Impianti meccanici completo

Introduzione al corso di impianti meccanici

Il P&I, ovvero Piping&Instrumentation, è il luogo in cui sono indicati tutti gli elementi circuitali di un impianto e tutto ciò che serve a farlo funzionare correttamente. Si differenzia da un’altra sigla, che è la PFD, Process Flow Diagram, che indica quello che è un diagramma di principio, che mostra quali sono i componenti essenziali di un impianto (ma non come questo impianto viene progettato).

Prendiamo ad esempio un ciclo frigorifero, costituito da un compressore, un condensatore, un ricevitore di liquido, una valvola di laminazione e un evaporatore:

Su un diagramma p-H potremmo rappresentare lo stesso circuito in questo modo: due schemi che sostanzialmente danno le stesse informazioni. Lo scopo del corso è quindi di quello di prendere degli impianti partendo da un PFD, identificando la componentistica necessaria e sufficiente a far funzionare l’impianto.

Biomasse

La direttiva comunitaria del 2001, recepita nel 2003, definisce la biomassa come la parte biodegradabile dei prodotti e i residui provenienti dall’agricoltura e della silvicoltura e industrie connesse, nonché la parte biodegradabile dei rifiuti industriali urbani. Fra le biomasse più comuni abbiamo: legno, sorgo, sansa (risultato della spremitura delle olive), residui di lavorazioni industriali, reflui zootecnici.

Possiamo inoltre distinguere biomassa residuale e biomassa dedicata: della prima sfrutto i residui per la termovalorizzazione; la seconda invece riguarda certe colture (come ad esempio i pioppi) coltivate apposta per la termovalorizzazione.

Categorie di biomasse

• Le lignocellulosiche, soggette a diversi trattamenti, come pirolisi e gassificazione: scaldando biomassa vegetale o comunque qualsiasi cosa contenente carbonio, idrogeno e in difetto di ossigeno, non realizziamo una combustione ma semplicemente un riscaldamento, le molecole di carbonio e idrogeno si scindono ad una temperatura sufficiente e si ottengono le cosiddette SOV (sostanze organiche volatili). Così facendo riusciamo a liberare tutte le componenti organiche in forma gassosa. Se invece raggiungiamo temperature più elevate aumenta la produzione di syngas e avviene ciò che chiamiamo gassificazione. Questi due processi hanno un grandissimo tallone d’Achille, che è la produzione di TAR, sostanze organiche che condensano a temperature relativamente basse e vanno a generare un olio (catrame) che intasa i tubi, aggiungendo un’ulteriore problematica da risolvere;
• Le amidacee-zuccherine, come barbabietole, canna da zucchero, da cui facciamo estrazione di zuccheri e fermentazione ad alcoli;
• Le oleaginose, come olive, mais, colza e tutti quei prodotti i cui semi danno olio, da cui, a seguito dell’estrazione, ricaviamo il cosiddetto biodiesel;
• Gli scarti di zootecnia, i quali producono, attraverso digestione anaerobica, i biogas (contenenti frazioni di metano e idrogeno, grandi quantità di CO₂), un prodotto che, se opportunamente trattato, può alimentare motori a combustione interna.

Caratteristiche fisico-chimiche delle biomasse

• Potere calorifico inferiore (PCI): il potere calorico di una biomassa si aggira fra i 10 e 15 mila kJ/kg (all’incirca un terzo del gas metano), ed esprime la quantità di calore generata dalla combustione completa di 1 kg di biomassa, considerando l’acqua allo stato vapore di 100°C, quindi considerando fumi che non condensano.
• Umidità: l’umidità presente nelle biomasse è considerata una zavorra poiché in fase di combustione l’acqua presente all’interno della biomassa verrà completamente vaporizzata (scaricata al camino) e per vaporizzare un kg d’acqua dovremmo spendere 2500/2600 kJ/kg. Quindi se ad esempio io avessi un kg di biomassa con la metà in peso di acqua, anziché avere un potere calorifico di 15000 kJ/kg, ne avrei circa 8000, e di questi 8000 una parte (2600 diviso 2) vanno impegnati per far evaporare l’acqua. L’umidità rappresenta un fattore fondamentale per il rendimento della combustione stessa.
• Densità: abbiamo due tipi di densità, la densità assoluta, ovvero quella misurata eliminando tutti gli interstizi e tutte le porosità presenti all’interno della biomassa, e la densità in mucchio (BS = bulk soil) che tiene conto del volume comprensivo di interstizi (sarà quindi all’incirca la metà della densità reale).
• Rapporto C/N: rapporto ponderale, maggiore è la percentuale di carbonio, più sarà il potere calorifico sviluppato dalla biomassa.
• Produzione media: rappresenta la quantità di biomassa prodotta con un ettaro di terreno, e si misura in ton/ha oppure in GJ/ha (se mi interessa l’energia prodotta da un ettaro di terreno). Per noi la densità è più importante poiché c’è il problema del trasporto.
• Composizione chimica: i metalli presenti in queste colture ci sono e non sono affatto trascurabili, per cui la composizione chimica dev’essere nota, poiché quando facciamo la combustione di questi oggetti dobbiamo sapere quali sono i prodotti della combustione, perché altrimenti non riusciremmo a dimensionare il sistema di abbattimento (dato che la biomassa non è a impatto zero).
• Area teorica di combustione (o stechiometrica): indica la quantità presente in aria contenente esattamente tanto ossigeno quanto necessario per bruciare una quantità stabilita di combustibile.
• Eccesso d’aria: percentuale di aria alimentata in eccesso rispetto alla quantità teorica o stechiometrica.

Come già anticipato, esiste una correlazione fra potere calorifico inferiore e percentuale di umidità presente nella biomassa, ovvero: (N.B. Il potere calorifico dell’acqua è zero!!)

Quindi dovendo pagare il potere calorifico della biomassa, un prodotto umido varrà decisamente di meno, in quanto una più elevata percentuale di umidità diminuisce bruscamente il rendimento della combustione.

Un prodotto umido contiene un potere calorifico più basso a causa della presenza di acqua, quest’acqua evapora portando via tanta energia, per poi finire al camino. In un impianto a biomassa la temperatura del camino dev’essere mantenuta relativamente elevata (120-130°). Oggi si va verso le caldaie a condensazione, ovvero che scaricano fumi a basse temperature, e queste non condensano tutto, bensì una parte del vapore. Il vapore è presente come un gas all’interno dei fumi, quindi quando provo a condensare tutta l’acqua presente non ci riesco perché la pressione all’interno dei fumi è data dalla somma delle pressioni parziali dei gas che lo contengono (ossigeno, azoto, gas nobili e vapor d’acqua); quando lo vado a condensare, lo vado ad estrarre, per cui la sua pressione parziale diminuisce, di conseguenza se all’inizio riusciamo a condensare a temperature relativamente basse, vuol dire che abbiamo raggiunto la temperatura di condensazione alla pressione parziale del vapore che è contenuto all’interno dei fumi.

Quando ho fluido si trova all’interno di una miscela di fluidi, come ad esempio l’umidità che ho nell’aria che respiro, questo fluido si comporta come se da solo occupasse l’intero sistema. Ha quindi la pressione parziale che avrebbe se occupasse da solo l’intero volume. Quando comincio a condensare, la presenza di acqua all’interno del volume diminuisce, quindi diminuisce la sua pressione di saturazione (o di condensazione), di conseguenza se voglio condensare ancora devo abbassare la temperatura, la pressione parziale diminuisce ancora perché ho sottratto altra acqua e così via, con il risultato che non tutto il vapor d’acqua potrà essere recuperato, ovvero recupero una certa quantità fino ad una temperatura di 60° a cui corrisponde una pressione parziale di vapore di 0,15 bar. Ovviamente il limite della temperatura di condensazione dipende dalla sorgente fredda in mio possesso. Il calore specifico a pressione costante dell’aria è circa 1 kJ/kg°C, vuol dire che per una variazione di 10° immetto 10 kJ/kg di energia nel sistema, quindi per variare di 10° la temperatura dell’aria, ho 10 kJ/kg; per far evaporare 1 kg di acqua ho bisogno di 2600 kJ/kg, quindi quando abbasso la temperatura di 10 gradi e vedo la condensazione dell’acqua, la gran parte della potenza estratta dal fumo è data dalla condensazione dell’acqua e non dal calore derivante dalla variazione di temperatura dell’aria.

Quindi questi sono i tre punti che ci sconsigliano di produrre vapore da combustione oltre quello strettamente necessario, ovvero quello che compete all’ossidazione dell’idrogeno presente nelle biomasse; l’ossidazione dell’idrogeno produce acqua e quella è oggettivamente ineliminabile come produzione. Diventa utilizzabile se riesco a condensarlo, almeno parzialmente.

Molto importante è anche l’influenza dell’eccesso d’aria rispetto alla combustione. In ordinata abbiamo in scala logaritmica la CO (principale tipologia di gas incombusto, l’efficienza della caldaia è data dalla quantità di incombusti presenti nel camino) e in ascissa il rapporto effettivo fra aria e combustibile e lo stesso in condizioni stechiometriche. La percentuale di gas incombusti ha un riflesso immediato e pesantissimo sul rendimento perché è tutta parte di combustibile che non utilizzo e che non riesco a recuperare; il fumo si porta via del calore sensibile, acqua allo stato vapore e degli incombusti. Guardando questo grafico bisogna porre particolare attenzione al minimo (minima quantità di incombusti, massimo rendimento) e al fatto che migliore è la caldaia e più ci si sposta verso valori di eccesso d’aria più bassi, questo vuol dire buttar via meno fumi.

Sono quindi due gli elementi che incidono negativamente sull’efficienza: la produzione di incombusti (energia sottratta al potere calorifico perché non sono riuscito a completare la combustione dell’ossido di carbonio) e la presenza di umidità. Aumentare l’efficienza è molto importante, in quanto raddoppiando il rendimento della combustione si dimezza la quantità di combustione utilizzato a parità di energia prodotta.

Le biomasse di origine forestale

Quindi le biomasse lignocellulosiche sono costituite da tre elementi:

• La lignina: la parte più nobile dal punto di vista energetico, l’elemento che conferisce rigidità all’albero, rappresenta il 20-30% in peso e contiene un potere calorifico di 25000 kJ/kg (circa la metà del metano);
• La cellulosa: rappresenta il 50% in peso del legno e contiene un potere calorifico di 16000 kJ/kg;
• L’emicellulosa: non da nessun contributo positivo alla densità energetica di combustibile.

Ci sono due categorie di informazioni: quelle che riguardano il prodotto in senso stretto e quello che ci consegnano, quindi specifiche, classe del combustibile, campionamento, densità, ceneri. È molto importante sapere quante ceneri produce il combustibile alla fine della combustione, perché se è vero che devo portare il combustibile alla caldaia, è anche vero che devo smaltire le ceneri prodotte portandole in discariche di rifiuti speciali, il tutto ad un costo non trascurabile.

Pellet

Il pellet è la riduzione in polvere della massa lignocellulosica (quindi prodotti di segherie, scarti di legno, ecc.) in modo da rendere il materiale omogeneo; tuttavia è difficilmente trasportabile in quanto carico dei volumi enormi ma dei pesi bassissimi (la segatura ha una densità in mucchio che si aggira attorno ai 200 kg/m³, quindi siamo sempre a giocare su questi due piatti della bilancia: abbiamo bisogno di massa per produrre potenza, abbiamo bisogno di densità alte per stoccare di meno. Una volta aver reso omogeneo ed isotropo il nostro materiale attraverso l’utilizzo di filiere.

Il formato di un pellet è standardizzato e normato in base a diametro e lunghezza: secondo la normativa EN ISO 17225-1:2014, stabilito un diametro, si sceglie una lunghezza compresa all’interno di un certo range. La combustione di un pellet integro è completamente differente da quella di un pellet frantumato, questo è il motivo per cui per ogni diametro abbiamo un minimo valore di lunghezza del pellet. Un altro parametro che caratterizza il pellet è la percentuale di umidità che, a seconda della categoria di pellet, dev’essere inferiore al 10% o al 15%; poi abbiamo come parametro le ceneri (ash), ci si riferisce alla somma di due tipologie di ceneri, le bottom ash (le ceneri di fondo, quelle pesanti) e le fly ash (le ceneri volanti, tutto quel particolato che ritroviamo nei fumi); la componente organica presente all’interno delle ceneri ci dà gli incombusti (vedi ad esempio la fuliggine nera presente all’interno dei camini, anche detta carbon black); in ottica di economia circolare, il recupero della fly ash, e quindi del carbon black, ha una potenziale destinazione (utilizzato per le gomme delle automobili o per il toner delle stampanti) previa spesa per la gassificazione e la successiva immissione nel mercato con diversi gradi di purezza. Un altro parametro fondamentale è la durabilità, intesa come la capacità del pellet di rimanere intatto se movimentato. Chiaro che un pellet con alta densità avrà una durabilità superiore rispetto ad un pellet a bassa densità. Molto importante è anche la quantità di fini, infatti se il particolato è molto fine ha una caratteristica di combustione completamente diversa rispetto alla combustione del pellet: la combustione del pellet è una combustione a superficie, è un processo che passa attraverso fenomeni di essiccazione e gassificazione. Quando effettuo la combustione di una particella molto piccola (sotto il mm) questa si scalda in maniera omogenea e istantanea, ha quindi una vaporizzazione immediata di tutto ciò che è volatile, dall’acqua alle sostanze organiche, si ha una specie di piccola esplosione, la particella si disintegra e la combustione avviene in maniera istantanea. È evidente che se utilizzo un oggetto con un potere calorifico di un certo valore e lo utilizzo in tempi brevissimi, la potenza espressa è elevatissima.

Abbiamo inoltre la densità a mucchio (bulk density) misurata sversandolo. Pellet, cippato e briquettes vengono classificati in classi: A1 e A2. La classe A1 costa di più ma presenta numerosi vantaggi, come la minor percentuale di ceneri (circa la metà di una classe A2), minor presenza di umidità e maggior densità in mucchio.

Considerazioni finali sulle biomasse

GWP (Global warming potential) = potenziale di riscaldamento globale, l’anidride carbonica ad esempio ha un potenziale pari a 1, il metano batte fra i 20 e i 25, quindi 1 kg di metano è impattante quanto 25 kg di anidride carbonica.

Le energie rinnovabili contano un problema fondamentale, ovvero la discontinuità della fornitura di energia; naturalmente questo crea un problema, che è quello dell’accumulo e crea una prospettiva di risoluzione che risiede nelle cosiddette Smart grid, ovvero delle reti elettriche rigidissime: nella rete passa una certa potenza destinata all’utente, e l’utente consuma esattamente l’energia fornita, non c’è quindi possibilità di accumulo all’interno della rete elettrica. Dal punto di vista elettrico l’accumulo è molto difficile poiché occorrerebbero delle batterie di enormi dimensioni, con il problema che andrebbero smaltite; una cosa quindi che non si può fare.

La biomassa sostanzialmente è un serbatoio di carbonio: la pianta assorbe CO₂ e attraverso la luce e le macchine molecolari, l’anidride carbonica si scinde in O₂ che se ne va via e in carbonio, che verrà incamerato nella lignina. In questo caso possiamo quindi stoccare la riserva energetica e utilizzarla quando necessaria.

Possiamo fare una classificazione fra i combustibili utilizzati per il riscaldamento in base al costo al MWh: il GPL è il più costoso (250 €/MWh), seguono il Gasolio (125) e il Metano (82), dopodiché abbiamo le biomasse come pellet in sacchi da 15 kg (65), legna da ardere sfusa (40) e cippato (26); questo spiega perché il cippato è un’ottima alimentazione per gli impianti di tipo industriale. Le differenze di costo dipendono anche dal fatto che i combustibili fossili (GPL, gasolio e metano) scontano tasse enormi (i 2/3 del costo della benzina è dato da tasse).

Processi di valorizzazione energetica delle biomasse

Addentrandoci nell’impiantistica per la valorizzazione energetica, esaminiamo meglio quelli che sono i processi di valorizzazione: le biomasse lignocellulosiche vengono trattate principalmente con pirolisi e gassificazione o con sintesi, da cui si ottiene syngas. Da questi trattamenti si arriva direttamente alla combustione, quindi legno che viene trasformato in cippato o pellet; a seguito di questi trattamenti si generano carbone vegetale e gas, il carbone vegetale va a combustione, il gas può essere destinato ad altri trattamenti al fine di ottenere biometano. La pirolisi è un processo di decomposizione termochimica di materia organica mediante il riscaldamento in completa assenza di materiale ossidante; riscaldare una biomassa in assenza di ossigeno fa sì che si liberino le cosiddette SOV (sostanze organiche volatili); questo processo continua fino a 500/600 gradi, ma già da temperature attorno ai 400 gradi si è volatilizzato un buon 90% di sostanze organiche. Ovviamente riscaldando a temperature superiori si spende anche più energia, ma non solo, a parità di potenza posso avere un fumo che esce fuori a 150 gradi piuttosto che a 700 gradi, e se le portate sono proporzionali il contenuto entalpico a definire quanto è pregiata l’energia.