Simone Taddia
2. Obiettivi e metodologia
Il presente lavoro ha analizzato un approccio innovativo per la pianificazione di filiere biomassa- energia, partendo dall’analisi della qualità dell’aria e prendendo in esame l’impianto di teleriscaldamento a San Romano in Garfagnana. La costruzione di una filiera economicamente ed ecologicamente efficien- te, accanto alla realizzazione di un impianto centra- lizzato per la produzione di calore ed energia dalla biomassa, necessita di un’adeguata valutazione de- gli effetti economici e ambientali prima dell’esecu- zione di qualsiasi tipologia di progetto (Fagarazzi
et Al. 2012). Nel presente elaborato si è cercato di
analizzare le emissioni di un impianto di teleriscal- damento alimentato a cippato, per capire se, da un punto di vista ambientale, fosse a norma di legge e producesse meno inquinanti rispetto alla situazio- ne precedente, in cui le singole utenze generavano energia e calore da piccoli apparecchi domestici.
A livello di pianificazione l’obiettivo del lavoro è analizzare come una gestione centralizzata di produzione ed erogazione di energia da biomassa legnosa possa garantire vantaggi economici e am- bientali al territorio circostante, sia in termini di filiera (produzione e consumo locale del combu- stibile), sia in termini di qualità dell’aria (riduzio- ne delle emissioni inquinanti). In particolare, per verificare l’entità della produzione di inquinanti è stato necessario stimare le emissioni che si aveva- no prima e dopo la realizzazione dell’impianto di teleriscaldamento. Il lavoro si è articolato in diver- se fasi definendo le emissioni prodotte dai singo- li apparecchi termici censiti nella località di San Romano prima del 2009 (anno di realizzazione dell’impianto di teleriscaldamento) e quelle del- la centrale dopo il 2012 (anno in cui l’impianto di teleriscaldamento è entrato a regime). Gli steps dell’analisi si sono così susseguiti:
• determinazione, dalla letteratura, dei Fattori di Emissione (FE), ovvero i valori medi di emissio- ni degli impianti domestici più usati per la pro- duzione di calore (camini aperti, camini chiusi, stufe a legna, stufe a pellet, caldaia a GPL, calda- ia a gasolio, caldaia a metano);
• verifica, attraverso un’indagine diretta per cia- scuna utenza pubblica e privata allacciata alla rete di teleriscaldamento, del mix di tecnologie termiche precedentemente installate (caminet- to, stufa a legna, caldaia a gasolio, stufa a pellet, ecc.) e della tipologia e quantità di combustibile consumato in precedenza;
• - stima delle emissioni annue medie (ex an- te), per classe dimensionale e per unità di ener- gia utile (MWh), generate dalle singole tecno- logie domestiche e pubbliche sulla base dei FE desunti dalla letteratura;
• rilevazione delle emissioni attualmente prodotte dal nuovo impianto di teleriscaldamento a bio- massa (ex post), attraverso misurazione diretta su canna fumaria con strumento elettrochimico per analisi gassose e campionatore per l’analisi delle polveri;
• elaborazione dei dati rilevati presso l’impianto e comparazione con i limiti di emissione della normativa italiana;
• infine comparazione delle emissioni totali ex an- te ed ex post: si sono confrontate le emissioni che le utenze domestiche e pubbliche avevano prima della realizzazione dell’impianto centralizzato di teleriscaldamento con quelle emesse dal nuovo impianto accanto al saltuario uso di stufe e ca- minetti domestici.
Lo studio è stato sviluppato nell’ambito di un progetto transfrontaliero, attualmente in corso, condotto dal Dipartimento di Gestione dei Sistemi Agrari Alimentari e Forestali (GesAAF) dell’Uni-
versità di Firenze denominato BIOMASS PLUS.2
Le attività condotte con la presente ricerca si sono quindi integrate con le attività del progetto e sono connesse a un’attività generale di monitoraggio del- le filiere bioenergetiche in Italia e in Francia.
3. Analisi
3.1 Scelta del caso di San Romano in Garfagnana
Fra le filiere monitorate nell’area toscana all’in- terno del progetto BIOMASS PLUS, due tipologie sono risultate particolarmente interessanti: la filiera dell’Unione dei Comuni Montagna Lunigiana e la filiera del Comune di S. Romano in Garfagnana. La ricerca, in questi casi specifici, ha esaminato la loro fattibilità economica e finanziaria, quindi i benefici ambientali apportati alle comunità residenti e all’e- conomia locale attraverso la realizzazione di una fi- liera foresta-legno-energia (Fagarazzi et Al. 2014).
2 BIOMASS è stato un progetto finanziato dal Fondo Eu-
ropeo di Sviluppo Regionale nell’ambito del Programma di Cooperazione Transfrontaliera Italia-Francia “Maritimo” (promosso dalla Provincia di Lucca in partenariato con la Re- gione Liguria, l’Office du Développement Agricole et Rural de Corse, la Provincia di Nuoro, la Provincia di Massa-Carrara, la Provincia di Pisa e la Provincia di Grosseto per una dura- ta di 26 mesi: Aprile 2009 - Maggio 2011). BIOMASS ha creato le condizioni conoscitive, scientifiche, organizzative e di programmazione istituzionale funzionali alla promozione della filiera corta e ad un utilizzo delle biomasse che sia: dura- turo nel tempo; compatibile con le disponibilità della risorsa; socialmente condiviso; economicamente funzionale al settore agro-forestale. BIOMASS PLUS costituisce l’evoluzione del progetto ed è stato finanziato dal citato Programma “Maritti- mo” per gli anni 2007-2013.
Accanto a questi risultati il presente lavoro ha ana- lizzato i benefici ambientali, in termini di qualità dell’aria, apportati dalla costituzione di un impian- to di teleriscaldamento e di una filiera locale fore- sta-legno-energia a San Romano in Garfagnana.
L’impianto di teleriscaldamento nella località di San Romano in Garfagnana è stato costruito3 nel 2009 e portato a pieno regime nel 2012. Parte dei finanziamenti è arrivata dalla Regione Toscana con il Programma straordinario degli investimenti, nel 2005, e con bando POR-Creo per un impor- to complessivo di 254.000 euro, l’altra parte in- vece è stata finanziata direttamente dal Comune. L’Amministrazione comunale gestisce direttamen- te l’impianto avvalendosi delle forniture di bio- massa da parte di una cooperativa forestale locale. L’impianto, alimentato a cippato di legno vergine, è costituito da due caldaie indipendenti con potenza complessiva di 820 kW, in grado di modulare l’of- ferta termica a seconda delle variazioni e dei bisogni stagionali; fornisce riscaldamento ed acqua calda sa- nitaria a 102 utenze e ad edifici pubblici quali ostel- lo, palestra, scuole elementari, materna e asilo nido, nonché al palazzo comunale. Così facendo viene garantito un rendimento medio più elevato rispet- to ad un’ipotetica caldaia singola di pari potenza. Nei periodi estivi, quando la domanda termica si riduce alla sola acqua calda sanitaria, viene tenuta in funzione la caldaia più piccola, di 320 kW; men- tre nei periodi invernali viene utilizzata anche quella con potenza maggiore, raggiungendo come detto la potenza complessiva di 820 kW. La struttura edile dell’impianto è stata parzialmente interrata in modo da avere un minore impatto visivo e consentire un agevole accesso ai camion per lo scarico del cippato.
3.2 I fattori di emissione (FE)
La combustione domestica della biomassa co- stituisce un’importante fonte di emissioni in atmosfera, ed è anche una delle sorgenti la cui quan- tificazione presenta ampi margini di incertezza,
3 Progettista e direzione dei lavori: dott. ing. Paolo Vangi; re-
alizzazione dei lavori: Cooperativa Terra Uomini e Ambiente; realizzazioni tecniche e meccaniche: SiT (Società installatori Termoidraulici), IDROTERMICA, TECNOELETRIC.
sia per il suo carattere diffuso sia per la scarsità di studi specifici, soprattutto nel sud Europa. Per que- sto motivo è risultato necessario, ai fini della ricerca, riuscire a determinare dalla letteratura valori medi di emissioni degli impianti domestici più usati per la produzione di calore. Nell’analisi si sono presi in considerazione camini aperti, camini chiusi, stufe a legna e a pellet, caldaie a pellet, GPL, gasolio e meta- no. Quantificare e verificare l’incidenza che queste tipologie di apparecchi hanno sulle emissioni in at- mosfera ha una valenza strategica per dare suggeri- menti alla pianificazione di filiere biomassa-energia. Per questa prima parte dell’analisi sono stati pre- si in considerazione i fattori di emissione (FE). Gli FE definiscono la quantità di inquinante prodot- ta dall’apparecchio sulla base di un’unità generica di utilizzo, che può essere: il volume di gas emes- so, la quantità di combustibile bruciata o l’energia prodotta. In base alla tecnica di misura, i fattori di emissione delle polveri possono essere espressi sia come concentrazione in massa (mg/m3), sia come numero di particelle sul totale delle polveri (ppm) oppure per le singole frazioni dimensionali. In que- sto caso l’unità di misura analizzata, ampiamente utilizzata, è il gGJ-1; essa esprime fattori di emissio- ni in grammi per la forza lavoro immessa.
La scelta dei fattori di emissione costituisce un aspetto particolarmente critico e presenta non pochi problemi di affidabilità. I fattori di emis- sione devono essere scelti in base alle caratteristi- che dell’impianto, ricavando i dati dalla letteratura tecnico-scientifica di settore, e adattando i dati bi- bliografici alla particolare situazione applicativa. In particolare si sono identificati i fattori di emissione (FE) delle sostanze inquinanti più studiate,4 attra- verso una review della letteratura scientifica inerente la combustione di impianti domestici per la produ- zione di calore ed energia, quali: monossido di car- bonio (CO), ossidi di azoto (NOX), ossidi di zolfo (SOX), composti organici volatili (COV) e partico- lato con diametro di 10 e 2,5 µm (PM10, PM2,5).
4 A livello europeo, il principale punto di riferimento per il
reperimento dei fattori di emissione è l’Atmospheric Emission Inventory Guidebook (AEIG), curato dall’European Topic Center for Emission Inventory and Projection e pubblicato dall’Agenzia Europea per l’Ambiente.
La media degli FE è stata fondamentale per quan- tificare, ex ante, le emissioni degli impianti censiti nelle singole utenze della località di San Romano in Garfagnana.
L’indagine bibliografica ha generato tabelle in cui vengono riportati gli FE per singolo inquinante e apparecchio domestico. Poiché in corrisponden- za di ciascuna tecnologia sono state individuate più fonti bibliografiche attendibili, si è quindi proce- duto al calcolo del valore medio dei relativi fattori di emissioni (FE), in grammi per GJ di energia uti- le ovvero immessa nell’ambiente per riscaldamento (gGJ-1). In linea con quanto indicato dalle Norme UNI EN 15250 e UNI EN 14785 che definiscono le condizioni di rilevazione delle emissioni, si sono quindi esclusi i valori di emissione nelle fasi di start- up e di spegnimento degli impianti. Si tratta infatti di stadi in cui le emissioni risultano classicamente più elevate a causa della combustione incompleta. Di conseguenza, sono stati presi in considerazione solo gli FE relativi alla fase di regime del proces- so di combustione. Per rendere più facilmente in- terpretabile i fattori di emissione, i gGJ-1 citati in letteratura sono stati trasformati in g/MWh, con- siderando l’equivalenza
(1 MWh = 3,6 GJ). I dati illustrati in Figura 1 evidenziano che la quantità di emis- sioni generate da vecchi impianti domestici, a bassa efficienza, alimen- tati a biomassa legnosa è estremamente supe- riore rispetto a qualsiasi altro tipo di tecnologia. Nello specifico, gli ap- parecchi che risultano essere più nocivi so- no il camino aperto, la stufa a legna e il cami- no chiuso, ovvero tut- te le tecnologie dove la combustione avviene in modo non ottimale.
La quantità di monossido di carbonio di una cal- daia a gasolio risulta essere circa l’1% rispetto a una stufa a legna, mentre le emissioni di partico- lato sono circa l’1,2-0,9%. Il Carbonio Organico Volatile è solo lo 0,8% (considerazione analo- ga può essere fatta anche per il camino chiuso). Le emissioni comparate del gasolio con il cami- no aperto sono ancora più estreme, con valori di COV, CO, PM2,5 e PM10 appena dello 0,3%, 0,8% e 1-0,8%. L’unico fattore di emissione che risulta ridotto negli impianti alimentati a legno è quello relativo agli SOx: per le tecnologie come camino aperto, camino chiuso e stufa a legna, esso risulta essere infatti l’8-10% di quello riscontra- bile nelle caldaie a gasolio e a GPL. Appare però evidente che le tecnologie ad alta efficienza, come le caldaie a pellet e le caldaie centralizzate a cippato di legna, presentano livelli di emissioni significati- vamente ridotti rispetto a qualsiasi altro impianto a biomassa legnosa: la comparazione dei valori di emissione delle caldaie a gasolio o GPL, rispetto a caldaie a pellet o a cippato, risultano per COV, CO, PM2,5 e PM10 rispettivamente pari al 41%, 16%, 11% e 8%.
3.3 Emissioni ex ante
Una volta definiti i fattori di emissione medi per unità di energia utile in g/MWh, si sono stimate le emissioni annuali ex ante in relazione all’energia immessa nei singoli impianti5 ed al rendimento ter- mico stimato per ciascuna tecnologia delle utenze censite.6 In tabella 1 sono riportati i consumi ener- getici per tecnologia termica e le relative emissioni annuali, confermando le considerazione fatte per i fattori di emissione individuati nel paragrafo prece- dente per gli impianti civili.
Analizzando il mix energetico e le emissioni an- nuali ex ante possiamo evidenziare che, nella situa- zione ex ante, l’uso di biomasse legnose in ambito privato rappresenta il vettore termico prevalente con una energia utile pari a 713,84 MWh/anno, su- periore a quella da combustibili fossili (692 MWh/ anno). Le emissioni ex ante sono quindi fortemente condizionate dall’elevato consumo di biomasse.
Le stime delle emissioni evidenziano elevati li- velli generati da impianti domestici, tuttavia, non essendoci una normativa nazionale o regionale7 che definisca limiti di emissioni per questo tipo di tec- nologie (con potenza minore di 35 kW), risulta dif- ficile comprendere a fondo l’entità del fenomeno.
La tabella 2 riassume, accorpa e integra le emissioni ex ante. Infatti per rendere l’analisi più completa sono stati aggiunti due dati importanti: l’energia utile annua del settore pubblico (MWh) con le rispettive emissioni, e le tonnellate di CO2 prodotte annualmente. Questi valori saranno poi comparati con le emissioni ex post rispetto alla rea- lizzazione dell’impianto di teleriscaldamento.
3.4 Emissioni ex post
Passiamo ora ad esaminare le emissioni dell’im- pianto di teleriscaldamento nella località di San
5 Stimata attraverso l’indagine diretta volta a definire la quanti-
tà di combustibili impiegati dai nuclei familiari.
6 I rendimenti di combustione sono stati ipotizzati pari a 0,3 per
il camino aperto; 0,5 per il camino chiuso; 0,7 per la stufa a legna; 0,9 per la stufa e la caldaia a GPL; 0,85 per la caldaia a gasolio.
7 Nel D.lgs. del 3 aprile 2006, n. 152, vengono infatti presi in con-
siderazioni solo i limiti di emissioni di impianti superiori ai 35 kW termici. Perciò quelli domestici non rientrano nella normativa.
Romano in Garfagnana, per verificare ex post le modificazioni nei livelli di produzione di inqui- nanti totali conseguenti al nuovo investimento. L’obiettivo è quello di verificare se l’introduzione del nuovo impianto energetico centralizzato deter- mini effetti positivi o negativi, dal punto di vista delle emissioni, rispetto a una pluralità di singoli apparecchi domestici. Tale valutazione risulta par- ticolarmente importante in un’ottica pianificatoria, dove la determinazione degli effetti è un aspetto de- terminante per capire se la pianificazione sta effetti- vamente perseguendo gli interessi della collettività. Generalmente, la determinazione delle polveri e dei gas in uscita in camino prevede l’aspirazione di una porzione del flusso su cui viene effettuata la mi- sura.8 Nel presente lavoro le rilevazioni sono state effettuate seguendo la tecnica di rilevazione discon- tinua. In questa tipologia, denominata anche off-li- ne, il campione raccolto non può essere trattato sul posto ma è necessario portarlo presso un laborato- rio chimico per l’analisi. Il denominatore comune dei metodi off-line è il seguente: il gas emissivo viene estratto dal flusso originale, convogliato all’esterno del condotto e costretto ad attraversare una ‘trappola’ ovvero un dispositivo in grado di fermare selettiva- mente il composto di interesse, lasciando passare gli altri composti presenti nel flusso. Particolare atten- zione va data al modo con cui si estrae il gas dal con- dotto: l’operazione va condotta cercando di lasciare inalterati i campi di velocità e pressione presenti in origine, altrimenti si alterano in maniera significativa i profili di concentrazione degli inquinanti. Tale con- dizione è detta di “isocinetismo” (CESI 2005).
Per l’analisi dei fumi di combustione è stato uti- lizzato lo strumento MADUR GA-21 plus confor- me ai requisiti della norma EN 50379. Per l’analisi delle polveri è stato invece utilizzato l’impattatore multistato MSSI9 progettato per le misure in emis- sione del particolato con un diametro aerodinami- co nominale inferiore o uguale a 10µm (PM10) e 2,5 µm (PM2,5).
8 Si segnalano questi standard normativi per la misurazione:
UNI 10169 e la UNI EN 13284-1.
9 Per la misurazione delle polveri ci si riferisce alla normativa
Con questi strumenti, si sono rilevate le emis- sioni delle due caldaie attraverso l’analisi in ca- mino. I dati raccolti sono stati rielaborati per po- terli confrontare con la normativa italiana e con la totalità delle emissioni delle singole utenze.
La tabella 3 mostra le emissioni ex post ri- spetto alla realizzazione dell’impianto, calcolate sul totale di energia uti- le annuale prodotta. Per prima cosa è osservabi- le come le utenze priva- te, allacciate alla rete di teleriscaldamento, ab- biano mantenuto attivi anche altri sistemi di ri- scaldamento domesti- co; inoltre, osservando la precedente tabella 2, il consumo energetico delle utenze pubbliche è aumentato del 118% e la stessa dinamica è osser- vabile anche per i priva- ti che passano dai 1.448 MWh/anno a oltre 1.828 MW/h, determinando un incremento di benes- sere termico (Marinelli
et Al. 2012). Si possono
poi confrontare le emis- sioni totali ex ante ed ex post, normalizzando il dato in base all’energia annuale consumata nel territorio di San Romano in Garfagnana prima e dopo la realizzazione della centrale di teleri- scaldamento, arrivando a queste considerazioni (fig. 2):
• la produzione centralizzata di calore ha avuto un forte impatto sulla riduzione delle emissioni. In particolare si riscontra un drastico abbassamen- to dell’anidride carbonica che è diminuita di 7 volte rispetto alla quantità generata dalle singole utenze prima dell’impianto;
• anche la produzione di monossido di carbonio è scesa di poco più del 25%; così come l’emissio- ne di PM 10 e PM 2,5 risultano essere minori rispettivamente del 68% e del 60%, mentre per le SOx la riduzione raggiunge il 91%. Queste riduzioni hanno effetti diretti sulla salute uma- na garantendo una minore frequenza di malattie cardiovascolari e tumore ai polmoni (Naeher et
Al. 2007; Kim et Al. 2011);
• per contro, l’emissione di NOx risulta essere cre- sciuta del 300%. La letteratura indica che la pro- duzioni di ossidi di azoto nella combustione di biomassa legnosa è dovuta principalmente a tre parametri: l’elevata temperatura di combustione (800-1200°C), la presenza di N nel combustibi- le e la scarsità di ossigeno nel processo di com- bustione (Weissinger et Al. 1999; Obernber-
ger et Al. 2006; Van Loo et Al. 2009). Nel
nostro caso, tale livello di emissione è probabil- mente dovuto ad un motivo molto semplice,
ovvero il fatto che nella fase di rilevazione con il MADUR GA-21 plus, la caldaia da 500 kW si è forse spenta momentaneamente, compro- mettendo l’efficienza di combustione e quindi elevando le emissioni di NOx. Tale condizione sarebbe in effetti avvalorata dagli elevati livelli di CO rilevati sempre nella caldaia da 500 kW. A tale motivo potrebbe aggiungersi quello legato alla elevata umidità del combustibile (41%) che non consente un processo di ossidazione ideale (Obernberger et Al. 2006). È però vero che
le emissioni di CO e di NOx della caldaia più piccola sono molto contenute, pur utilizzando lo stesso combustibile, di conseguenza l’ipotesi di momentaneo spegnimento della caldaia da 500 kW è più che consistente. Per ottenere dati attendibili in merito a questi due parametri sa- rebbe dunque necessario eseguire nuovamente la rilevazione;
• associate direttamente alle emissioni di partico- lato ci sono le emissioni di Idrocarburi Policiclici Aromatici (IPA), che non essendo di natura gas- sosa si legano alle polveri. Si tratta di elementi generati dalla combustione di composti organici (come il legno), ma i cui livelli di emissione so- no strettamente correlati alla efficienza del pro- cesso di combustione. Lo studio non ha, per il momento, rilevato tali fattori ma, in genera- le, è possibile afferma- re che la sostituzione di una diffusa rete di cal- daie domestiche a bassa efficienza con un im- pianto di teleriscalda- mento centralizzato ad alta efficienza ha sicura- mente indotto un effet- to positivo in termini di riduzione di IPA. Nel breve periodo saranno rilevati anche tali para- metri, ma le aspettative in tal senso sono sicura- mente positive.
4. Conclusioni
Il presente studio mira alla trasparenza del pro- cesso produttivo, verificando gli effetti ambientali in modo diretto e fornendo un importante suppor-