Descrizione del progetto

Analisi del contesto e motivazioni generali del progetto 

 

La presente proposta è relativa ad un progetto di ricerca integrato di filiera, che intende definire strumenti operativi per governare  l’origine delle biomasse, la loro qualità, le problematiche ambientali derivanti dallo stoccaggio, l’efficienza del processo di trasformazione in energia e l’impatto che la produzione di energia comporta in termini di emissioni e di residui solidi, nella consapevolezza che un’energia di buona qualità si ottiene solo con biomasse di buona qualità ed un processo di buona qualità.

 

La produzione di energia basate sulle biomasse considera la materia prima  prevalentemente in termini di contenuto energetico (potere calorifico), di efficienza, di disponibilità, di movimentazione e di costo.

L’origine territoriale delle biomasse non viene di norma considerata importante. Viceversa essa rappresenta un fattore primario poiché i costi energetici del trasporto, e la conseguente produzione di CO2 derivanti dal consumo di carburanti per il trasporto, sono fattori cruciali per un bilancio del carbonio “neutrale” (carbon neutral) dell’impiego delle biomasse; inoltre lo sfruttamento delle risorse del proprio territorio rappresenta un volano economico fondamentale per l’impiego virtuoso dell’energia, che si integrerebbe con la filiera foresta-legno e con un sistema economico integrato nell’economia territoriale. Tuttavia il sistema di trasporti internazionale rende possibile e – in funzione del mercato e della situazione internazionale – conveniente impiegare biomasse non controllate di origine sconosciuta (o nota solo attraverso documenti di trasporto facilmente alterabili); tale condizione è quella che si verifica peraltro normalmente in molti impianti a biomasse in Trentino.

Altro fattore critico dell’impiego delle biomasse è ad oggi il mancato controllo della presenza eventuale di inquinanti solidi; infatti il cosiddetto legno vergine – non sottoposto a particolari restrizioni normative  – viene definito come tale per via amministrativa in funzione della assenza di composti alogenati organici o metalli pesanti derivanti da trattamenti (Direttiva Incenerimento, CEN TC 335 Solid Biofuels), indipendentemente dalla effettiva presenza di sostanze complementari (resine collanti, vernicianti non alogenati) o di contaminanti occulti. Questi ultimi possono avere disparate origini quali la provenienza da foreste o piantagioni inquinate (impianti in terreni ex-industriali non bonificati), ammalate (avvelenamento da composti mobilizzati da piogge acide) e contaminate (radio-attività da fall-down [Chernobyl], da rifiuti tossici, ecc.).

Analogamente la presenza di inquinanti volatili è sottovalutato, sia per quanto riguarda le emissioni endogene di alcune specie legnose (in particolare le resinose) sia per quanto riguarda la contaminazione di molecole aromatiche contaminanti (per esempio solventi e  residui non dichiarati di precedenti trasformazioni industriali del legno).

Un ulteriore aspetto che riteniamo non sufficientemente valutato ad oggi è il monitoraggio, ed eventualmente lo sfruttamento, per fini energetici, dei gas prodotti dalle fermentazioni delle biomasse umide durante lo stoccaggio in attesa della conversione energetica. I prodotti di tali fermentazioni sono in parte noti, ma sono poco assestati i protocolli di controllo e gestione del fenomeno . Mediante tecnologie di rilevazione di sistemi molecolari volatili (spettroscopia laser PA e spettrometria di massa PTR-MS) riteniamo di poter misurare i gas prodotti da fermentazioni in differenti condizioni (specie legnosa, umidità del materiale, dimensione delle particelle, intervalli di temperatura, regimi di variazioni di temperatura, ecc.) per una loro caratterizzazione. Le tecnologie che si intendono impiegare rispondono a requisiti di elevata sensibilità, di non-invasività e con risposta  in tempo reale.

Nell’ambito delle diverse tecnologie di trasformazione delle biomasse in energia, la combustione risulta il processo più maturo tecnologicamente rispetto ad altre tecnologie (più noto, più diffuso, più accessibile) e al tempo stesso più sensibile alle caratteristiche del combustibile impiegato; inoltre la combustione è il processo più efficacemente migliorabile anche con una opportuna selezione del combustibile, e con applicazioni trasferibili sul mercato e con ricadute sul territorio immediatamente percepibili.

In effetti la trasformazione delle biomasse mediante combustione pone una serie di problematiche spesso sottovalutate. Infatti l’ottimizzazione dell’efficienza del processo e la minimizzazione delle emissioni, pur presenti anche quando si impiegano combustibili di origine naturale e sostenibile, sono funzione di molteplici parametri, tra i quali ricordiamo la tipologia delle biomasse (legno vergine, residui non contaminati, legni più o meno ricchi di estrattivi, ecc.), la morfologia (polveri, chips, pellets, rami, toppetti, ecc.), il contenuto di resine o estrattivi (terpeni, polifenoli, presenza di metalli pesanti,) nonché  il contenuto di umidità, fattore quest’ultimo che influenza sia la resa energetica che la qualità dei processi di trasformazione termochimica che avvengono nel generatore di calore (caldaia).

La combinazione dei parametri citati e le continue variazioni delle condizioni operative rende il controllo di processo assai più complesso di quanto normalmente considerato.

Mediante sistemi di controllo di laboratorio calibrati su lotti di biomasse con combinazioni di parametri noti e standardizzati, in particolare per quanto riguarda il condizionamento igrometrico,   intendiamo monitorare input ed output del processo di trasformazione e di implementare un sistema di controlli in-linea sulla caldaia sperimentale adibita alla sperimentazione allo scopo di ottimizzare il rendimento termico e di minimizzare le emissioni.

Il contesto trentino si presta all’ambizione di governare la produzione di energia da biomasse con un profilo qualitativo elevato sia per le peculiarità del territorio – green, small, smart – sia per una vocazione turistica che si basa su sostenibilità e sulla immagine “verde” sia infine per la “vision” che la classe politica ha predisposto per lo sviluppo futuro con l’attivazione di un Distretto Tecnologico, che peraltro partecipa al Trasferimento Tecnologico del presente progetto. In questo ambito il Distretto Tecnologico Trentino – che opera con forte presenza sul territorio come integratore di sistema, favorendo la collaborazione tra imprese private ed istituzioni pubbliche per promuovere lo sviluppo di filiere specializzate nei settori delle energie rinnovabili e delle tecnologie ambientali – rappresenta lo strumento ideale per il trasferimento tecnologico dei risultati della ricerca proposta alle oltre 300 imprese, con più di 8.000 addetti, partecipanti al Consorzio stesso.

 

Obiettivi generali del progetto

 

Obiettivo generale del progetto è  l’ innovazione e l’ottimizzazione dello sfruttamento di energia da biomasse spontanee rinnovabili di qualità controllata, derivanti dalla manutenzione programmata dei boschi e dal re-impiego di legno derivante da attività industriali della filiera foresta-legno, con valorizzazione delle biomasse di qualità prodotte localmente allo scopo di produrre energia con risorse di caratteristiche note e legate al territorio, mediante strumenti di controllo innovativi sulla origine e sulla qualità delle biomasse impiegate.

La tecnologia di riferimento per la produzione di energia da biomasse è la combustione, tecnologia matura e ampiamente presente sul mercato ma che necessita di studi volti alla ottimizzazione del processo sia per quanto riguarda la resa energetica che le emissioni.  Il processo di combustione ha, infatti, un impatto rilevante sull’ambiente legato alla qualità dei combustibili, anche quelli di origine biologica e derivanti da risorse rinnovabili.

Un ulteriore obiettivo qualificante, è la generazione di innovazioni concrete in grado di produrre delle ricadute applicative sul tessuto territoriale e sul contesto socio-economico trentino; a tale scopo è previsto il coinvolgimento del Consorzio “Distretto Tecnologico Trentino”, così da favorire il trasferimento tecnologico e delle conoscenze tra gli enti partecipanti alla ricerca e il sistema delle imprese operanti nella filiera foresta-legno e di quelle della filiera energia-ambiente.

Per raggiungere gli obiettivi generali identificati, il progetto si basa sulle sinergie e collaborazioni tra istituti e centri di ricerca localizzati in Trentino quali IVALSA/CNR, Università di Trento e Fondazione Kessler, unitamente a una qualificata Università dell’est europeo allo scopo di condividere non solo attrezzature, ma in particolare esperienze e conoscenze specifiche. Inoltre esso si integra con alcune linee di Ricerca attualmente in essere in IVALSA (Modulo “Certificazione di Origine del Legno Trentino” in Convenzione PAT-CNR “SOFIE2”), in FBKessler (“Spettroscopia e Spettrometria per l’Agroindustria e l’Ambiente”) e le attività istituzionali della Cattedra di Fisica Tecnica Ambientale.

Un ulteriore strumento per la condivisione e la diffusione di conoscenze specialistiche e per il trasferimento tecnologico è stato identificato nel coinvolgimento e nella formazione di giovani ricercatori, che rappresentano un  elemento preponderante nell’economia del progetto sia in termini di risorse temporali (previsti in misura di 42 mesi/uomo) sia in termini di investimento finanziario (circa il 50% del co-finanziamento richiesto).

 

Obiettivi specifici per lo sviluppo delle conoscenze ed innovazione delle metodologie

 

Gli obiettivi specifici ritenuti necessari per centrare l’obiettivo generale di cui al punto precedente, sono i seguenti:

 

1) messa a punto di strumenti realistici di controllo dei flussi delle biomasse boschive per monitorare l’origine del materiale ed evitare i fenomeni di trasferimento di stock inquinati (es. chips radioattivi) o derivanti da tagli abusivi in Paesi esteri.

La identificazione della provenienza del legno è normalmente ritenuta non attuabile a posteriori con alcuna metodologia o attrezzatura nota. IVALSA ha condotto una serie di studi, in corso di pubblicazione, relativamente all’impiego dell’Infrarosso Vicino (NIR) che, attraverso metodi statistici (quali l’Identity Test, o l’Analisi dei Residui, o altri) e banche-dati appositamente organizzate, è in grado di  escludere o ammettere provenienze note. Per raggiungere questo scopo è necessario effettuare dei campionamenti di legno in modo mirato e conoscendone la provenienza, ed immetterne gli spettri nel data-base delle specie legnose europee che IVALSA sta già costruendo. Si intende associare al NIR – su cui esistono esperienze pregresse nella applicazione in oggetto - anche la lettura in MIR-ATR, nella banda cosiddetta di “finger-printing”.

Il metodo proposto per effettuare le attribuzioni di provenienza di lotti di legno di origine ignota non è completamente assestato ed è ancora in corso di sviluppo, poiché molte sono le variabili che concorrono alla segnatura dello spettro NIR tra cui verosimilmente il momento del taglio; tuttavia riteniamo di poter giungere a verificare l’efficacia della metodologia nell’arco di svolgimento del presente progetto in virtù dell’ampiezza e distribuzione dei campionamenti.

L’obiettivo di fondo del controllo della origine territoriale è quello di limitare lo spostamento delle biomasse per mantenere il bilancio “carbon neutral” dell’impiego delle biomasse stesse e di favorire l’impiego di biomasse locali e le filiere ambiente-energia localizzate sul territorio.

 

2) messa a punto di strumenti realistici di controllo di sostanze inquinanti solide presenti nelle biomasse di origine boschiva, nei residui di lavorazione delle imprese di trasformazione del legno e in manufatti in legno o in prodotti derivati dal legno a fine ciclo di vita.

La tecnologia ATR permette di impiegare la tecnologia Infrarosso nella banda adiacente a quella NIR, cioè nel cosiddetto Medio infra-rosso (MIR). Gli spettri di questa banda sono associati a molecole organiche (che nel caso di biomasse per la produzione di energia sono da considerare come inquinanti) catalogate in data-base, come sostanze pure, impiegati in diversi settori industriali.  

Inoltre sarà misurata, con misurazioni di assorbimento atomico, la presenza e la quantità di metalli pesanti, la cui tossicità e persistenza possono rendere critico lo smaltimento delle ceneri.

Obiettivi di fondo sono i) implementare dei data-base di miscele di molecole che rappresentino possibili inquinanti solidi, in funzione della tipologia (industriale, manufatti a fine vita, ecc.) delle biomasse e ii) quantificare tipologia e concentrazioni di metalli, allo scopo di implementare tecniche e procedure di controllo per prevenire l’impiego di biomasse che comportino rischi per il territorio o per la salute dei cittadini.

 

3) messa a punto di strumenti realistici di monitoraggio di sostanze volatili derivanti sia da contaminazioni delle biomasse originanti come residui di altri processi industriali sia dalle fermentazioni nei cumuli di stoccaggio di biomasse umide, allo scopo in un caso di evitare emissioni non controllate e nell’altro caso di prevenire incidenti sul lavoro, dispersione di gas serra e nocivi; inoltre il monitoraggio dei gas da fermentazione può essere eventualmente considerato come strumento conoscitivo per la valutazione dello sfruttamento energetico dei gas prodotti.

Si noti che le metodologie e apparecchiature di misura e monitoraggio che saranno sperimentate rispondono a requisiti di speditività e di limitato impiego di risorse umane.

Obiettivo di fondo è implementare dei protocolli operativi delle tecniche di misura sottoposte a sperimentazione, idonei  a consentire controlli effettivamente applicabili da parte di Agenzie od Enti preposti (Appa, Asl, ecc.), per garantire la tutela del territorio e la salute dei cittadini.

 

4) Monitoraggio della qualità della combustione ottenibile con Impiego delle biomasse, controllate e selezionate come sopra, in impianto di combustione  sperimentale da 25 kW per la produzione di energia termica.

Allo scopo di modellizzare il comportamento dell’impianto in funzione delle caratteristiche del combustibile di alimentazione saranno effettuati dei cicli sperimentali di combustione con lotti di biomasse con caratteristiche volute tra cui la tipologia delle biomasse (legno, derivati, residui, manufatti, ecc.), la morfologia (polveri, chips, pellets, rami, toppetti, ecc.), il contenuto di resine o estrattivi volatili e solidi, e soprattutto  il contenuto di umidità.

Obiettivo di fondo è di implementare un sistema di controlli in-linea sulla caldaia sperimentale operativa presso il DICA. lI sistema di controlli  deriverà dagli input ed output del processo di trasformazione ricavati dai sistemi di controllo di laboratorio, a loro volta calibrati su lotti di biomasse di caratteristiche note.

Il controllo delle emissioni sarà realizzato con classici sistemi elettrolitici e sarà integrato con la verifica della presenza di metalli pesanti di maggior interesse nelle ceneri (Al, As, Cd, Pb, Mn, Cu ecc.); la presenza dei metalli pesanti sarà messa in relazione al contenuto delle biomasse ante combustione, agli spettri NIR e alle provenienze delle biomasse. Inoltre saranno conteggiate le polveri sottili secondo classi dimensionali, mediante apparecchiatura laser.

 

5) Il trasferimento tecnologico rappresenta lo strumento di raccordo con le realtà territoriali operanti nelle filiere di competenza, cioè foresta-legno ed energia-ambiente.

Obiettivo di fondo del DTTN è incoraggiare il travaso delle esperienze maturate nei laboratori in primo luogo nelle Aziende aderenti al Distretto stesso, e successivamente alle (poche) aziende non aderenti.