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2 Maggio 2009
Aspetti energetici delle biomasse dal legno: combustione efficiente e modalità di trasmissione del calore
(Redazione Nextville)

L'efficacia della combustione non dipende soltanto dalla tecnologia delle apparecchiature ma anche dalle caratteristiche chimico-fisiche della biomassa.

Il potere calorifico

Il potere calorifico è il parametro fondamentale per valutare la qualità del legno (sia esso in forma di ciocchi, pellet o cippato), e per comprenderne le potenzialità energetiche anche in comparazione con i combustibili fossili. Il potere calorifico di un combustibile indica la quantità di energia che può essere ricavata dalla combustione completa di un'unità di peso.

La tabella sottostante confronta i diversi poteri calorifici, in kWh termici prodotti per ogni kg bruciato, da combustibili fossili e da biomasse legnose.

Combustibili da biomassa 

 Potere calorifico
  netto (kWh/kg)

Legna da ardere (25% umidità) 

 3,5

Cippato pioppo (25% umidità)

 3,3

Pellet di legno (max 10% umidità)

 4,9

Combustibili fossili

 

Gasolio

 11,7

Metano 

 13,5

GPL 

 12,8

 Confronto tra i poteri calorifici del legno e dei combustibili fossili (Fonte: ITABIA)

Dalla tabella risulta evidente come il potere calorifico del legno sia inferiore rispetto a quello dei combustibili fossili. Infatti, per produrre l'energia di un litro di gasolio, occorrono circa 3 kg di legna da ardere.

Possiamo quindi facilmente calcolare il vantaggio economico del legno: se la legna da ardere ha un costo di 0,10 €/kg, spendendo circa 0,30 € posso ottenere il calore che ricaverei da un litro di gasolio (costo circa 1,2 €/litro). In definitiva, a parità di contenuto energetico e quindi di calore ottenuto, la legna mi costa circa 1/4 rispetto al gasolio e la metà rispetto al metano.

L'importanza dell'umidità

Il potere calorifico del legno è un parametro variabile, che aumenta al diminuire dell'umidità. L'acqua contenuta nel legno, infatti, è nemica di una buona combustione, come si può vedere nella seguente tabella.


Il rapporto tra l'umidità e il potere calorifico del legno (fonte: Dossier "Dal bosco: legno energia e ambiente", Provincia di Lecco)

Il legno, subito dopo essere stato raccolto, presenta un alto contenuto di acqua, superiore al 50%. Per questo motivo la legna viene fatta stagionare al coperto e all'asciutto per 2-3 anni, in modo da ridurre l'umidità a valori ottimali per la combustione, intorno al 25%.
Anche il cippato, come la legna, risulta all'inizio molto umido e deve quindi subire un processo di stagionatura.  
Il pellet invece grazie al particolare processo di lavorazione cui è sottoposto, presenta valori di umidità inferiori al 10%: questo, insieme alle tipiche caratteristiche di compattezza e omogeneità, ne spiega l'alto potere calorifico. 

Anche la pezzatura del legno influisce in maniera determinante sulla qualità della combustione: i piccoli cilindretti di pellet e le scaglie di cippato, comportandosi come combustibili fluidi all'interno della camera di combustione, bruciano meglio rispetto alle pezzature grossolane tpiche della legna in ciocchi, determinando anche una minore produzione di ceneri.

La post-combustione

Oltre alla qualità del combustibile, è fondamentale che il processo di combustione sia il più efficace possibile. Molti apparecchi ad alta efficienza devono i propri alti rendimenti a sistemi di "post-combustione" o "seconda combustione".

Questa si può ottenere separando le due diverse fasi di combustione:

• nella prima fase, avvengono le reazioni di essicazione, pirolisi e gassificazione del legno, attraverso l'immissione di aria primaria;

• nella seconda fase, cioè l'eventuale "post-combustione", avviene la completa combustione dei gas (soprattutto monossido di carbonio) prodotti nella prima fase, attraverso l'immissione di aria secondaria. L'aria, entrando in combinazione con l'ossido di carbonio, sprigiona una seconda fiamma molto calda, che aumenta l'efficacia del processo.  In questa seconda fase, si raggiungono temperature superiori agli 800 °C.

Quanto più elevata la temperatura in camera di combustione, tanto maggiore sarà l'abbattimento delle sostanze inquinanti presenti nei fumi in uscita.

La trasmissione del calore

Conoscere alcuni principi di base relativi al modo in cui il calore viene diffuso negli ambienti è molto importante, poichè cambia la qualità del riscaldamento e la sensazione di comfort termico.  

Conduzione

Molti apparecchi a biomassa di moderna concezione sono deputati a trasmettere per conduzione tutto il calore della combustione all'acqua, che viene poi distribuita nell'impianto idraulico e nel sistema di riscaldamento: questo è il caso delle caldaie a legna, a pellet e a cippato.

Per conduzione si intende un traferimento di calore per contatto diretto, da un corpo a temperatura maggiore ad uno a temperatura minore. Questo è proprio ciò che avviene negli scambiatori di calore aria /acqua delle caldaie. 

Vi è poi un'altro tipo di impianti, come i termocamini ad acqua, le termostufe e le termocucine, in cui parte del calore è trasmessa all'acqua per conduzione, parte invece all'ambiente circostante, per convezione e/o irraggiamento. E proprio la convezione e l'irraggiamento sono le due modalità di diffusione del calore utilizzate da stufe e camini privi di sistemi di distribuzione di acqua calda.

Occorre evidenziare che nessuno degli apparecchi di combustione a biomassa produce esclusivamente calore radiante o calore per convezione, ma necessariamente in entrambe le forme, anche se in quantità e proporzioni diverse.

Irraggiamento

L'irraggiamento è un tipo di trasmissione del calore che avviene sotto forma di onde elettromagnetiche. A differenza della conduzione e della convezione (vedi sotto), il calore per irragggiamento viene trasmesso ai corpi (persone, pareti, oggetti) e non all'aria.

Questo determina una confortevole sensazione di calore e ha il vantaggio di non innescare moti convettivi dell'aria, con minore produzione di polveri.
Altro aspetto fondamentale è l'omogeneità con cui il calore si distribuisce negli ambienti: in quelli riscaldati per irraggiamento c'è una differenza minima di temperatura, di circa 2 °C,  tra il livello del pavimento e quello del soffitto. Il calore dunque non si accumula nella zona alta degli ambienti interni, come accade con il calore trasmesso per convezione.

L'esempio più evidente di questa modalità di riscaldamento è data dai raggi solari che riscaldano la terra pur viaggiando nel vuoto. A livello più pratico, una delle modalità più conosciute di diffusione del calore per irraggiamento è quella del riscaldamento a pannelli radianti.

Sono soprattutto le stufe e i camini tradizionali a trasmettere il calore in forma radiante. Per quanto riguarda i camini aperti, bisogna dire che hanno una bassissima efficacia in termini di irraggiamento, poichè la maggior parte del calore se ne esce attraverso la canna fumaria, insieme ai fumi di combustione.

Molti tipi di stufa e le stufe-camino, invece, riscaldano per irraggiamento in maniera più efficace: questo vantaggio è dovuto alla conformazione degli apparecchi (focolare chiuso, maggiori superfici di scambio termico) e all'utilizzo di materiali (come pietra ollare, ghisa, ceramica) in grado di accumulare calore, per poi rilasciarlo lentamente.

 
Le tre modalità di diffusione del calore: l'irraggiamento (radiation), la convezione (convection) e la conduzione (conduction)

La convezione

La convezione, infine, è la modalità di trasmissione del calore che avviene attraverso un fluido, aria o acqua. L'aria calda, essendo più leggera, prende il posto di quella più fredda che scende verso il basso: questo processo è alla base dei moti convettivi.

La convezione è la forma di diffusione del calore più comune negli edifici, essendo quella propria di radiatori e ventilcovettori. Ma non solo: le moderne stufe a pellet, le termostufe, i camini ventilati, i termocamini ad aria e in generale tutti gli apparecchi a biomassa chiusi da uno sportello vetrato, riscaldano gli ambienti soprattutto per convezione.

Caratteristica del riscaldamento per convezione è la stratificazione del calore, con differenze di temperatura tra soffitto e pavimento superiori ai 5 °C.

Anche se meno confortevole del calore radiante, la convezione ha dalla sua il fatto di essere spesso più efficace: consente infatti un riscaldamento più veloce degli ambienti e permette inoltre di realizzare efficaci sistemi di canalizzazione per immettere aria calda anche negli ambienti adiacenti a quello in cui è installato il generatore di calore.

L'aria calda può fuoriuscire dagli apparecchi per moto spontaneo (convezione naturale) oppure mediante ventilatori elettrici (convezione forzata). La convezione forzata viene utilizzata nella maggior parte degli impianti di moderna concezione, dotati di picccoli elettroventilatori di poche decine di watt.
Rispetto al calore radiante, l'immissione di aria calda dà una minore sensazione di comfort termico e provoca il movimento di polveri.

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