Il motore a legna.
Nuove prospettive energetiche nell'impiego di biomassa. Elettricità e calore da impianti a scippato di piccola taglia
Il sistema descritto potrebbe provocatoriamente essere presentato come un “motore a legna”, ovvero un motore primo alimentato con sottoprodotti lignei. Più precisamente si tratta di un motore endotermico, raffreddato ad acqua, ciclo Otto aspirato, alimentato con biogas derivante da un processo di pirolisi di cippato di pezzatura medio-piccola.
Storicamente qualcosa di simile si era visto durante la seconda guerra mondiale, quando l’indisponibilità di carburanti raffinati aveva indotto alcuni costruttori (tra cui una nota azienda termomeccanica roveretana) ad installare su qualche automezzo dell’epoca piccoli gasogeni, costruiti su licenza tedesca, installati nel bagagliaio, caricati a lignite e preposti all’alimentazione del motore primo. Beneficiando degli enormi progressi intervenuti nel frattempo nei vari comparti della tecnica, questo processo viene oggi riproposto, non già per la mancanza di carburanti, ma per il responsabile impegno ad evitarne un uso indiscriminato.
La parte originale dell’assieme risiede evidentemente nel processo di pirolisi, con il quale viene prodotto un biogas di livello e costanza di qualità notevoli. Il cuore risiede in un reattore cilindrico ad asse verticale, all'interno del quale si sviluppa la gassificazione, ovvero di una combustione parziale, in forte difetto d'aria, tale da innescare una combustione assolutamente incompleta ed avente come prodotto in uscita il biogas in questione. Dopo un transitorio iniziale di messa a regime privo di criticità, il processo decorre in modo continuo e stazionario, basandosi su un regime termico stabile, sia in verticale, che in orizzontale, grazie alla omogenea alimentazione di aria nella regione inferiore del reattore, per mezzo di un distributore opportunamente sviluppato.
Il carico del reattore avviene dall'alto per caduta e con convogliamento per mezzo di un sistema di coclee, così come dall'alto si verifica il prelievo del biogas generato, mentre da una tramoggia inferiore viene estratto il residuo incombusto (ceneri). Un agitatore a bassa velocità provvede al continuo rimescolamento della biomassa nel reattore, assicurando l'omogeneità del contenuto e l’uniformità radiale della reazione pirolitica.
I fumi così ottenuti sono avviati ad un processo di lavaggio e filtrazione, eseguiti in regime rispettivamente umido e secco. Il lavaggio avviene in un apparecchio entro cui il biogas entra in intimo contatto con il liquido di lavaggio (biodiesel), che abbatte le impurità inglobandole nella fase liquida, la quale si separa per gravità e viene ricircolata per mezzo di una pompa. Il gas così lavato si avvia verso un elemento di filtrazione, che provvede alla separazione delle particelle residue facendolo transitare attraverso un letto di materiale sottile (cippato fine), entro i cui interstizi restano intercettate le impurità del fluido.
Si noti che la scelta dei mezzi di lavaggio e filtrazione, orientata a prodotti di origine vegetale, da un lato assicura la natura totalmente naturale del biogas prodotto (senza pregiudicarne la caratteristica di biomassa), dall'altro ne permette il riciclo completo nel processo stesso: il biodiesel viene periodicamente reintegrato, giacché una parte seppur contenuta viene trascinata dal gas lavato e trattenuta nella successiva filtrazione, dove viene assorbita dal cippato fine, di tanto in tanto sostituito e riciclato nella materia prima (cippato).
Nel processo non viene pertanto introdotto nulla di diverso da biomassa, mentre le caratteristiche del gas così ottenuto permettono di alimentare il sistema di cogenerazione vero e proprio. Quest'ultimo è basato su un sistema modulare, basato cioè su tre propulsori di identiche caratteristiche, montati affiancati su un unico skid e ciascuno direttamente accoppiato ad un alternatore asincrono a quattro poli raffreddato ad aria. In particolare, questa caratteristica degli alternatori nella fase di avviamento consente la messa a regime dei motori termici, finché gli stessi, erogando potenza, portano la macchina elettrica dalla condizione di scorrimento negativo (motori) a quella di scorrimento positivo (generatori).
I motori endotermici sono quindi sprovvisti di motorino d'avviamento, di alternatore e di pompa del combustibile, disponendo della sola pompa del lubrificante: essi sono pertanto assolutamente scarni ed essenziali, grazie anche alla tradizionale esecuzione a quattro cilindri in linea. Questi elementi assicurano la massima affidabilità ma, soprattutto, economicità del propulsore: la filosofia dell'impianto, infatti, non prevede elevate sofisticazioni nel processo di trasformazione dell'energia chimica in energia meccanica, quanto la generazione di un biogas con caratteristiche elevate e costanti nel tempo. La regolazione del processo di combustione avviene per mezzo di una modulazione del combustibile e del comburente derivati dai rispettivi collettori e controllati indipendentemente per mezzo di valvole a farfalla motorizzate, comandato dal sistema di controllo a microprocessore dell’assieme.
Il recupero termico avviene per raffreddamento dei monoblocchi dei motori, oltre che dal raffreddamento dei fumi e da quello del biogas prodotto prima della sua introduzione nei motori stessi. Una frazione modesta ma non trascurabile del calore viene dissipata per irraggiamento e dispersione delle parti calde dell'assieme, vale a dire del complesso di pirolisi e dei tre motori endotermici: il calore sviluppato viene allontanato dalla cofanatura di insonorizzazione per mezzo di circolazione forzata d'aria, in generale scaricata nell'ambiente di accumulo del cippato (previa interposizione di serranda tagliafuoco): un adeguato livello di essiccamento viene ottenuto da un breve periodo di stazionamento nell’accumulo a monte del processo, sopra un pavimento riscaldato e ventilato con l’aria calda derivata dal processo stesso.
Quanto descritto è stato messo a punto su una serie di prototipi, attualmente tutti in funzione presso il costruttore, ad indicare che, una volta individuati l'organizzazione e l'assetto del cuore del processo, le fasi successive hanno rappresentato uno sviluppo di razionalizzazione e di industrializzazione del prodotto, che ha mantenuto l'originaria configurazione ed affidabilità.
La delicatezza del sistema evidentemente risiede nella possibile variabilità di caratteristiche del biogas e nella accidentale presenza di impurità, in ragione della potenziale variabilità del prodotto alimentato, a seconda della provenienza (esbosco, cascami industriali di primo seconda lavorazione, raccolta differenziata, …): il processo ha peraltro dimostrato di avvenire con regimi e stabilità termici tali da assicurare un'elevata costanza delle caratteristiche del biogas, unitamente ad una capacità di intercettarne scorte e di impurità.
Va tuttavia ribadito che il costruttore, perfettamente consapevole di quanto detto, ha ritenuto di concentrare la propria attenzione sul processo di pirolisi, per orientare la scelta dei motori verso unità di limitato costo è di elevata robustezza: in tal senso l'analisi di mercato svolta ha permesso di individuare un propulsore di grande semplicità, affidabilità e di economicità, derivato dal mercato dell'autotrazione, seppur a parziale detrimento delle prestazioni, che i più recenti ed aggiornati propulsori (esecuzioni pluricilindriche, sovralimentate con intercooler) sono in grado di offrire a prezzo però di costi di primo acquisto incomparabilmente maggiori. Va in proposito aggiunto che, a garanzia della affidabilità del sistema proposto, i suddetti propulsori sono gestiti per erogare una potenza a 1500 giri/min di circa 30 kW ciascuno, pari a circa un terzo della potenza nominale dei motori stessi (90 kW ad oltre 3000 giri/min.).
Sul piano energetico il sistema Il processo descritto può essere scomposto in due sezioni:
la pirolisi, in cui l’energia introdotta sotto forma di cippato si trasforma in biogas con un’efficienza prossima all’80%, e perdite termiche sono emesse sotto forma di aria calda canalizzabile (il residuo 20%);
la combustione interna del biogas prodotto, con cogenerazione di elettricità (22 %) e calore (49 % sotto forma di acqua calda), e perdite termiche sotto forma di aria calda canalizzabile (3 %), dispersioni e calore residuo dei prodotti della combustione.
L’efficienza energetica globale ammonta al 71 % (elettricità e calore sotto forma di acqua calda), ma sale al 94 % se si conteggia il contributo dell’aria calda (23 %), in generale utilizzabile nel processo di essiccamento.
Al di là di questa ragguardevole prestazione globale, vale la pena di rilevare come il 22 % di resa elettrica netta superi nettamente i valori (nell’ordine del 18 %) che sono in grado di offrire i più aggiornati cicli ORC (Organic Rankine Cycle). Questi ultimi sono peraltro disponibili per taglie ben superiori (in generale oltre 1 MWe), mentre l'affiancamento di più moduli da 3 x 30 kW nominali permette alla tecnologia qui proposta di essere competitiva per potenze inferiori (si può assumere in linea di larga massima il valore di 1 MW quale soglia tra le due tecnologie).
È evidente che il sistema descritto intenda proporre ad un tempo i vantaggi derivanti, sia dalla cogenerazione (sfruttamento del calore come scarto della generazione di elettricità), che dallo sfruttamento di biomassa nella generazione elettrica (certificati verdi o tariffa onnicomprensiva). Al di là di questi interessanti incentivi, resta comunque la straordinaria prospettiva di sfruttare cascami di legno per la produzione di elettricità e calore, con particolare riferimento a piccole unità artigianali e/o industriali del settore.
