Analisi Numerica della Combustione di Pellet da Biomassa in una Stufa Domestica

Analisi numerica della combustione di pellet da biomassa in una stufa domestica         A.A. 2011/2012 
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Introduzione 
 
A seguito degli obiettivi fissati dall’Unione Europea sull’utilizzo dell’energia e dello 
schema della politica del 20-20-20, l’Italia ha assunto la responsabilità di coprire entro 
il 2020 almeno il 17% degli usi finali di energia esclusivamente da fonti rinnovabili e di 
ridurre del 14% le emissioni di CO2 in atmosfera rispetto ai valori di riferimento del 
2005.  
Le risorse energetiche attuali derivano per l’80% da combustibili fossili, mentre solo il 
restante 20% deriva da fonti alternative. L’aspetto sul quale da anni si focalizza 
l’attenzione riguardo ai combustibili fossili è la loro esauribilità, i loro effetti inquinanti, 
nonché la volatilità dei loro prezzi, i cui riflessi sull’economia mondiale delineano 
particolari scenari geopolitici. 
Il rapporto “Climate Change 2007” del Panel on Climate Change (IPCC) stima un 
innalzamento dal 66% al 90% dell’incidenza del fattore antropico sull’innalzamento 
della concentrazione di gas serra nell’atmosfera. Se si considera che le attuali emissioni 
di CO2 resteranno per almeno un secolo nell’atmosfera, è evidente che dalle scelte di 
oggi dipendono le sorti delle future generazioni. Lo sviluppo sostenibile può e deve 
essere avviato da un impiego più massiccio di fonti energetiche rinnovabili. 
Tra le fonti energetiche rinnovabili rivestono un ruolo importante dal punto di vista 
delle potenzialità e della facilità di reperimento le biomasse, ossia le materie prime 
vegetali che costituiscono in natura la forma più sofisticata di accumulo dell’energia 
solare. 
Nonostante ciò, le biomasse soddisfano solo il 15% del fabbisogno energetico 
mondiale, a causa della dispersione della materia prima sul territorio e dei bassi 
rendimenti di conversione. Inoltre la distribuzione della produzione è disomogenea, 
poiché i Paesi in via di sviluppo utilizzano biomasse per soddisfare il 38% del loro 
fabbisogno, a fronte del solo 3% dei Paesi industrializzati.  
L’Italia, in particolare, nel panorama europeo occupa una posizione al di sotto della 
media, con solo il 2,5% della produzione energetica derivata da biomasse, malgrado il 
suo vasto potenziale. Benchè il consumo di biomasse per impieghi energetici in Italia si
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è molto elevato negli ultimi anni. Tra gli impieghi di biomasse, predominano gli usi 
termici diretti; nello specifico la fonte più usata è il legno per combustione diretta. Si 
concentra l’attenzione sull’utilizzo di pellet da legno.  
Il pellet di legno nasce nel 1973 in Idaho negli Stati Uniti, quando, a seguito della crisi 
petrolifera, un ingegnere mise a punto questo nuovo tipo di combustibile legnoso. 
Ideato inizialmente per l’impiego industriale, ben presto venne immesso sul mercato 
delle caldaie domestiche che stava registrando una rapida espansione. 
Il processo produttivo prevede, come prima operazione, l’essiccazione del materiale 
legnoso di partenza, che deve raggiungere un’umidità intorno al 12%. Questo viene poi 
sminuzzato finché presenta dimensioni omogenee per procedere alla successiva 
compressione e per poter eventualmente miscelare tra loro differenti specie legnose o 
scarti di lavorazione. La produzione vera e propria del pellet consiste in una pressatura 
delle particelle ottenute, a pressione molto elevata (dell’ordine di 100 bar). Il pellet, 
che al termine di tale fase può raggiungere temperature prossime ai 250 °C, viene 
quindi raffreddato, privato delle polveri fini e depositato in silos o conservato in 
appositi sacchi.  
I cilindretti hanno un diametro variabile tra 6 e 12 mm ed una lunghezza oscillante tra 
12 e 18 mm, così da risultare idonei all’alimentazione di stufe e caldaie, attraverso 
l’automatica immissione nella camera di combustione tramite coclee. 
L’uso del pellet di legno come materiale da riscaldamento porta dunque ad una 
riduzione dell’impatto ecologico derivante dallo sfruttamento di combustibili fossili, 
oltre ad un indubbio vantaggio economico, che può essere stimato attorno al 40/50% 
rispetto al gasolio, e circa il 30% rispetto al metano.  
Inoltre, ha un’altissima resa, poiché il potere calorifico del pellet (18 MJ/kg), a parità di 
volume (ma non di peso) è circa doppio rispetto a quello del legno. Altri vantaggi del 
pellet sono il basso volume di ingombro e il basso peso specifico, che ne determinano 
la facilità di trasporto, di stoccaggio e di utilizzo. Inoltre il pellet si contraddistingue per 
la ridotta emissione di sostanze inquinanti. 
La combustione del pellet produce anidride carbonica e altri inquinanti, tipici delle 
biomasse solide, tra i quali principalmente monossido di carbonio, polveri e ossidi di 
azoto. Il pellet può essere usato per stufe, caldaie e caminetti.
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Per valutare l’effettivo impatto della combustione all’interno delle stufe a pellet, nello 
specifico emissioni, si è deciso di dedicare l’elaborazione della tesi proprio alla 
simulazione della combustione all’interno di una stufa mediante software di analisi 
numerica (CFD).  
CFD (computational Fluid Dynamics) è una tecnica di analisi che permette lo studio di 
problemi di fluidodinamica mediante l’utilizzo di  software dedicati. Le analisi 
numeriche CFD permettono di riprodurre il comportamento fluidodinamico di un 
sistema, sono in grado infatti di risolvere le complesse equazioni  che descrivono il 
comportamento dei fluidi. Tramite le tecniche di analisi CFD è possibile studiare, 
migliorare, ottimizzare l’efficienza di fenomeni che altrimenti sarebbero di difficile 
osservabilità. Questo tipo di analisi consente infatti di predire e anticipare il 
comportamento fluidodinamico dei sistemi considerati.  
Le simulazioni numeriche CFD vanno ad abbracciare i più svariati campi di applicazione 
ingegneristica. Nel seguente studio di lavoro, viene simulato il fenomeno della 
combustione all’interno di una stufa a pellet andando a definirne le varie 
caratteristiche. I vantaggi legati a questo tipo di analisi vanno appunto ricercati nella 
loro capacità di previsione di fenomeni.  
Nel capitolo 1 si è descritto dettagliatamente il processo di combustione di biomassa. 
Si è caratterizzata ogni fase concorrente alla completa ossidazione del combustibile, 
ovvero una prima fase di riscaldamento e essicazione, una seconda fase di pirolisi e 
una terza fase di ossidazione del char e una quarta di ossidazione delle sostanze 
volatili. 
Il capitolo 2 presenta una approfondimento sulla fase di pirolisi della biomassa. Sono 
presentati inoltre i vari meccanismi di modellazione delle reazioni di pirolisi primaria, 
effettuando una distinzione tra modello a singolo componente e multi componente. È 
stata inoltre riportata una trattazione sui recenti modelli strutturali di volatilizzazione. 
Il capitolo 3 si apre con la descrizione dello stato dell’arte della modellazione 
computazionale fluidodinamica (CFD) delle stufe a pellet. Sono riportati due esempi di 
modellazione. Il primo studio viene effettuato su una caldaia a pellet da 50 KW di 
potenza termica nominale, il secondo studio invece viene eseguito su una caldaia da 18 
KW. In entrambi gli studi riportato, i meccanismi di combustione del pellet sono 
simulati mediante l’inserimento, all’interno del software Ansys Fluent,  di una funzione
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esterna (UDF, User Defined Function), ovvero una subroutine scritta in linguaggio di 
programmazione C++. 
Nel capitolo 4 viene invece tentato l’approccio di modellazione CFD per la stufa a pellet 
oggetto di studio in questo lavoro di tesi. Si tratta di una stufa di potenza termica 
nominale di 6 KW, che si trova nei laboratori del Centro  di Ricerca Biomasse 
dell’Università degli Studi di Perugia. Dalle misure di dimensione effettuate sulla stufa 
di riferimento, si realizza una prima geometria bidimensionale, che rappresenta una 
sezione della camera di combustione. Si riportano i risultati di modellazione in termini 
di campo termico all’interno della camera, e una rappresentazione delle reazioni 
concorrenti alla combustione del pellet.  
L’ultimo capitolo, è un’evoluzione dello studio precedente. Viene infatti modificata la 
geometria di riferimento, rendendola più vicina al caso reale. Sono presentati vari 
modelli di analisi numerica che differiscono tra loro per la variazione dei meccanismi di 
reazione, e dei materiali utilizzate per la combustione.  
Viene inoltre effettuato un confronto fra i dati di emissioni reali, misurati 
sperimentalmente, e simulati. Si presenta infine un modello di previsione di 
formazione degli ossidi di azoto (NOx), formati a mezzo dei due diversi processi, 
Thermal e Prompt.
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CAP. 1 
 
Combustione di biomassa 
 
Questo capitolo tratta il processo di combustione di biomassa, effettuando un’analisi 
approfondita per ogni fase del processo. 
 
1.1. Introduzione alla combustione di biomassa 
 
Con il termine biomassa possiamo intendere in termini semplici e con alcune eccezioni, 
qualsiasi sostanza di matrice organica, vegetale o animale, destinata a fini energetici, 
alla produzione di fertilizzante agricolo e i cui principi generali sono rivolti ad sostituire 
anche nei prodotti, l'uso di fonti fossili con materie prime rinnovabili. L’applicazione 
delle biomasse ai fini energetici, in parziale sostituzione dei combustibili fossili, ha 
subito un forte incremento a seguito delle politiche restrittive, in termini di emissioni e 
efficienza degli impianti, proposte dalla Commissione Europea.  
Nel gennaio 2007, la Commissione Europea ha presentato una nuova politica 
energetica, proponendo un Pacchetto integrato per l’energia e il cambiamento 
climatico. Con la sua proposta, la Commissione Europea ha posto nuovamente, al 
centro dell’azione dell’UE, l’energia. Gli obiettivi da perseguire attraverso tale politica 
si riducono alla promozione della sostenibilità ambientale, contrasto del cambiamento 
climatico e garanzia della disponibilità di energia accessibile. La realizzazione di questi 
obiettivi è sostenuta dallo sviluppo delle tecnologie energetiche, in particolare 
efficienza energetica e sviluppo di tecnologie per una crescita a basse emissioni di CO
2
, 
considerato come principale specie climalterante, causa dell’effetto serra.  
La Commissione ha elaborato un pacchetto integrato di proposte e misure volte a 
facilitare il perseguimento della politica del 20-20-20, così chiamata perché gli obiettivi 
da perseguire entro il 2020 sono:  
• la riduzione delle emissioni di gas serra del 20% rispetto al 1990;
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• il raggiungimento di un risparmio energetico del 20% rispetto ai consumi 
previsti; 
• il raggiungimento di una quota da fonti rinnovabili del 20% rispetto ai consumi 
energetici complessivi;  
• il raggiungimento di una quota da biocarburanti del 10% rispetto ai consumi 
complessivi di benzina e gasolio nel settore dei trasporti.  
 
Oggi la quota di energie rinnovabili sul consumo energetico finale dell’UE è pari 
all’8,5%; ciò significa che è necessario un aumento dell’11,5% per raggiungere 
l’obiettivo del 20% nel 2020. L’Italia è al terzo posto in Europa per emissioni di gas 
serra, con il 13,7% delle emissioni complessive. Le emissioni di CO2 rappresentano 
per l’Italia la parte più significativa del totale delle emissioni di gas serra, coprendo 
costantemente, dal 1990 ad oggi, oltre l’83%, e raggiungendo l’86% circa nel 2007, 
delle emissioni totali. Dal 1990, le emissioni di questo gas serra sono aumentate di 
circa il 9%. Il settore energetico, la cui quota si è sempre mantenuta, dal 1990 ad 
oggi, al di sopra del 90%, contribuisce in modo preponderante alle emissioni di CO2. 
L’Italia ha ratificato il protocollo di Kyoto nel 2002 impegnandosi a ridurre le proprie 
emissioni del 6,5% rispetto a quelle del 1990. Le operazioni che a livello nazionale 
sembrano al momento più perseguibili al fine del raggiungimento dei suddetti 
obiettivi, non soltanto in termini di costo, ma anche di efficacia, sono da un lato 
l’incentivazione all’uso delle fonti rinnovabili, dall’altro l’aumento della capacità di 
assorbimento di CO2 attraverso le attività di riforestazione, ottimizzazione della 
gestione forestale, gestione dei suoli agricoli, pascoli e rivegetazione.  
L’impiego su scala sempre più vasta di fonti energetiche rinnovabili  diventa 
prioritario per frenare gli effetti nocivi prodotti sull’ambiente.  
Fra le fonti energetiche alternative, si prende in esame in questo studio le biomasse.  
Tra le biomasse si annoverano genericamente: 
• Residui del settore forestale; 
• Residui del settore agricolo (paglie, residue di potature ecc); 
• Piante espressamente coltivate per scopi energetici;
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• Scarti dell’industria (legno ecc); 
• Scarti delle aziende zootecniche; 
• Parte organica dei rifiuti solidi urbani. 
Gli impieghi finali delle biomasse sono orientati verso la produzione di energia termica, 
elettrica e biocarburanti. Alcuni di questi impieghi utilizzano direttamente la biomassa 
allo stato naturale, senza modifiche alla sua struttura originaria, (ad esempio la legna), 
altri usi invece richiedono dei processi di trasformazione della biomassa per consentire 
una maggiore versatilità del suo utilizzo energetico rivolto in particolare ad alcune 
applicazioni tecnologiche di tipo convenzionale (stufe, caldaie ecc).              
Considerando una biomassa di generica composizione, un semplificato schema di 
reazione è il seguente [1]: 
  
      + + 4⁄ − 2 ⁄    →	  + 2 ⁄ 	  +																	1.1                          
                              
L’ossidante O
2 
è di solito fornito attraverso l’aria di combustione. Una combustione 
stechiometrica o ideale per una biomassa può essere semplificata come: 
    
1	      +
1
0.233
8−+
8
3
	  →
11
3
	  +9	  +
0.767
0.233
8−+
8
3
  									1.2 
            
Essendo: p = frazione di carbonio, q = frazione di idrogeno, r = frazione di ossigeno. 
La combustione di una biomassa è un processo che può essere sviluppato in quattro 
fasi, seguite dal biocombustibile al fine di subire la completa ossidazione [2] .  
Queste fasi individuate sono: essicazione e riscaldamento, pirolisi di particelle solide, 
ossidazione del char e ossidazione dei volatili.
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La Figura 1.1 mostra il tasso di perdita di massa della particella di biomassa durante la 
combustione.  
Una particella di biomassa che entra in una camera di combustione calda è 
rapidamente riscaldata dall’esterno attraverso scambi termici, per convezione e 
irraggiamento della fiamma e dei gas di scarico, e per conduzione dal letto caldo di 
biomassa sino all’interno della particella.  
La temperatura cresce improvvisamente nello strato più esterno, ma lentamente verso 
il nucleo della particella, perciò l’evaporazione dell’umidità comincia nello strato più 
esterno procedendo poi verso l’interno, con un fronte di evaporazione che avviene 
convenzionalmente quando lo strato raggiunge i 105°C.  
L’evaporazione dell’acqua e la sua espansione rompe la particella, generando dei micro 
pori attraverso cui il vapore viene espulso.  
Gli strati essiccati aumentano ancora la loro temperatura, ma non possono bruciare 
poiché l’ossigeno non raggiunge gli strati più interni, e intanto la prima emicellulosa e 
successivamente la cellulosa-lignina cominciano a decomporsi termicamente.  
 
Figura 1.1: Tipico tasso di perdita di massa durante la combustione di una particella di biomassa [2]
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Le lunghe catene polimeriche sono rotte in catene più piccole che vaporizzano e 
diventano gas, lasciando le particelle con lo stesso percorso seguito dal vapore.  
Questo mix di gas permanenti (syngas) e vapori (tars) costituisce il contenuto volatile 
della biomassa e quando essi vengono espulsi reagiscono con l’ossigeno presente in  
camera di combustione producendo la fiamma di combustione visibile.  
Mentre continua la volatilizzazione e la combustione, il fronte di pirolisi avanza verso 
l’interno del nucleo della particella, come precedentemente faceva il fronte di 
evaporazione, lasciando gli strati carbonizzati (char) che danno luogo alla combustione 
del char interagendo con l’ossigeno esterno.  
La combustione del char non produce fiamma visibile (glowing combustion, detta 
anche combustione raggiante) ed è particolarmente lenta finché l’ossidazione avviene 
negli strati limite solido-gas, lasciando uno strato di cenere, fungente da isolante, che 
verrà eventualmente rimossa da azioni meccaniche dei gas di uscita per permettere 
all’ossigeno di attaccare un nuovo strato di char. 
Queste serie di eventi che avvengono continuamente durante la combustione del 
combustibile solido dipendono dalle temperature raggiunte da  una determinata area 
della particella e dall’esposizione all’ossigeno.  
Di seguito (Fig 1.2) è riportata una rappresentazione delle varie fasi di combustione. 
 
Figura 1.2. Rappresentazione schematica delle varie fasi di combustione [4] 
a) Riscaldamento e essiccazione 
b) Volatilizzazione e formazione del char 
c) Combustione volatili e char 
 
In accordo con la dipendenza dalla temperatura, la combustione del combustibile 
solido può essere poi divisa in quattro step che avvengono a diverse temperature:
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STEP 1: sotto ai 200 °C (riscaldamento e essiccazione); la biomassa assorbe il calore, 
perde costantemente peso ma non si infiamma. 
 
STEP 2: tra i 200°C e 280°C (torrefazione); la biomassa continua ad aumentare la sua 
temperatura mentre si rilasciano i volatili preliminari derivanti dalla decomposizione a 
bassa temperatura, principalmente emicellulosa; i gas non sono ancora pienamente 
infiammabili, tuttavia avvengono alcune reazioni esotermiche. Le reazioni di pirolisi e 
ossidazione diventano esotermiche ad una temperatura che possiamo considerare 
caratteristica del punto di infiammabilità, ovvero intorno ai 250°C [3][4][5]. 
 
STEP 3: tra i 280°C e 500°C (pirolisi e combustione del volatile); la pirolisi è la 
degradazione termica di un solido in assenza di ossigeno [1][6] ed è un processo che è 
principalmente endotermico. Si compone di due fasi, primaria e secondaria: 
• le reazioni primarie sono endotermiche, trasformano la biomassa in gas 
(syngas), char (carbonio fisso e ceneri) e tar (gas condensabili); 
• le reazioni secondarie sono esotermiche, rompono il tar in syngas e char 
(Cracking). 
 
 
Figura 1.3. Processo di pirolisi e di combustione semplificato, reazioni primarie e secondarie. [4] 
 
Durante questa fase, i gas di pirolisi fuoriescono in grande quantità dalla particelle e 
venendo a contatto con l’ossigeno bruciano con combustione a fiamma in fase gas; 
purché il mix con l’aria avviene all’interno dei limiti inferiore e superiore di 
infiammabilità [7].