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Foto: A. Raise
IL POTERE CALORIFICO DEL LEGNO
di Bernardo Hellrigl
Relatore Stefano Grigolato
Dipartimento Territorio e Sistemi Agro-Forestali
Università degli Studi di Padova
Progetto Fuoco
“Le biomasse agricole e forestali nel panorama energetico nazionale”
Verona 18 -19 marzo 2004
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Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO I
Il LEGNO da ENERGIA è un materiale
RINNOVABILE – NEUTRALE – ECONOMICO - VERSATILE - LOCALE
Foto: S. De Battista
“per utilizzare il LEGNO come fonte di ENERGIA bisogna
conoscere come si esprime il valore energetico e quali sono le
caratteristiche che lo valorizzano”
Dip. Te.S.A.F - Università degli Studi di Padova
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Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO II
“il suo valore energetico influenza non solo la resa energetica, ma
può presentare ripercussioni a livello di trasporto e di logistica
di approvvigionamento”
Foto: A. Raise
“questo perché a parità di specie legnosa, di peso o di volume del materiale
trasportato, il valore energetico, che effettivamente arriva al deposito o alla
caldaia può variare notevolmente in funzione del contenuto idrico presente”
Il rischio è quello di trasportare più acqua che LEGNO
Dip. Te.S.A.F - Università degli Studi di Padova
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Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO III
il valore energetico del LEGNO si esprime
come
potere calorifico
“il patrimonio termico nella misura del calore che può venire sviluppato
nella combustione completa di una sua unità di peso o di volume”
Si distingue in:
POTERE CALORIFICO SUPERIORE
POTERE CALORIFICO INFERIORE
p.c.s
p.c.i.
nel prodotto della combustione
considera come prodotto del
calore anche quello che deriva
dalla condensazione del
vapore acqueo
non considera il calore liberato
che potrebbe derivare dalla
condensazione del
vapore acqueo
NB: nella combustione l’evaporazione di 1 kg di acqua “consuma” 2,44 MJ
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Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO IV
Il potere calorifico si misura in:
J o Wh o cal
ma fondamentale è l’unità a cui si rapporta…
al PESO
kg
J/kg – Wh/kg – cal/kg
es:
LEGNA DA ARDERE
al VOLUME
m3
alla DENSITA’ STERICA
mst
J/m3 – Wh/m3 – kcal/m3
LEGNAME TONDO
J/mst – Wh/mst – cal/mst
CIPPATO
Foto: S. De Battista
Dip. Te.S.A.F - Università degli Studi di Padova
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Il potere calorifico: ANIMA CALDA del LEGNO V
Il potere calorifico del LEGNO dipende:
COMPOSIZIONE CHIMICA
“a seconda della specie, il LEGNO presenta diverse percentuali di
composti come LIGNINA, CELLULOSA, RESINE, OLI che a loro volta si
caratterizzano per diversi poteri calorifici”
TENORE IDRICO
il PARADOSSO
“per parlare di FUOCO si inizia con il parlare dell’ACQUA”
Dip. Te.S.A.F - Università degli Studi di Padova
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Il TENORE IDRICO del LEGNO I
Il LEGNO e l’ACQUA
IGROSCOPICO
Contiene sempre un certa
quantità di acqua sottoforma di vapore
legata al reticolo micellare
ACQUA DI IGROSCOPICA
Il LEGNO assorbe acqua fino a
raggiungere la
SATURAZIONE DELLE FIBRE
Il peso del contenuto idrico è pari al 30%
del peso secco del LEGNO
POROSO
Volume delle cavità è sempre maggiore
del volume delle pareti
In questo caso il peso del contenuto idrico
sarà maggiore del 30% del peso secco del
LEGNO
Se il LEGNO è immerso o è a contatto con
l’acqua, questa sostituisce gradualmente
l’aria fino a raggiungere la condizione di
IMBIBIZIONE TOTALE
dove l’acqua sostituisce completamente l’aria
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Il TENORE IDRICO del LEGNO II
“la quantità max di acqua contenibile nel legno
è quasi sempre, discretamente o notevolmente,
superiore a quella dello stato fresco”
Porosità
Peso Specifico ( p0 )
Vediamo alcuni esempi:
p0
w max
(g/cm3)
(%)
Legno pesante
pochi vuoti
Legno di cerro
0,85
81
Legno leggero
molti vuoti
Legno di pioppo
0,34
257
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Il TENORE IDRICO del LEGNO III
Per indicare il contenuto di acqua (espresso in termini percentuali)
esistono due criteri:
 peso umido − peso anidro 
u = 
 × 100
peso
anidro


umidità
 peso umido − peso anidro 
w = 
 × 100
peso umido


tenore idrico
peso umido
peso anidro
acqua
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Il potere calorifico PONDERALE I
Che cos’è?
MJ/kg
> 3 MJ/kg
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È il p.c. riferito all’ UNITA’ di PESO
16
17
18
19
20
21
Salice bianco
Ontano bianco
Le differenze di valore dipendono
dalla % di presenza dei composti:
Pioppo nero
Cerro
latifoglie
“il p.c. ponderale delle
diverse a parità di
contenuto idrico, varia
relativamente POCO”
Carpino bianco
Acero
Ontano nero
Quercia
Frassino
Betulla
Faggio
Olmo
Potere Calorifico
Tiglio
(MJ/kg)
Lignina
26
Cellulosa
18
Resine
35
Lipidi
vario
Cere
vario
Gomme
vario
Castagno
Robinia
Larice
conifere
Composto
Douglasia
Abete bianco
Abete rosso
Pino silvestre
Pino strobo
Specie Legnose
*LEGNO allo stato anidro
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Il potere calorifico PONDERALE II
Due considerazioni…
variazione modesta del
potere calorifico per le
specie usate come
combustibile in Italia
uso di miscele di
specie diverse
per determinare il p.c. ad una dato contenuto idrico (W)
“in dendroenergetica si può fare riferimento ad un valore
medio di p.c. ponderale tra il 18.5 MJ/kg e il 18.9 MJ/kg”
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Il potere calorifico PONDERALE III
Applicazione alla formula di HARTMANN (calcolo approssimativo del potere calorifico)
pci =
pci
[18,5 × (100 - w ) − (2,44 × w )]
Hartmann et al. (2000)
100
= potere calorifico inferiore in MJ, di un generico legno con certo tenore idrico
18,5 (MJ/kg) = potere calorifico inferiore medio ammesso per il legno anidro
2,44 (MJ/kg) = calore di evaporazione dell’acqua
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Il potere calorifico PONDERALE IV
MJ/kg
potere calorifico diminuisce
Variazione del potere calorifico inferiore del LEGNO (MJ/kg)
in funzione del tenore idrico (w) e dell’umidità (u) calcolato con la formula di Hartmann et
al. (2000)
20
u = p.c. f(u)
w = p.c. f(w)
18
15
13
u
10
8
w
5
3
0
15%
35%
55%
75%
95%
115%
135%
contenuto acqua aumenta
Il potere calorifico diminuisce perché parte dell’energia si consuma con
l’evaporazione dell’acqua, ma anche perché all’aumentare della contenuto
d’acqua, per uno stesso kg di legno abbiamo una maggiore % di acqua rispetto
alla sostanza legnosa, determinando l’effettiva diminuzione del potere calorifico
per quel kg, in quanto la sostanza legnosa destinata alla combustione è minore
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Il potere calorifico VOLUMETRICO I
Il potere calorifico volumetrico, è dato dal prodotto tra il potere calorifico
ponderale (p.c.i.) e la massa volumica p
pci (v)w = pci w × p u
dove:
in MJ/m3
w = contenuto idrico percentuale del legno
pu = massa volumica
NB: la massa volumica di un legno è data dal rapporto fra il peso ed il volume entrambi determinati
per lo stesso stato idrico
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Il potere calorifico VOLUMETRICO II
Perché il parametro potere calorifico volumetrico del LEGNO massiccio
trova scarso impiego ?!?
• il m3 di legno massiccio è raramente impiegato nel commercio del
LEGNO per ENERGIA
• la sua determinazione per i diversi assortimenti del legno da energia è
laboriosa, di difficile o praticamente di impossibile esecuzione
“la complessità dell’argomento deriva dal fatto che al
variare dell’umidità, alla variazione del peso si aggiunge
la variazione del volume”
NB: uno dei casi in cui il parametro di riferimento commerciale è il metro cubo massiccio (Festmeter) è
quello del tondo di scarto o di piccole dimensioni che viene acquisito per essere spaccato o
cippato.
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Il potere calorifico VOLUMETRICO III
AUMENTO ACQUA IGROSCOPICA (0-30%)
maggiore variazione del
volume rispetto al peso
L’aumento di peso è inferiore all’aumento di volume e perciò il peso specifico della
sostanza legnosa diminuisce al crescere del tenore idrico nell’intervallo compreso
tra 0% - 30%
AUMENTO ACQUA DI IMBIBIZIONE ( > 30%)
nessuna variazione del
volume rispetto al peso
L’aumento di peso è superiore all’aumento di volume
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Il potere calorifico STERICO I
“Gli assortimenti di LEGNO per Energia vengono spesso
commerciati a metro stero (mst)”
potere calorifico sterico
potere calorifico volumetrico
in MJ/m3
in MJ/mst
Come si calcola???
“moltiplicando il potere calorifico volumetrico (MJ/m3) per
l’appropriato coefficiente sterico (m3/mst)”
Coefficiente sterico
3
1 m tondo massiccio
1 mst di ciocchi da 1 m accatastati
1 mst di legna da stufa impilata
1 mst di legna da stufa alla rinfusa (*)
1 mst di cippato < 30 mm
1 mst di cippato 30-50 mm
1mst
1m3
tronchi ciocchi 1 m
1mst
1mst
1mst
1mst
legna da
stufa
alla rinfusa
2,00
cippato
cippato
<30 mm
2,50
30-150 mm
3,00
1,40
1,67
1
0,80
0,67
1,80
2,00
1,25
1
0,85
2,15
2,50
1,50
1,20
1
1
accatastati
1,40
legna da
stufa
impilati
1,20
0,70
0,85
0,50
0,40
0,33
1
1,20
0,70
0,55
0,47
0,85
1
0,60
0,50
0,40
da Itabia
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Il potere calorifico STERICO II
Qualcosa di incerto ?!?
“effettivamente nei quattro elementi coinvolti
(tenore idrico, peso specifico, variazione volumetrica e coefficiente sterico)
nell’operazione solo il TENORE IDRICO viene determinato per
campionamento”
Alcuni impianti di una certa dimensione valutano:
densità sterica (peso, in kg, di 1 mst)
determinata sulla “fornitura” (carico di autotreno) o
su ampi campioni (materiale stoccato)
potere calorifico sterico
In MJ/mst
contenuto idrico determinato su un ben assortito
campione minore con essiccamento in stufa o con
dendroigrometro per cippato, segatura o trucioli
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Il potere calorifico STERICO III
Nella filiera LEGNO-energia la
conoscenza del potere calorifico
sterico, non ci interessa solo come
unità di misura commerciale
dell’ENERGIA, ma anche per motivi
legati alla logistica e
all’approvvigionamento
Consideriamo il trasporto di cippato in un camion con rimorchio con portata
utile di 32 t e volume massimo di carico di 85 m3 e come esempio prendiamo
due specie legnose a due diverse umidità (pioppo e faggio)
Peso del carico di 85 metro steri
Sfruttamento della portata ponderale
Energia contenuta nel carico
Consumo assoluto di energia per 100 km A
Consumo relativo di energia per 100 Km A
Consumo assoluto di energia per 100 km A+R
Consumo relativo di energia per 100 km A+R
t
%
GJ
MJ
%
MJ
%
Pioppo
Pioppo
Faggio
Faggio
u=30%
u=120%
u=30%
u=70%
11,9
37,2
151
954
0,63
1746
1,16
20,2
63,1
133
1066
0,80
1858
1,40
22,8
71,2
309
1102
0,36
1894
0,61
29,8
93,1
293
1197
0,41
1989
0,68
Dip. Te.S.A.F - Università degli Studi di Padova
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CONCLUSIONI
E’ evidente che per parlare bene di LEGNO come fonte di ENERGIA, si
deve partire dalla sua ANIMA CALDA.
L’espressione termica del LEGNO è condizionata dalla composizione chimica,
ma soprattutto dal tenore idrico
Il tenore idrico influenza non solo “l’espressione termica” del LEGNO, ma
anche le problematiche connesse alla logistica e al trasporto
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Progetto Fuoco
“Le biomasse agricole e forestali nel panorama energetico nazionale”
Verona 18 -19 marzo 2004
CONTATTI:
Prof. Bernardo Hellrigl
e.mail: [email protected]
Dott. Stefano Grigolato
e.mail: stefano. [email protected]
GRAZIE PER L’ATTENZIONE
Dipartimento Territorio e Sistemi Agrigo-Forestali
Università degli Studi di Padova
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