FATTORI DI EMISSIONE DALLA COMBUSTIONE DI LEGNA E PELLET IN PICCOLI APPARECCHI DOMESTICI
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FATTORI DI EMISSIONE DALLA COMBUSTIONE DI LEGNA E PELLET
IdAAria
IN PICCOLI APPARECCHI DOMESTICI
Stefano Caserini1, Senem Ozgen1,*, Silvia Galante1, Michele Giugliano1,
Francesca Hugony2, Gabriele Migliavacca2, Carmen Morreale2
1
Politecnico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale, Milano.
2
INNOVHUB- Stazione Sperimentale per i combustibili, San Donato Milanese.
Sommario – Sono presentati i risultati di una campagna Abstract – The aim of this study was to report emis-
sperimentale in cui sono state misurate le emissioni di sion factors of pollutants (i.e., carbon monoxide, ni-
apparecchi domestici di combustione di biomasse le- trogen oxides, non-methane hydrocarbons, particula-
gnose, 4 ad alimentazione manuale (camino aperto, te matter, polycyclic aromatic hydrocarbons, dioxins)
camino chiuso, stufa tradizionale e stufa avanzata) e 2 from biomass burning residential heating appliances.
automatici a pellet. Gli apparecchi manuali sono stati The influence of several factors such as biomass type,
testati utilizzando cicli di combustione in grado di simu- appliance and combustion cycle was investigated.
lare le modalità di utilizzo riscontrate nella realtà. Four manually fed (6-11 kW) firewood burning and
Sono stati effettuati 68 cicli di combustione su appa- two automatic wood pellets (8.8-25 kW) appliances
recchi ad alimentazione manuale e 12 su apparecchi were tested under real-world operating conditions in
automatici; per ciascun ciclo sono stati misurati i pa- order to determine the actual environmental perfor-
rametri di combustione, nonché le emissioni di parti- mance of the appliance. The experimental EFs were
colato (PM), monossido di carbonio (CO), ossidi di also compared with the values proposed by the Euro-
azoto (NOx) e composti organici volatili non meta- pean emission inventory guidebook used in the local
nici (COVNM). Sono inoltre state effettuate misure inventory in order to evaluate their representativeness
aggiuntive di idrocarburi policiclici aromatici (IPA), of real world emissions.
diossine, frazioni fini del particolato. The composite macropollutant EFs for manually fed ap-
I fattori di emissione medi relativi agli apparecchi ad pliances are: for CO 5858 g GJ-1, for NOx 122 g GJ-1,
alimentazione manuale sono risultati: per il CO 5858 g NMHC 542 g GJ-1, PM 254 g GJ-1, whereas emissions
GJ-1; per NOx 122 g GJ-1, per COVNM 542 g GJ-1, per are much lower for automatic pellets appliances: CO
PM 254 g GJ-1. Si tratta di valori molto più elevati di 219 g GJ-1, for NOx 66 g GJ-1, NMHC 5 g GJ-1, PM
quelli riscontrati nel caso di apparecchi automatici (CO 85 g GJ-1. The open fireplace appears to have very high
219 g GJ-1, NOx 66 g GJ-1, NMCOV 5 g GJ-1, PM 85 emission factors, however traditional and advanced sto-
g GJ-1). Le emissioni di macroinquinanti più elevate si ves show the highest overall CO EFs. Especially for the
sono riscontrate nel camino aperto, con l’eccezione del advanced stove real-world emissions are far worse than
CO, che è risultato più elevato nelle stufe (tradizionale those measured under cycles used for type testing of
ed avanzata). In molti cicli, la stufa avanzata è risultata residential solid fuel appliances. No great difference is
avere emissioni molto prossime a quelle della stufa tra- observed for different firewood types in batch working
dizionale. appliances, diversely the quality of the pellets is obser-
Le differenze nelle emissioni per le diverse tipolo- ved to influence directly the emission performance of
gie di legna utilizzate non sono risultate statistica- the automatic appliances. Benzo(b)fluoranthene is the
mente significative; viceversa i fattori di emissione PAH with the highest contribution (110 mg GJ-1 for ma-
di PM dalla combustione di pellet di alta qualità in nual appliances and 2 mg GJ-1 for automatic devices)
apparecchi automatici sono sensibilmente inferiori followed by benzo(a)pyrene (77 mg GJ-1 for manual ap-
rispetto a quelli per il pellet di scarsa qualità; tale pliances and 0,8 mg GJ-1 for automatic devices).
differenza si attenua in caso di utilizzo di pellet di
Parole chiave: materiale particolato; ciclo di combustione;
scarsa qualità. pellet; stufe; caminetti.
Le emissioni di IPA sono risultate più di un ordine di Keywords: particulate matter; emission factor; combustion
grandezza più elevate negli apparecchi ad alimentazione cycle; pellets; stoves; fireplaces.
manuale rispetto a quelli ad alimentazione automatica.
Il Benzo(b)fluorantene fornisce il maggiore contributo Ricevuto il 22-07-2014; Correzioni richieste il 01-10-2014; Ac-
alle emissioni di IPA (110 mg GJ-1 per apparecchi ma- cettazione finale il 20-10-2014.
nuali, 2 mg GJ-1 per i dispositivi automatici) seguito da
benzo(a)pirene (77 mg GJ-1 per apparecchi manuali e 1. INTRODUZIONE
0,8 mg GJ-1 per i dispositivi automatici).
La combustione domestica della biomassa costitu-
isce un’importante fonte di emissioni in atmosfera,
* Piazza Leonardo da Vinci 32, 20133 Milano.
ed è anche una delle sorgenti la cui quantificazione
tel. +39-02-2399-6430; fax. +39-02-2399-6499,
senem.ozgen@polimi.it presenta i più ampi margini di incertezza, sia per
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 27
IdAAria il suo carattere diffuso sia per la scarsità di studi carbon (BC) e carbonio organico (OC) - sia per il
specifici, soprattutto nel sud Europa. forte potenziale climalterante associato soprattutto
Dal punto di vista della qualità dell’aria, la biomas- al BC, sia perché l’OC rappresenta la frazione più
sa ha un incidenza molto rilevante, oltre che per tossica del particolato. Anche su questo tema, nei
il materiale particolato (PM), per le emissioni di contesti dell’Europa occidentale la combustione
idrocarburi policiclici aromatici (IPA). La combu- della legna rappresenta una delle sorgenti princi-
stione a bassa temperatura, tipica delle biomasse pali: costituisce anzi insieme al traffico la fonte di
legnose, è infatti potenzialmente soggetta ad emis- gran parte delle emissioni. Kupiainen e Klimont
sioni specifiche molto alte di IPA, 100 volte supe- (2007) hanno infatti stimato che combustione re-
riore a quelle di una caldaia ad olio combustibile sidenziale della legna e traffico sono responsabili
(Ravindra et al., 2008); di rilievo risultano inoltre nell’Europa occidentale del 60-67% delle emis-
le emissioni di diossine (Lavric et al., 2004). La sioni di BC e dell’85%-97% delle emissioni di
presenza di queste sostanze rende il fumo da bio- OC (con un 50% attribuibile alla biomassa). Uno
massa una fonte di potenziali effetti nocivi per la studio condotto sulla Lombardia (Caserini et al.,
salute (Bolling et al., 2009). 2013) ha stimato che il contributo della biomassa
Una conferma dell’impatto derivante dalle bio- è circa il 74% delle emissioni regionali di OC e il
masse sulla qualità dell’aria viene anche dagli 31% di quelle di BC.
studi basati sulla speciazione del particolato, che Anche in Italia si va evidenziando la necessità di
usano il levoglucosano (un prodotto intermedio controllare gli impianti di combustione domestica
di combustione della cellulosa), il potassio e più della legna; tuttavia la ricerca scientifica su questo
recentemente il rapporto 12C/14C come traccianti argomento è particolarmente sviluppata nel mon-
della combustione di legna. Il contributo comples- do anglosassone e nel nord Europa, mentre nel sud
sivo nella stagione invernale è stato quantificato ad Europa gli studi sono ancora scarsi. Per le diverse
esempio nel 10-20% per il particolato in Austria caratteristiche climatiche e per le diversità culturali,
(Caseiro et al., 2009) e nel 35-40% per la compo- gli apparecchi a biomassa presentano caratteristiche
nente organica del particolato in Svizzera (Lanz et assai specifiche nei diversi contesti territoriali, che
al., 2008). In Italia, uno studio specifico condot- rendono i risultati ottenuti in altri paesi non imme-
to in Lombardia (Gianelle et al., 2013) sui livelli diatamente applicabili. Si veda ad esempio per i
di contaminazione ambientale da IPA, ha rilevato dispositivi di piccole dimensioni la prevalenza dei
livelli di contaminazione più elevati non nell’area camini aperti e chiusi in Italia (Caserini et al., 2007),
urbana di Milano – dove risulta massima la con- delle stufe in nord Europa o, per il pellet, l’utiliz-
centrazione di altri macroinquinanti – ma nelle sta- zo quasi esclusivo in stufe in Italia, laddove altrove
zioni situate in aree montane, dove la combustione prevalgono largamente le caldaie. Sempre per moti-
della biomassa risulta la fonte prevalente. vi di diversità ambientale, variano anche le essenze
La combustione della biomassa è sempre stata rite- legnose prevalentemente utilizzate e le modalità di
nuta un problema che riguardava, in Europa, essen- stagionatura e di alimentazione in camera di combu-
zialmente la Scandinavia e le aree alpine. Tuttavia stione – anche in relazione alle caratteristiche clima-
studi più recenti hanno dimostrato un’incidenza non tiche prevalenti. Esistono inoltre fattori di variabili-
trascurabile nelle aree urbane di Berlino, Londra tà intrinsechi al processo: le emissioni più elevate
e Parigi: a Parigi l’influenza della legna sulle con- sono generalmente associate ad una combustione
centrazioni di PM10 nelle aree periurbane si è di- incompleta, che può essere determinata da una in-
mostrata superiore a quella del traffico; contributi sufficiente temperatura, da scarsità di ossigeno, da
rilevanti sono stati stimati anche per Londra e Ber- insufficiente tempo di residenza ed in generale dal-
lino (si vedano gli studi citati in Fuller et al., 2013). la variabilità delle condizioni ambientali all’interno
Come segnalato anche da un editoriale della rivista della camera di combustione (Van Loo e Koppejan,
Amospheric Environment (Fuller et al., 2013), vi 2008; EC DG TREN, 2009; Nussbaumer, 2010).
può essere il rischio concreto che la politica euro- Questi elementi determinano un elevato grado di
pea di promozione delle fonti rinnovabili produca incertezza nei fattori di emissione utilizzati; in
ulteriori incrementi delle concentrazioni di polveri Lombardia, l’intervallo di confidenza al 95% per
anche nelle grandi aree urbane, vanificando parzial- le emissioni di PM dalla combustione domestica
mente i miglioramenti della qualità dell’aria ottenuti della biomassa è stato stimata pari al 60% del valo-
grazie agli interventi degli ultimi decenni. re mediano dell’intervallo (Pastorello et al., 2011;
Un altro argomento che recentemente ha assunto Caserini et al., 2013).
interesse nella letteratura scientifica è quello del- La campagna sperimentale presentata in questo la-
le componenti carboniose del particolato - black voro, realizzata nel corso del 2012 presso Innovhub
28 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014
- Stazioni Sperimentali per l’Industria - Divisione di 6 kW e un rendimento termico (dichiarato)
IdAAria
Stazione Sperimentale per i Combustibili di San Do- del 70%;
nato Milanese, nell’ambito di una ricerca congiunta • la stufa avanzata dotata, di controllo manuale sia
fra DICA-Politecnico di Milano, ARPA Lombardia dell’aria primaria che secondaria ha una potenza
ed ENEA (DIIAR, 2012; Ozgen et al., 2014), è stata nominale di 8 kW e un rendimento dichiarato
condotta con l’obiettivo di stimare fattori di emissio- del 75%.
ne più possibile rappresentativi della realtà italiana.
Tra gli apparecchi automatici sono invece state se-
lezionate una stufa e una caldaia a pellet; la stufa
2. MATERIALI E METODI di piccole dimensioni rappresenta i dispositivi più
comunemente utilizzati in Italia, mentre la caldaia,
2.1 Apparecchi testati dotata di sonda lambda, rappresenta la tecnologia
più avanzata disponibile sul mercato:
Per la determinazione dei fattori di emissione delle • la stufa a pellet ha una potenza termica tra 2,6
biomasse legnose si è utilizzata un’ampia gamma e 9 kW e un’efficienza del 91% è provvista di
di apparecchi di combustione, le cui caratteristiche un serbatoio di alimentazione della capacità
in dettaglio sono riassunte in Tabella MS1 (mate- di 18 kg, la camera di combustione è alimen-
riale supplementare). Questi dispositivi sono rap- tata tramite una coclea che si attiva periodi-
presentativi delle principali tipologie in uso nel camente. La stufa è inoltre provvista di una
settore domestico in Italia (Caserini et al., 2007) e ventilazione forzata dell’aria calda che regola
in Europa (EEA, 2013). simultaneamente l’ingresso dell’aria di com-
In particolare sono stati utilizzati 4 impianti ad bustione;
alimentazione manuale di ciocchi di legno e 2 ad • la caldaia a pellet ha una potenza termica da 7,3
alimentazione automatica di pellet (Figura 1). Tra a 25 kW e un’efficienza del 93% è, collegata ad
gli apparecchi manuali sono stati selezionati due un impianto idraulico di gestione del liquido ter-
camini e due stufe: movettore e di misura e smaltimento dell’ener-
• il caminetto aperto è rappresentativo della bassa gia termica prodotta dalla combustione. È prov-
efficienza dei camini di vecchia generazione, ha vista di un serbatoio interno per il pellet da 60
una potenza nominale di 8 kW e rendimento ter- kg e anche di un sistema di ricarica automatico.
mico (dichiarato) del 51%; Tramite un sensore lambda la caldaia regola au-
• il caminetto chiuso, provvisto di uno scambia- tomaticamente l’afflusso di aria e combustibile
tore di calore a convezione forzata dell’aria e all’interno della camera di combustione.
di un sistema di controllo dell’aria primaria e
secondaria è rappresentativo, dei modelli più 2.2 Combustibili
avanzati, ha una potenza nominale di 11 kW e
un rendimento termico (dichiarato) di 82%; Per condurre i test di emissioni sulle stufe e ca-
• la stufa tradizionale è dotata del solo control- minetti sono state utilizzate cinque tipologie di
lo dell’aria primaria, ha una potenza nominale legna: faggio, robinia, carpino, quercia e abete.
Figura 1 – Apparecchi utilizzati nella sperimentazione (da sinistra: caminetto aperto, caminetto chiuso, stufa
tradizionale, stufa avanzata, stufa a pellet, caldaia a pellet)
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 29IdAAria Queste tipologie sono state scelte per la loro va- • EN 14785:2006, Apparecchi per il riscaldamen-
sta diffusione nel nord Italia dove, la combustione to domestico alimentati con pellet di legno-Re-
della legna come riscaldamento domestico è mol- quisiti e metodi di prova.
to comune. I ceppi selezionati per i test avevano
una lunghezza di circa 30 cm, conforme a quan- L’uso quotidiano dei piccoli apparecchi a legna è
to suggerito dal manuale di istruzione di ciascun però spesso molto diverso da quello ben control-
apparecchio e che garantisce una buona maneg- lato indicato nei metodi di prova, specialmente per
gevolezza durante il caricamento della camera di gli apparecchi manuali in cui il processo di com-
combustione. Per simulare il più possibile le con- bustione mostra una grande variabilità durante le
dizioni di utilizzo reale degli apparecchi la legna varie fasi, causata dall’alimentazione manuale
è stata utilizzata così come fornita dal rivenditore dell’apparecchio (Van Loo and Koppejan, 2008).
senza alcuna modifica come ad esempio scortec-
ciamento o selezione dei ciocchi. Nella Tabella 2.3.1 Indagine sui cicli reali di combustione
MS2 (materiale supplementare) sono riportati i
risultati delle analisi condotte per ogni tipologia Per stimare i fattori di emissione reali è quindi cru-
di biomassa legnosa utilizzata. Le analisi sono ciale la definizione di un ciclo di combustione il più
state condotte seguendo i metodi standard UNI possibile vicino a quello che si avrebbe durante un
EN 15104- 2011 per l’analisi elementare (C, H, uso quotidiano in ambito domestico, sia in termini
N), UNI EN 14918-2012 per il PCI (potere calo- di frequenza di ricarica della camera di combustio-
rifico inferiore), ASTM D7582 per il contenuto ne sia nella durata della fase di arresto e di avvia-
di umidità e di ceneri e UNI 15289-2011 per il mento. A tal fine è stata condotta un’indagine su 13
contenuto di cloro e zolfo. apparecchi a carica manuale (camini aperti, camini
Il contenuto di umidità è risultato compreso tra chiusi, stufe) in 12 case nel nord Italia, registran-
il 9,2% della robinia e il 10% della quercia ed è do la temperatura all’interno dei focolari per una
al di sotto della soglia massima indicata per un media di 15 giorni ad apparecchio (per un totale di
corretto utilizzo degli impianti di riscaldamento circa 1300 ore di funzionamento). La campagna di
alimentati con combustibili legnosi come indica- misura è stata realizzata installando dei sensori di
to dalla UNI EN 14961-5 (prima classe per tron- temperatura nella canna fumaria e registrando le
chi di legnoIdAAria
Figura 2 – Andamento della temperatura nella camera di combustione misurata in un ciclo reale di una stufa a
legna.
te l’utilizzo di legnetti o tavolette accendifuoco dei cicli standard. Le due stufe e il caminetto chiu-
collocati alla base di una catasta di legna di circa so sono stati testati seguendo il metodo EN-13240
0,7 kg. In questa fase la valvola per la regolazio- in cui è previsto un periodo di pre-test per preri-
ne dell’aria è stata tenuta completamente aperta. scaldare la camera di combustione ed ottenere una
Dopo 15-20 minuti è stato aggiunto un quantitati- combustione più stabile ed emissioni più ripetibili.
vo di legna pari al carico nominale di riferimento Le emissioni sono state misurate durante tre ricari-
ed è stata chiusa parzialmente la valvola per la che consecutive di durata non inferiore ai 45 min.
regolazione dell’aria (la chiusura è stata tale da Il caminetto aperto è stato testato seguendo la EN-
consentire la durata della combustione per i suc- 13229; anche in questo caso è stato effettuato un
cessivi 60 minuti); le ulteriori 2 cariche (anch’es- pre-test per preriscaldare la camera di combustione
se pari al carico nominale di riferimento) sono prima delle misure di emissione, senza però porre
state effettuate ad intervalli successivi di 60 mi- limiti sulla durata delle misure.
nuti l’una dall’altra. Tra una carica e l’altra quan- Per gli apparecchi automatici il ciclo utilizzato (Ci-
do necessario si è provveduto al riattizzamento clo P) ha previsto un preriscaldamento dell’appa-
del fuoco per non più di una volta. recchio di 1 ora per ottenere condizioni operative
Il ciclo B è rappresentativo dell’utilizzo serale de- stabili e un successivo campionamento delle emis-
gli impianti; si è infatti osservato che gli apparec- sioni per l’ora seguente con l’apparecchio imposta-
chi con focolare chiuso, nell’ultima carica serale, to alla potenza nominale. Un riassunto delle prove
sono frequentemente sovraccaricati e successiva- effettuate per ogni tipo di ciclo in relazione a ogni
mente viene chiusa la valvola di ingresso dell’aria impianto è riportato in Tabella 1.
nel tentativo di prolungare il più a lungo possibile
la combustione durante la notte. Questo comporta- 2.4 Sistema di campionamento
mento è stato simulato, rispetto al ciclo A, aumen-
tando la quantità di combustibile del 50% durante Per simulare le emissioni in atmosfera, cioè il
l’ultima ricarica e chiudendo la valvola dell’aria raffreddamento dei fumi della combustione e
subito dopo aver introdotto la legna in camera di la conseguente condensazione del particolato
combustione. condensabile, per il campionamento si è scelto
Nelle prove con il caminetto aperto è stato utilizza- di seguire il “Metodo Norvegese” (NS 3058-2),
to un terzo ciclo (ciclo C) in quanto i precedenti ci- che prevede l’impiego di un tunnel di diluizio-
cli davano problemi in termini di emissioni di fumi ne dei fumi in cui si effettua il mescolamento
dalla camera di combustione verso l’aria ambiente. dei prodotti della combustione con l’aria am-
Per evitare questi problemi ogni carica è stata divi- biente (Standard Norge, 1994). I fumi sono stati
sa in tre parti e i fumi sono stati campionati durante diluiti circa di 10 volte; la regolazione è effet-
nove fasi di ricarica. tuata tramite un aspiratore a potenza variabile e
Gli apparecchi manuali sono poi stati testati anche la diluizione è stata verificata istantaneamente
secondo i metodi normati (Ciclo EN), per confron- durante tutta la prova in base al rapporto della
tare le emissioni dei cicli definiti reali con quelle concentrazione di CO 2 a monte e valle del siste-
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 31IdAAria ma di diluizione. In questo modo la temperatura CO2 fumi − CO2 BG
dei fumi campionati è stata sempre mantenuta DRtunnel = (1)
CO2dil − CO2 BG
al disotto dei 35°C previsti dal NS 3058-2, al
fine di garantire la condensazione dei composti
organici volatili non metanici (COVNM). Gli dove:
apparecchi sono tutti stati posti sopra una bi- DR tunnel = rapporto di diluizione
lancia con sensibilità di 50 g per misurare le CO2fumi = tenore di CO2 nei fumi in uscita dalla ca-
variazioni di peso durante la combustione, sono mera di combustione
inoltre state posizionate delle termocoppie per CO2BG = tenore di CO2 nell’aria ambiente
misurare le temperature all’uscita della camera CO2dil = tenore di CO2 nel tunnel di diluizione
di combustione e all’interno del tunnel di dilu-
izione. Lo schema del sistema di misura è mo- Il rapporto di diluizione medio DR è circa pari a
strato in Figura 3. 10. Si nota però che in alcuni momenti il DR rag-
L’utilizzo di un metodo di campionamento “a giunge livelli molto elevati, indicando la scarsa
freddo”, che prevede la miscelazione dei fumi di portata di fumi e tanta aria di diluizione nel tunnel
combustione con aria di diluizione all’interno di (DR>26 per l’1% dei dati) con il probabile effetto
un tunnel, consente di valutare anche la frazione della diminuzione eccessiva della pressione parzia-
semi-volatile del particolato, che per gli impianti le delle specie semivolatili.
di combustione della legna può avere una conside-
revole incidenza, soprattutto in condizioni di com- 2.5 Tecniche di misura
bustione non ottimali.
Il rapporto di diluzione nel tunnel è un parametro 2.5.1 Gas
importante in quanto una sua variazione durante
le prove, agendo sulla tensione di vapore e pres- L’analisi dei prodotti di combustione in fase
sione parziale delle specie semivolatili, potrebbe gassosa è stata effettuata con una serie di ana-
influenzare le dinamiche della trasformazione di lizzatori in linea collegati a moduli di campio-
fase (gas-particolato) di queste, alterandone le con- namento riscaldati a 160°C posti sul condotto
centrazioni sia in termini di PM che di COVNM. dei fumi rispettivamente all’uscita della camera
Secondo Nussbaumer (2010) per i rapporti di di- di combustione e lungo un tratto rettilineo del
luizione (DR) superiori a 20 la quantità del parti- tunnel di diluizione. Gli analizzatori utilizzati
colato organico condensabile diminuisce per l’ec- sono:
cessiva diminuzione della pressione parziale delle • analizzatore di NO/NOx a chemiluminescenza
specie semivolatili coinvolte. Thermo Environmental Instr. 42H;
In Figura 4 si riportano le statistiche descrittive • sistema HORIBA PG-250 per la misura di O2
dei rapporti di diluizione nel tunnel, calcolati per con sensore paramagnetico, di CO, CO2, SO2
le prove del caminetto chiuso, tramite la seguente con sensori IR, degli ossidi di azoto (NOx) con
relazione: metodo a Chemiluminescenza;
Tabella 1 – N
umero di cicli di misura effettuati per tipo di apparecchio, ciclo di combustione e inquinante
Tipo di ciclo Numero di cicli di misura
C 15 15 15 15
Caminetto aperto
EN 1 1 1 1
A 5 5 4 5
Caminetto chiuso B 13 13 13 10
EN 1 1 1
A 5 5 5 5
Stufa tradizionale B 10 10 10 10
EN 1 2 2 1
A 5 5 4 5
Stufa avanzata B 10 10 8 10
EN 1 1 2 5
Stufa a pellets P 6 6 6 6
Caldaia a pellets P 2 2 2 6
32 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014IdAAria
Figura 3 – Schema del sistema di campionamento
• analizzatore di CH4, THC e NMHC a caldo, Mo- ambiente prima di essere pesati, sono poi stati
dello CAI 600 MHFID provvisto di catalizzato- conservati a 20°C fino all’utilizzo. Dopo il cam-
re per il taglio degli idrocarburi non metanici; pionamento sono stati posti in essiccatore per 24
• analizzatore multiparametrico Fisher Rose- ore e nuovamente pesati per determinare la mas-
mount NGA 2000 per CO e CO2 a spettrometria sa del PM.
IR non dispersiva. Il campionamento è iniziato subito dopo la carica
del combustibile e si è arrestato quando l’ultima
2.5.2 Particolato solido totale carica del ciclo si è esaurita.
Sono inoltre stati condotti dei test sulla stufa
Come precedentemente detto, per il campio- avanzata con campionamento simultaneo delle
namento si è applicato Metodo Norvegese (NS polveri a caldo, cioè all’uscita dalla camera di
3058-2), che prevede l’impiego di un tunnel di combustione prima della diluizione, e a freddo,
diluizione. Il PM è stato determinato mediante cioè dopo la diluizione dei fumi, per determina-
campionamento isocinetico dei fumi di combu- re l’influenza delle condizioni di campionamen-
stione utilizzando filtri piani in fibra di quarzo to sui fattori di emissione. Questi test sono stati
da 47 mm. I filtri sono stati pretrattati per 3 ore condotti seguendo il metodo “Austriaco-Tede-
a 850°C per eliminare tutte le impurità, sono sco”, come descritto nel documento UNI CEN
quindi stati posti in essiccatore a temperatura EN TS 15883.
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 33IdAAria
Figura 4 – Rapporto di diluizione nel tunnel durante le prove sul caminetto chiuso
2.5.3 IPA e diossine uniti con la condensa in un unico campione analiz-
zato mediante gascromatografia interfacciata alla
Per il campionamento di IPA e diossine si è fat- spettrometria di massa ad alta risoluzione.
to riferimento ai metodi ISO 11338-1 e UNI EN I campioni di IPA sono stati analizzati per
1948-1 (2006). Il sistema di campionamento è benzo(a)pirene (B(a)P), benzo(b)fluorantene (B(b)
uguale per entrambi gli inquinanti ed è costituito F),benzo(k)fluorantene (B(k)F) e indeno(1,2,3ecd)
da una linea di prelievo composta da una sonda pirene (IP).
in titanio riscaldata e termostatata a 120°C, cor-
redata di portacampione per l’alloggiamento del 2.6 Validazione dei dati
filtro di raccolta del materiale particellare, tubo di
Darcy per la misura della pressione differenziale La base dei dati elaborati è costituita, oltre che dal-
e termocoppia per la rilevazione della temperatu- le concentrazioni di inquinanti in emissione, anche
ra dei fumi. dai dati relativi alla modalità della combustione e
In serie al dispositivo di filtrazione si sono collegati: alle caratteristiche dei fumi, quali portata, tenore di
• un sistema di refrigerazione a ricadere dotato di O2 e CO2, temperatura dei fumi, temperatura am-
serbatoio per la raccolta della condensa mante- biente, peso del combustibile.
nuto a +2°C; I dati elementari, misurati in continuo ogni 5 secon-
• una trappola contenente materiale adsorbente di, sono stati controllati al fine di eliminare singoli
(schiuma poliuretanica PUF) per la fissazione dati anomali. I criteri per la validazione sono stati:
della frazione non condensabile; • eliminazione di tutti i valori di concentrazioni
• una centralina di aspirazione dei fumi in grado di ossidi di azoto (NOx), monossido di carbonio
di assicurare il campionamento in condizioni (CO) e COVNM che risultano negativi o nulli,
isocinetiche. o che rappresentano valori molto elevati per pe-
riodi molto limitati (es. di pochi secondi); questi
I filtri e i PUF sono stati estratti insieme, gli estratti valori non sono ritenuti validi per malfunziona-
sono stati quindi concentrati a piccolo volume e ri- mento del sistema di campionamento o misura;
34 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014• eliminazione dell’intero set di dati in corrispon- dove:
IdAAria
denza di valori non regolari del tenore di ossige- XC = contenuto di carbonio nel combustibile (kgC
no, ossia prossimi al valore di 20,9%, o quando kgcombustibile-1)
i valori di ossigeno aumentavano in pochissimi Vmol = volume molare del gas (22,4 l NTP)
secondi; MC = peso atomico del carbonio (12 g mol-1)
• eliminazione di alcuni dati di peso (ad esempio CO2i = concentrazione di CO2 nei fumi all’istante i
per la stufa avanzata) per malfunzionamenti del- (%v di gas secco)
la bilancia.
• Questo tipo di validazione ha permesso di eli- Per il PM il fattore di emissione è stato determinato
minare i dati anomali, di norma corrispondenti a in accordo con la norma NS 3058-2, che definisce
picchi molto accentuati dei valori di concentra- il metodo del tunnel di diluizione. Il particolato,
zione (DIIAR 2012; Ferrazzi, 2013). Nel com- campionato a temperatura ambiente, viene deter-
plesso sono stati eliminati circa il 2% dei circa minato per via gravimetrica e riproporzionato ai
477.000 dati elementari disponibili delle con- m3 campionati e alla portata dei fumi utilizzando
centrazioni degli inquinanti in apparecchi ma- la seguente relazione semiempirica che quantifica
nuali (2,13% per CO, 2,16 per COVNM, 1,86% il valore in g h-1 (Eq. 4):
per NOx), e circa lo 0,14% dei circa 6900 dati
0 ,83
disponibili per apparecchi a pellet. mn
E ad = 1, 82 ⋅ ⋅ Qad (4)
1000 ⋅ V
m
2.7 Calcolo dei fattori di emissione
dove:
I fattori di emissione (FE) possono essere calcolati
Ead = emissione di PM in g h-1;
tramite la media delle concentrazioni nei fumi della
mn = quantità di PM raccolta (mg)
sostanza emessa e la media della portata volumetrica
Vm = volume di gas campionato su base secca (dm³
dei fumi in relazione alla quantità di combustibile uti-
in condizioni standard, 760 mmHg e 273 K)
lizzato (g kg-1 combustibile), o in relazione all’energia
Qad = portata media de fumi nel tunnel di diluizione
in ingresso al processo (g MJ-1). La prima metodologia
(dm³ h-1 in condizioni standard, 760 mmHg e 273
funziona bene per combustioni stabili con una portata
K)
volumetrica costante; per combustioni irregolari come
quelle ottenute in apparecchi manuali, in cui la combu-
Per ottenere il fattore di emissione in g GJ-1 si è uti-
stione varia nelle diverse fasi, si possono avere devia-
lizzato il PCI e la portata di combustibile misurata,
zioni rispetto alla media. In questo caso i FE possono
secondo la formula:
essere calcolati istante per istante basandosi sui valori
di concentrazioni osservati pesati sul volume specifico
E ad
dei fumi prodotti, secondo la relazione: FE = ⋅1000(5)
PCI ⋅ Qcomb
1 dove:
FE =
n ∑ c ⋅V
i
i spec ,i ⋅ PCI −1 ⋅ 103 (2)
Qcomb = portata del combustibile (kg h-1).
Dove: 2.8 Analisi statistica
FE = fattore di emissione (g GJ-1)
ci = concentrazione di inquinante osservata (g m-³) Al fine di verificare la dipendenza dei FE da
all’istante i di n osservazioni diversi parametri si è avvalsi dei FE medi con
Vspec,i = volume di gas secco prodotto per kg di i relativi intervalli di confidenza al 95% (bo-
combustibile secco (m³ kgcombustibile-1) otstrap). L’effettiva sussistenza di una differen-
PCI = potere calorifico inferiore (MJ kgcombustibile-1). za statisticamente significativa tra i FE medi
Se il contenuto di CO2 nei fumi è noto, il volume per ciascun parametro che potenzialmente può
di gas secco prodotto per kg di combustibile secco influire sulle emissioni è stata indagata attra-
può essere calcolato con l’Eq. (3) assumendo una verso rappresentazione grafica delle medie ed
combustione completa (Van Loo e Koppejan, 2008): i relativi intervalli di confidenza. La differenza
tra i FE medi è rilevante da un punto di vista
statistico solo laddove non vi è sovrapponibilità
Vspec,i = XCVmol / ( MC ⋅ CO2 i ) (3) delle barre indicatrici degli intervalli di confi-
denza al 95% della media.
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 35IdAAria 3. RISULTATI del tipo di pellet utilizzato (certificato o non cer-
tificato).
Le Tabelle 2 e 3 mostrano un quadro riassuntivo Come si può notare, l’influenza del tipo di pellet
dei fattori di emissione medi per singolo appa- utilizzato è notevole: in particolare, per le stufe a
recchio, mentre il dettaglio dei risultati per tipo pellet il fattore di emissione medio passa da 67 g
di ciclo o tipo di IPA è mostrato nelle Tabelle GJ-1 a 150 g GJ-1, mentre per la caldaia a pellet si
MS3-MS7 nel materiale supplementare. Figure 5 passa da 20 g GJ-1 a 100 g GJ-1. L’aumento delle
e 6 mostrano i FE medi ed i relativi intervalli di emissioni di PM nei pellet con alti livelli di ceneri
confidenza al 95% rispettivamente per le diverse è collegato anche al processo di combustione meno
essenze e per i diversi cicli. efficiente, come indicato dai maggiori FE di CO e
Nelle successive elaborazione dei risultati sono NMHC, e da inferiori livelli di NOx.
trattati separatamente gli inquinanti gassosi – mi- Per ciascun apparecchio sono stati effettuati due
surati in continuo – ed il particolato, per il quale è cicli di misura delle frazioni fini (PM2.5, PM10).
disponibile una unica misura per ciascun ciclo di Le percentuali PM2.5/PM e PM10/PM misurate
campionamento. per i diversi apparecchi (Tabella 4) sono quasi tutte
congruenti con i dati di letteratura (EEA, 2013),
3.1 Materiale particolato che mostrano una netta predominanza della fra-
zione fine (con percentuali PM2.5/PM nettamente
I FE più elevati di PM sono stati misurati per il cami- superiori al 90%), ad eccezione di un ciclo del ca-
netto aperto, con valori in media superiori di quasi 3 minetto chiuso ed uno della stufa avanzata (valori
volte a quelli del caminetto chiuso, stufa tradizionale e di PM2.5/PM tra l’80% ed il 89%), e dei cicli della
stufa avanzata. Gli apparecchi a pellets mostrano FE di caldaia a pellet, in cui uno dei due rapporti PM2.5/
emissione ancora inferiori. PM è risultato pari al 65%.
In Figura 7 è mostrato un quadro riassuntivo dei
FE del PM per le diverse essenze legnose, suddivi- 3.2 Inquinanti gassosi
si per tipo di apparecchio.
Dal grafico si deduce che l’essenza legnosa ha Per gli inquinanti gassosi misurati (CO, NOx,
una influenza variabile sui livelli emissivi, e che COVNM) si è provveduto al calcolo dei FE a par-
altri fattori hanno un’influenza più rilevante; ad tire dai dati di concentrazione misurati in continuo.
esempio, l’essenza di tipo ‘softwood’ (abete), dal- Le emissioni medie per ciclo dei quattro apparec-
la quale ci si attendevano sulla base delle risultan- chi a carica manuale utilizzando cinque essenze di-
ze di letteratura (Meyer, 2012) le concentrazioni verse sono rappresentate in forma grafica in Figura
più elevate, non per tutti gli apparecchi è quella 10. La figura mostra la mediana, massimo, mini-
con il maggiore fattore di emissione. Gli intervalli mo, il range interquartile (la differenza tra il 75° e
di confidenza al 95% delle medie si sovrappon- il 25° percentile).
gono ad indicazione che i FE ottenuti con diverse Le emissioni gassose da apparecchi a carica ma-
essenze legnose appartengono ad un’unica serie: nuale sono altamente variabili durante il funzio-
non vi è cioè alcuna differenza statistica tra i va- namento, con picchi di emissioni di prodotti di
lori ottenuti con legna di diverso tipo (Figura 5). combustione incompleta in corrispondenza della
L’influenza del tipo di ciclo, A o B (con sovracca- ricarica di combustibile. Gli apparecchi automatici
rico finale dell’apparecchio) sulle emissioni di PM invece mostrano livelli emissivi relativamente co-
è mostrata in Figure 8 e nella Tabella MS4 (mate- stanti, con FE di CO e NMHC due ordini di gran-
riale supplementare). dezza inferiori a quelli dei sistemi a carica manua-
L’apparecchio più sensibile al tipo di ciclo applica- le. Per gli NOx la tipologia di apparecchio ha un
to è la stufa avanzata, per la quale si ha un aumento effetto minore.
del 50% nelle emissioni medie nel ciclo B rispetto Si nota in Figura 5 che, ad eccezione della quer-
al ciclo A. cia nel caso delle emissioni di CO e la robinia nel
Per gli altri due apparecchi (stufa tradizionale e caso degli NOx, gli intervalli di confidenza al 95%
caminetto chiuso), la variazione del tipo di ciclo delle medie dei fattori di emissione sono sovrap-
aumenta in misura maggiore la mediana, ad indi- posti ad, indicare un’influenza statisticamente non
care che i cicli di tipo B, che come detto meglio significativa delle diverse essenze legnose sulle
rappresentano condizioni reali, sono caratterizzati emissioni degli inquinanti gassosi. Nel caso stu-
statisticamente dalla presenza di valori più alti. diato la maggiore formazione degli NOx durante
Per quanto riguarda gli apparecchi ad alimentazio- la combustione di robinia non è spiegabile col fat-
ne automatica, in Figura 9 è mostrata l’influenza to che la formazione di NOx negli apparecchi di
36 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014Tabella 2 – F
attori di emissione medi per macroinquinanti
IdAAria
intervallo di confidenza al 95%
numero di FE medio
Apparecchio inferiore superiore
prove sperimentale
caminetto aperto 15 5048
4417 5828
caminetto chiuso 18 4471
3949 5030
stufa tradizionale 15 7681
CO (g GJ-1) 6059 11131
stufa avanzata 15 6232
4885 7829
stufa a pellets 6 88
73 108
caldaia a pellets 2 350
caminetto aperto 15 134
121 148
caminetto chiuso 18 120
105 140
stufa tradizionale 15 100
NOx (g GJ-1) 91 110
stufa avanzata 15 132
99 182
stufa a pellets 6 60
32 90
caldaia a pellets 2 71
caminetto aperto 15 1011
853 1219
caminetto chiuso 17 548
445 677
stufa tradizionale 15 243
COVNM (g GJ-1) 197 352
stufa avanzata 12 366
266 701
stufa a pellets 6 9,0
3,0 17
caldaia a pellets 2 1,0
caminetto aperto 15 512 434 611
caminetto chiuso 15 183 152 219
stufa tradizionale 15 178 140 225
PM (g GJ-1)
stufa avanzata 15 143 120 176
stufa a pellets 6 109 75 139
caldaia a pellets 6 61 30 103
Tabella 3 – F
attori di emissione medi per inquinanti organici in traccia aggiungere (mg GJ-1)
Apparecchio numero di prove B(a)P B(b)F B(k)F IP
caminetto aperto 5 20 25 8,5 12
caminetto chiuso 10 14 16 9,0 9,2
stufa tradizionale 8 122 200 64 97
stufa avanzata 7 152 198 95 99
stufa a pellets 2 1,5 4,0 1,5 1,1
caldaia a pellets 2 0,06 0,07 0,05 0,03
combustione a scala piccola è maggiormente do- denziate da minore emissione di CO e maggiore
vuta all’ossidazione del char (residui solidi dopo emissione di NOx rispetto all’utilizzo del pellet
la devolatilizzazione) (van Loo e Koppejan, 2008) non certificato. In tutti e due i casi le emissioni di
quindi al contenuto di azoto del combustibile, in CO e COVNM sono molto basse rispetto agli ap-
quanto l’essenza con il più alto tenore di azoto è parecchi a carica manuale, come del resto per il
l’abete (N= 0,72%secco, senza ceneri) mentre quello della PM.
robinia è circa 0,44%secco, senza ceneri. Per quanto ri- Per quanto riguarda l’influenza del tipo di ciclo
guarda i COVNM, il confronto degli intervalli di (Tabella MS4-MS5), l’apparecchio più sensibile
confidenza mostra invece che non vi è alcuna dif- al tipo di ciclo applicato è la stufa avanzata con,
ferenza statistica tra i valori ottenuti con legna di aumenti per più di 50% nel caso di CO e COVNM
diverso tipo. passando dal ciclo A ai cicli B. Non si evidenziano
Come per il PM, l’influenza del tipo di pellet utiliz- comunque differenze statisticamente significative
zato è particolarmente marcata, in particolare per tra i cicli reali A e B considerando l’insieme degli
le stufe a pellet (Figura 11), che vede per il pellet apparecchi manuali (Figura 6). La differenza tra i
certificato migliori condizioni di combustione evi- FE medi è rilevante solo nel caso delle emissioni
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 37IdAAria
Figura 5 – Fattori di emissione medi con e relativi intervalli di confidenza al 95% per CO, NOx, COVNM e PM
per tipo di essenza legnosa (A: abete, C: carpino, F: faggio, Q: quercia, R: robinia)
Figura 6 – Fattori di emissione medi con e relativi intervalli di confidenza al 95% per CO, NOx, COVNM e PM
per diversi cicli (A: ciclo A, B: cicli B, EN: ciclo EN)
38 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014IdAAria
Figura 7 – Fattori di emissione di PM per tipo di apparecchio ed essenza legnosa
Figura 8 – Fattori di emissione di PM per caminetto chiuso, stufa tradizionale e stufa avanzata – cicli “A” e “B”:
mediana, 5° e 95° percentile, intervallo di variabilità tra 25° e 75° percentile (IQR)
di CO da stufa avanzata (Figura MS1 nel materia- diverse tipologie impiantistiche (Tabella MS7), i
le supplementare). Il confronto dei risultati con il cui valori medi sono riportati in Tab. 3.
ciclo EN mostra invece un incremento delle emis- Il rapporto tra le concentrazioni misurate nelle
sioni di circa 2 volte per il CO e NMHC, e 1.4 volte diverse tipologie di apparecchio è più o meno la
per le emissioni di NOx. stessa per i quattro diversi composti considerati:
benzo(a)pirene, benzo(b)fluorantene, benzo(k)
3.3 Inquinanti organici in traccia fluorantene, indeno(1,2,3-cd)pirene. Sorprenden-
temente, per il benzo(a)pirene (Figura 12) il cami-
Per quanto riguarda le emissioni di IPA, sono di- netto chiuso presenta lo stesso intervallo di valori
sponibili in totale i dati relativi a 34 prove per le riscontrati per il caminetto aperto, ben al di sotto
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 39IdAAria
Figura 9 – Stufa e caldaia a pellet – influenza del tipo di pellet sul fattore di emissione del PM: mediana, 5° e 95°
percentile, intervallo di variabilità tra 25° e 75° percentile (IQR)
Tabella 4 – PM10/PM e PM2.5/PM misurato per le diverse tipologie di apparecchi
Apparecchio Prova PM10/PM (%) PM2.5/PM (%)
1 99,4 96,6
Camino aperto 2 97,4 94,1
Media 98,4 95,4
1 98,7 96,0
Camino chiuso 2 86,6 85,6
Media 92,6 89,3
1 97,6 96,5
Stufa tradizionale 2 98,5 96,7
Media 98,1 96,6
1 96,2 91,8
Stufa avanzata 2 94,1 85,6
Media 95,2 88,7
1 97,0 94,0
Stufa a pellet 2 99,3 98,7
Media 98,2 96,3
1 85,0 65,0
Caldaia a pellet 2 88,1 74,3
Media 86,6 69,6
Media complessiva 94,8 89,3
Mediana 97,2 94,1
delle emissioni misurate per le stufe; per queste ul- Per gli apparecchi a pellet – ed in particolare per la
time non si rilevano variazioni significative tra la caldaia – si riscontrano valori estremamente bassi
stufa tradizionale e la stufa avanzata. (p.es.: per il benzo(a)pirene inferiori ai 2 mg GJ-1
Sono stati registrati alcuni FE molto elevati (ad per tutte le misure effettuate su apparecchi a pel-
esempio, per carpino nella stufa tradizionale, e per let).
abete nella stufa avanzata) in alcune prova con una Per le diossine le due misure effettuate sul cami-
difficile fase di accensione. Ripetendo le prove con netto chiuso, per un ciclo di combustione del fag-
lo stesso dispositivo e tipo di combustibile sono gio ed uno dell’abete, mostrano un valore molto
stati misurati FE inferiori di un ordine di grandez- più elevato per l’abete (170 ng I-TEQ GJ-1) rispetto
za. al faggio (77 ng I-TEQ GJ-1).
40 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014IdAAria
Figura 10 – Fattori di emissione di CO, NOx e COVNM per tipo di essenza legnosa
3.4 Influenza delle condizioni di campionamento del PM “a caldo”, ossia nel gas di scarico caldo
prima del tunnel di diluizione, riproducendo quindi
Al fine di verificare l’effetto delle condizioni di le condizioni di carico e di campionamento previ-
campionamento, le misure del PM durante i cicli ste da alcune norme nazionali.
EN sono state effettuate con un campionamento I corrispondenti FE sono risultati generalmente in-
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 41IdAAria feriori a quelli misurati con tunnel di diluizione e di campionamento possono influenzare sostanzial-
con cicli di carico “reali” A e B (Figura 13). I FE mente i FE di PM.
misurati con tunnel di diluizione e con cicli rea-
li sono risultati infatti superiori di 1,5 volte per il
camino aperto, di 4 volte per il camino chiuso e la 4. CONFRONTO FRA I RISULTATI DELLA
stufa tradizionale, di 11 volte per la stufa avanzata. SPERIMENTAZIONE E I DATI DI LETTE-
È un fatto noto che il tunnel di diluizione comporta RATURA
la conversione a PM delle specie condensabili, che
sono presenti in forma gassosa nei gas caldi, au- Il risultati della sperimentazione per i diversi in-
mentando la concentrazione complessiva misurata quinanti considerati sono stati confrontati con i
del PM (Nussbaumer et al, 2008). Le differenze valori medi e gli intervalli di confidenza proposti
osservate possono essere associate quindi all’effet- dall’Atmospheric Emission Inventory Guidebook
to combinato sia dei maggiori livelli di COVNM - AEIG (EEA, 20013), utilizzato come riferimen-
durante i cicli di vita reali che alla maggiore con- to per gli inventari locali e nazionali in Europa
versione da gas a particolato quando il gas di sca- (Figura 14). Si può notare come per gli inquinanti
rico è diluito e raffreddato. La minore differenza gassosi i FE rilevati nella campagna di misura si-
riscontrata tra i due fattori di emissioni nel caso del ano mediamente inferiori ai valori medi suggeriti
camino aperto è probabilmente dovuta al fatto che dall’AEIG, mentre l’intervallo dei dati misurati
i fumi prodotti da questo tipo di apparecchio sono non si discosta in modo significativo dall’inter-
già altamente diluiti e raffreddati, quindi in con- vallo proposto dall’AEIG, che risulta congruen-
dizioni molto simile a quelle che si verificano nel te con i dati riportati in generale nella letteratura
tunnel di diluizione; va notato che le temperature scientifica.
rimangono comunque differenti, circa 100° C nei Nettamente inferiori risultano i FE medi di PM sti-
fumi del caminetto aperto e circa 35 ° C nel tunnel mati per il camino chiuso, la stufa tradizionale e la
di diluizione. stufa avanzata; i valori medi dei FE di PM misurati
Per comprendere meglio l’influenza dlle sole con- per la stufa a pellet sono invece lievemente supe-
dizioni di campionamento, sono state effettuate riori a quelli della letteratura.
alcune misure simultanee nei fumi caldi e diluiti Un fattore da considerare è il grado di umidità
della stufa avanzata alimentata con legno di fag- della legna: i campioni di legna utilizzati per la
gio con un ciclo EN. Si nota in Figura 13 come in campagna sperimentale sono piuttosto secchi, con
queste prove i FE del PM diluiti sono in media 4 umidità inferiore al 10%, che corrisponde usual-
volte quelli a caldo, confermando che le condizioni mente a due anni di stagionatura. Secondo diversi
Figura 11 – Stufe a pellets: fattori di emissione di CO, NOx e COVNM per pellet di alta qualità (AQ) e di bassa
qualità (BQ)
42 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014IdAAria
Figura 12 – Fattori di emissione di benzo(a)pirene misurate per diversi tipi di apparecchi
studi (Shen et al., 2013; Hays et al., 2003; Gras et in Italia. Si tratta di stime caratterizzate da notevoli
al., 2002) un basso contenuto di umidità della le- incertezze, la principale delle quali è proprio legata
gna può contribuire a determinare valori più bassi alla scelta dei fattori di emissione; scelta non age-
dei FE di PM, seppur l’effettiva rilevanza di questo vole perché, come visto in precedenza, molti sono
fattore dovrebbe essere confermata con prove spe- i fattori che influiscono sulla variabilità e l’incer-
cifiche. tezza dei dati.
Contrariamente a quanto riportato in letteratura le Riguardo ai tipi di combustibile, la sperimentazio-
emissioni più elevate si sono avute nei tre cicli di ne ha considerato i tipi di legna più diffusi, pur se
alimentazione con la quercia (essenza ‘hardwood’) non sono disponibili dati statistici affidabili sull’u-
e le più basse con l’abete (essenza ‘softwood’). so dei diversi tipi di legna a livello nazionale; l’in-
Per gli inquinanti CO, NOx, COVNM in molti casi fluenza del tipo di legna sui FE medi è ridotta e
le mediane dei dati disponibili sono simili ai valo- non significativa dal punto di vista statistico per il
ri medi proposti dall’AEIG. Mentre per IPA i va- PM, mentre maggiori emissioni di CO e NOx sono
lori medi misurati sono inferiori a quelli proposti state rilevate rispettivamente per quercia e robinia.
dall’AEIG (Tab. SM7), per le diossine i due soli va- Non va infine dimenticato che in condizioni reali è
lori misurati rientrano negli intervalli di letteratura. frequente l’introduzione, nei piccoli apparecchi a
biomassa, di giornali e legname contaminato con
sostanze di diversa natura, il cui effetto sulle emis-
5. CONCLUSIONI sioni è per ora di difficile quantificazione.
Un elemento di criticità delle misure condotte
La campagna sperimentale condotta ha reso di- è legato all’umidità della legna utilizzata, tra il
sponibile una grande quantità di dati di fattori di 9 ed il 10%, indice quindi di una legna molto
emissione, relativi ai più diffusi tipi di apparecchi secca che si può ottenere con due anni di buona
di combustione e di biomassa legnosa oggi utiliz- stagionatura: si tratta di caratteristiche che diffi-
zati in Italia, in diverse condizioni di carico del cilmente possono considerarsi rappresentative di
combustibile e con diverse modalità di misura del un dato medio italiano.
particolato. Un aspetto innovativo è il protocollo di carico del
Il database e i valori medi dei FE costituiscono un combustibile utilizzato nel corso della campagna
utile supporto per la realizzazione delle stime delle per gli apparecchi ad alimentazione manuale, defi-
emissioni in atmosfera dalla combustione domesti- nito a seguito di una campagna di misura in campo
ca della biomassa negli inventari locali e nazionali della temperatura di combustione, che ha inteso
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 43IdAAria
Figura 13 – Confronto fra i fattori di emissione di PM (g GJ-1) in diversi cicli e condizioni di misura. In alto: con
tunnel di diluizione, cicli A e B e cicli EN. In basso: cicli EN, con tunnel di diluizione e “a caldo”
riprodurre nel modo il più possibile accurato l’uti- COVNM, PM e B(a)P degli apparecchi a pellet
lizzo reale degli apparecchi nelle abitazioni. Que- sono molto basse rispetto a quelle degli apparec-
sto ha portato ad esempio a considerare frequenze chi a carica manuale, nel caso dei composti tossi-
medie di ricarica del combustibile molto più basse ci anche di un ordine di grandezza. Le elevate ri-
rispetto a quanto suggerito nel manuale d’uso degli duzioni delle emissioni possibili con il passaggio
apparecchi, ed utilizzato nei protocolli standard di da apparecchi manuali ad automatici possono in
misura (UNI EN 13229, UNI EN 13240). Pur se il parte essere attenuate nel caso di utilizzo di pellet
ruolo del ciclo di carico merita di essere ulterior- di scarsa qualità (con elevato contenuto di ceneri
mente studiato, il presente studio conferma la sua e di sostanze inorganiche), a cui sono associate
influenza sui fattori di emissione. emissioni di PM e composti tossici nettamente
La ricerca ha inoltre confermato l’importanza del superiori rispetto a quelle del pellet di alta qualità.
campionamento a freddo, tramite tunnel di dilui- Seppur la stufa avanzata è caratterizzata da fatto-
zione delle emissioni di polveri. Pur tenendo conto ri di emissioni medi lievemente inferiori per CO
degli inevitabili margini di incertezza connessi ai e PM, le maggiori emissioni di NOx e COVNM
metodi di misura delle emissioni delle polveri da (precursori del particolato secondario), nonchè la
piccoli impianti domestici, a causa della difficoltà grande sensibilità delle stesse emissioni alle condi-
del campionamento, della variabilità della portata e zioni reali di conduzione dell’apparecchio non per-
della diluizione dei fumi, le misure indicano come mettono di delineare un’effettiva differenza reale
il campionamento a caldo conduce a importanti dagli altri apparecchi in termini di carico comples-
sottostime dei FE rispetto alla condizioni reali; nei sivo inquinante sull’ambiente.
fumi emessi dai piccoli apparecchi domestici, di-
luiti a basse temperature nell’atmosfera, si verifica 6. RIFERIMENTI BIBLIOGRAFICI
la conversione a PM di parte dei composti organici
volatili. Bølling A K, Pagels J, Yttri K E et al. (2009) Health effects
Nonostante la grande variabilità dei FE in relazio- of residential wood smoke particles: the importance of
ne alle caratteristiche degli apparecchi, dall’ana- combustion conditions and physicochemical particle
lisi dei risultati emerge come le emissioni di CO, properties. Particle and Fibre Toxicology 6, 29-48.
44 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014IdAAria
Figura 14 – Dati sperimentali del presente studio (cerchi bianchi) e confronto con i valori medi (cerchi neri) e gli
intervalli di confidenza al 95% suggeriti dall’Atmospheric Emission Inventory Guidebook dell’EEA
Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014 45IdAAria Caseiro A, Bauer H, Schmidl C et al. (2009) “Wood bur- Meyer NK (2012) Particulate, black carbon and organic
ning impact on PM10 in three austrian regions”. Atmo- carbon emissions from small-scale residential wood
spheric Environment 43, 2186-2195 combustion appliances in Switzerland. Biomass & Bio-
Caserini S, Fraccaroli A, Monguzzi AM et al. (2007) New energy 36, 31-42
insight into the role of wood combustion as key PM Nussbaumer T, Klippel N, Johansson L (2008) Survey on
source in Italy and in Lombardy region. 16th Annual measurements and emission factors on particulate mat-
International Emissions Inventory Conference “Emis- ter from biomass combustion in IEA countries. 16th Eu-
sion Inventories: Integration, Analysis, and Communi- ropean Biomass Conference and Exhibition, 2-6 June
cations” Raleigh, North Carolina, May 14 – 17 2008, Valencia, Spain.
Caserini S, Galante S, Ozgen S et al. (2013) A methodo- Nussbaumer T (2010) Overview on technologies for
logy for elemental and organic carbon emissions inven- Biomass combustion and Emission Levels of Parti-
tory and results for Lombardy region, Italy. Science of culate Matter – prepared for Swiss Federal Office of
the Total Environment, 450–451, pp. 22–30. Environment as a contribution to the Expert Group
DIIAR (2012) Stima delle emissioni dalla combustione on Techno-Economic Issues (EGTEI) under the Con-
domestica della legna e intervalli di incertezza. Politec- vention on Long-Range Transboundary Air Pollution.
nico di Milano, Dipartimento di Ingegneria Idraulica, http://citepaax.alias.domicile.fr/forums/egtei/Nussbau-
Ambientale, Infrastrutture Viarie, Rilevamento. Report mer_EGTEI-Report_final.pdf (accesso 11 luglio 2014)
n. 732.2102.11.51. Ozgen S, Caserini S, Galante S et al., (2014) Emission
EC DG TREN (2009) Preparatory studies for Eco-Design factors from small scale appliances burning wood and
Requirements of EuPs (II) – Lot15 Solid Fuel Small pellets. Atmospheric environment, 94, 144-153.
Combustion Appliances – Task 3: Consumer behavior Pastorello C, Caserini S, Galante S et al. (2011) Importan-
and local infrastructure. ce of activity data for improving the residential wood
EEA (2013) EMEP/EEA air pollutant emission inventory combustion emission inventory at regional level. Atmo-
guidebook 2013 – 1.A.4. Small combustion. Europe- spheric Environment 45, 2869-2876
an Environmental Agency, www.eea.europa.eu/publi- Ravindra K, Sokhi R,Van Grieken R (2008) Atmospheric
cations/emep-eea-guidebook-2013 (accesso 11 luglio polycyclic aromatic hydrocarbons: Source attribution,
2014) emission factors and regulation. Atmospheric Envi-
Ferrazzi R (2013) Analisi di fattori di emissione sperimen- ronment 42, 2895-2921
tali nei cicli di combustione domestica della biomassa. Shen G, Xue M, Wei S (2013) Influence of fuel moisture,
Tesi di laurea. Politecnico di Milano, Scuola di Ingegne- charge size, feeding rate and air ventilation conditions
ria Civile, Ambientale e Territoriale. A.A. 2012/2013 on the emissions of PM, OC, EC, parent PAHs, and their
Fuller GW, Sciare J, Lutz M et al. (2013) New Directions: derivatives from residential wood combustion. Journal
Time to tackle urban wood burning? Atmospheric Envi- of Environmental Science 25, 1808-1816.
ronment 68, 295-296 Standard Norge (1994) Norwegan Standard “Enclosed
Gianelle V, Colombi C, Caserini S et al. (2013). Benzo(a) wood heaters. Smoke emission. Part 2: Determination
pyrene air concentrations and emission inventory in of particulate emission”.
Lombardy region. Atmospheric Pollution Research, 4, van Loo S, Koppejan J (2008) The handbook of biomass
257-266. combustion and co-firing. Earthscan, London.
Gras J, Meyer C, Weeks I et al. (2002) Emissions from
domestic solid fuel burning appliances (wood-heaters,
open fireplaces). Technical Report No. 5 Environment RINGRAZIAMENTI
Australia, March 2002 ISBN 0 6425 4867 6
Hays MD, Smith ND, Kinsey J et al (2003) Polycyclic La ricerca è stata finanziata nell’ambito del pro-
aromatic hydrocarbon size distributions in aerosols getto “Sviluppo, verifica e nuove applicazioni del
from appliances of residential wood combustion as sistema modellistico MINNI a supporto delle po-
determined by direct thermal desorption - GC/MS. litiche di qualità dell’aria nazionali e dei piani e
Journal of Aerosol Science 34, 1061-1084 programmi di risanamento della qualità dell’aria
Kupiainen K, Klimont Z (2007) Primary emissions of fine regionali”, finanziato dal Ministro dell’Ambiente,
carbonaceous particles in Europe. Atmospheric Envi- con la collaborazione dell’ENEA. Gli autori rin-
ronment, 41, 2156–2170. graziano per il supporto Massimo Berico e Anto-
Lanz VA, Alfarra MR, Baltensperger U. et al (2008) Source
nella Malaguti (ENEA), Guido Lanzani, Elisabetta
attribution of submicron organic aerosols during winterti-
Angelino e Alessandro Marongiu (ARPA Lombar-
me inversions by advanced factor analysis of aerosol mass
dia)
spectra. Environ. Science and Technology 42, 214-220
Lavric ED, Konnov A, De Ruyck J (2004) Dioxin levels in
wood combustion - a review. Biomass and Bioenergy Materiale supplementare è disponibile gratuitamente
26, 115- 45 all’indirizzo www.ingegneriadellambiente.org
46 Ingegneria dell’Ambiente Vol. 1, n.1/2014Puoi anche leggere
