare come ci sia una

differenza anche nella resa di biomassa totale, che nel caso della coltivazione di

Casalina risulta di 3 t/ha di s.s. mentre i dati di letteratura mostrano delle rese che

variano in un range di 7,5-10 t/ha di s.s..

Queste due differenze sono probabilmente dovuta al fatto che nella stazione di

Casalina non è stato utilizzato alcun tipo di fertilizzante inorganico preferendo

l’impiego degli stessi residui colturali.

Un altro dato che desta interesse è la presenza di cloro nelle ceneri. Anche se questo

componente è presente in piccolissime percentuali (0,3-1,7% sul totale delle ceneri)

è possibile che si possano sviluppare diossine durante la combustione del cardo tal

quale. Il cloro come dimostrato da un documento trovato in Letteratura [11] è

contenuto in piccole percentuali nelle spine delle foglie in cui si concentra il

contenuto di ceneri.

3 DESCRIZIONE STRUMENTI USATI NELLE PROVE

3.1 DESCRIZIONE REATTORE BATCH

In questo paragrafo si descrive l’intero impianto di p