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Emissioni da uso energetico di biomassa solida

A parità di massa le UFP presentano una reattività biologica paragonabile a quella del PM10
• Importanza della composizione:
– ruolo del levoglucosano (legna) e di endotossina (ambiente estate) nella produzione di IL-8
– genotossicità correlata alla presenza di alcuni elementi, quali Al, Fe ed idrocarburi policiclici aromatici
• Il pellet ‘brucia’ meglio della legna: con UFP ottenute da pellet di faggio biologicamente meno reattive di quelle di abete
• UFP da legna di abete biologicamente meno reattive di quelle di faggio
• Le UFP raccolte in inverno o in estate presentano un comportamento biologico diverso: quelle raccolte in estate sono più pro infiammatorie, mentre quelle invernali sono più genotossiche. Questo è ricollegabile ad una differente sensibilità verso componenti chimici diversi delle UFP, es. IPA, LPS.

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Atti di convegni o presentazioni contenenti case history
mcTER Forest giugno 2017 Impianti a biogas e biomasse: impatto ambientale, analisi e trattamento emissioni

Pubblicato
da Alessia De Giosa
mcTER Forest 2017Segui aziendaSegui




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Estratto del testo
Gli atti dei convegni e pi di 7.500 contenuti su www.verticale.net Pompe di Calore Termotecnica Industriale Pompe di Calore mcTER, Crowne Plaza Hotel ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 mcTER Forest - Impianti a biogas e biomasse: impatto ambientale, analisi e trattamento dati Emissioni da uso energetico di biomassa solida Le ricerche di LEAP, Politecnico di Milano e Universit degli studi di Milano nella caratterizzazione delle polveri: composizione chimica ed effetti biologici delle polveri ultrafini Stefano Signorini, LEAP Emanuela Corsini, UniMi Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 2 Indice ' Il LEAP e le sue attivit
' Esperienze LEAP ' Politecnico di Milano (DICA) nel campo della combustione di biomasse ' Il Progetto TOBICUP: o Descrizione della ricerca o Campagne sperimentali in laboratorio su stufe a biomassa ' Fattori di emissione, composizione chimica ed effetti biologici nelle polveri o Campagne sperimentali in aria ambiente ' Composizione chimica ed effetti biologici delle polveri o Pubblicazioni scientifiche o Conclusioni Stefano Signorini, LEAP Emanuela Corsini, UniMi Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 3 LEAP: la Societ consortile LEAP, Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza, oggi una societ consortile a responsabilit limitata, fondata come consorzio nel 2005 su iniziativa della sede di Piacenza del Politecnico di Milano. La societ consortile partecipata dai seguenti enti: 'Politecnico di Milano
'Universit Cattolica del Sacro Cuore
'Comune di Piacenza
'Fondazione di Piacenza e Vigevano
'Camera di Commercio di Piacenza
'A2A SpA
'Iren Ambiente SpA
'Antas Srl
'Unical AG SpA Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 4 LEAP: Gruppo di lavoro Staff LEAP costituito da 20 collaboratori di cui:
' Direttore
' 4 ricercatori a tempo indeterminato
' 8 ricercatori a tempo determinato
' 4 dottorandi di ricerca
' 3 impiegati amministrativi (2 a tempo indeterminato) A questo team si aggiungono
' 12 docenti del Politecnico con collaborazione stabile
' 6 ricercatori e tecnici del Politecnico con collaborazione stabile Dalla propria fondazione, inoltre, LEAP ha ospitato oltre
' 40 stagisti e tesisti
Accreditamenti, Certificazioni, Affiliazioni
' Certificazione UNI EN ISO 9001:2008
' ISO/IEC 17025 per i requisiti di competenza dei laboratori di prova ' Regione Emilia Romagna ai sensi della DGR 762/2014 ' LEAP e MUSP costituiscono il Tecnopolo di Piacenza Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 Le attivit del LEAP Ricerca in 6 settori:
1.materia ed energia da rifiuti, residui e biomasse
2.generazione di energia termica ad alta efficienza
3.termoidraulica per impianti nucleari innovativi
4.tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO2
5.energie rinnovabili ed efficienza energetica
6.emissioni gassose, polveri fini e qualit dell'aria Consulenza e servizi:
1.analisi modellistiche e simulazioni di impianti energetici
2.prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione, misurazione di particolato fine e nano-particelle in atmosfera e in flussi convogliati, misurazione di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi Laboratori sperimentali:
1. heat_box: valutazione prestazioni di caldaie con potenza fino a 100 kW
2. CO2_box: determinazione delle propriet termodinamiche di miscele a base di CO2 4 Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 6 Prove, studio e sviluppo di soluzioni innovative nel settore dei generatori di energia termica per utenze civili.
Attivit sperimentale nel laboratorio di prova heat_box per la valutazione delle prestazioni e delle emissioni di caldaie alimentate a combustibile solido fino a 100 kW di potenza termica in conformit alla norma ISO/IEC 17025:2005 (accreditamento n.1255). Generazione di energia termica ad alta efficienza Prove accreditate e metodi di riferimento:
' potenza termica (EN 303-5, EN 14785)
' rendimento utile (EN 303-5, EN 14785)
' ossigeno (EN 303-5, EN 14789)
' anidride carbonica (EN 303-5, ISO 12039)
' monossido di carbonio (EN 303-5, EN 15058)
' ossidi di azoto (EN 303-5, EN 14792)
' composti organici volat. (EN 303-5, EN 12619)
' particolato solido tot. (EN 303-5, EN 13284-1) Altre prove eseguite:
' metano e idrocarburi non metanici
' particolato ultrafine e nanoparticolato (concentrazioni in numero ed in massa) ' ossidi di zolfo
' microinquinanti (diossine, furani, ') Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 7 La linea di ricerca, sviluppata in stretta collaborazione con il DICA del Politecnico di Milano, dedicata all'inquinamento atmosferico:
' realizzazione di campagne di rilevamento della qualit dell'aria e di campionamento nei flussi convogliati delle emissioni da impianti fissi;
' trattamento, analisi ed interpretazione dei dati di qualit dell'aria;
' valutazione delle linee di depurazione dei gas. Emissioni gassose, polveri fini e qualit dell'aria Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 8 Obiettivi dell'indagine Emissioni di UFP da impianti di combustione Campagna sperimentale Federambiente (2007-2009)
Obiettivo: Quantificazione delle emissioni di particolato ultrafine (UFP, dp<100nm) e nanoparticolato (NP, dp<50 nm) da processi di combustione stazionaria:
- utenze civili alimentate con combustibili convenzionali (gasolio e gas naturale) e biomasse (pellet) - impianti di termovalorizzazione dei rifiuti solidi urbani
Gruppi di lavoro:
- LEAP: coordinamento
- Politecnico di Milano (DICA Sez. Ambientale): selezione degli apparecchi, del combustibile, determinazione dei cicli di prova, attivit sperimentale presso i lab INNOVHUB ed elaborazione dati - Innovhub-SSI (Stazione Sperimentale per i Combustibili) per le prove sperimentali con campionamenti al camino Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 Emissioni di UFP da impianti di combustione 12 Rapporti emessi e articoli scientifici pubblicati: Sintesi finale, Ottobre 2010 Ozgen et al. (2012), Rev Environ Sci Biotechnol, 11:407-415 Ozgen et al. (2013), Biomass and Bioenergy, 50:65-74 Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 10 Campagna sperimentale finanziata dal Ministero dell'Ambiente con la collaborazione di ENEA (2010-2012)
Obiettivo
: determinazione dei fattori di emissione sperimentali di apparecchi di riscaldamento residenziale alimentati a biomassa legnosa a carica manuale ed automatica, maggiormente diffusi in Italia con cicli di combustione reali.
Gruppi di lavoro:
' ENEA: coordinamento
' Innovhub-SSI (Stazione Sperimentale per i Combustibili) per le prove sperimentali con campionamenti al camino
' Politecnico di Milano (DICA Sez. Ambientale): selezione di apparecchi, combustibile, determinazione dei cicli di prova ed elaborazione dati per calcolo FE
' ARPA Lombardia: determinazione dei cicli di prova
Articoli scientifici: Determinazione dei FE di impianti residenziali Ozgen et al. (2014), Atmospheric Environment, 94:144-153 Caserini et al. (2014), Ingegneria dell'Ambiente, Vol. 1, n.1/2014 Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 11 - 6 tecnologie di combustione - 5 essenze legnose e due qualit di pellet - circa 300 fattori di emissione (FE) sperimentali - FE sperimentali sotto condizioni rappresentative dell'utilizzo reale dell'apparecchio - FE sperimentali sotto cicli di carico proposti dalle normative EN - confronto con le linee guida europee (EMEP, 2013) Determinazione dei FE di impianti residenziali Verifica della dipendenza dei FE sperimentali da diversi parametri:
- tipologia dell'apparecchio
- tipologia di essenza per i ciocchi di legna - qualit del pellet
- ciclo di combustione
- condizioni di campionamento di PM (campionamento con diluizione e raffreddamento/a caldo) Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 12 Progetto TOBICUP: TOxicity of BIomass COmbustion generated Ultrafine Particles' (Grant 2013-1040 della Fondazione Cariplo) Progetto TOBICUP ' Motivazioni della ricerca: ' incremento nell'utilizzo di biomasse solide per il riscaldamento domestico negli ultimi anni ' evidenze da parte di studi recenti di come i prodotti della combustione da biomassa possano alterare i meccanismi di difesa immunitaria dei polmoni ' necessit di approfondire i potenziali effetti tossici sulla salute umana delle emissioni generate dalla combustione di legna e pellet, con particolare riferimento al particolato ultrafine (UFP) Campagna sperimentale (2014-2015)
Obiettivo: la caratterizzazione chimico-fisica delle UFP generate dalla combustione di biomasse e dei conseguenti potenziali effetti tossici sulla salute umana. Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 13 Particolato ultrafine (UFP, diametro<0,1 m):
' scarso contributo in termini di massa
' contributo preponderante in termini di numero
' avendo dimensioni molto piccole in grado di superare le membrane cellulari e di trasmigrare verso organi diversi dai polmoni ' poco studiato e non normato rispetto alle granulometrie pi grandi 1 m Particelle ultrafini Progetto TOBICUP: Oggetto della ricerca Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 14 Progetto TOBICUP: Attivit di ricerca ' Articolazione delle attivit della ricerca: ' caratterizzazione delle emissioni di UFP da processi di combustione di biomassa per produzione di calore da utenze ad uso domestico, attraverso campagne sperimentali su apparecchi disponibili in commercio ' caratterizzazione dei livelli di UFP in aria ambiente in localit contraddistinte da un uso preferenziale di legna come combustile ' caratterizzazione degli effetti tossici di UFP (campionate sia in laboratorio sia in aria ambiente) a livello cellulare utilizzando modelli in vitro ' caratterizzazione del meccanismo molecolare d'azione di UFP
' identificazione dei parametri chimico-fisici di UFP pi rilevanti ai fini dell'induzione di effetti indesiderati sulla salute ' identificazione delle possibili sinergie con UFP prodotte da altre sorgenti Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 15 Progetto TOBICUP: Gruppo di lavoro ' Prove di combustione, monitoraggio delle emissioni, campionamenti di UFP in laboratorio, analisi dati:
S. Ozgen, G. Lonati, R. Tardivo ' Dipartimento di Ingegneria Civile e Ambientale (Sezione Ambientale), Politecnico di Milano
S. Signorini ' Laboratorio Energia Ambiente Piacenza (LEAP)
' Analisi IC, HPAEC-PAD e TOT:
L. Corbella, P. Fermo ' Dipartimento di Chimica, Universit degli Studi di Milano
' Analisi ICP-AES, campionamenti in ambiente di UFP, analisi dati:
V. Bernardoni, M. Dell'Acqua, G. Valli, R. Vecchi ' Dipartimento di Fisica, Universit degli Studi di Milano e INFN
S. Becagli ' Dipartimento di Chimica, Universit degli Studi di Firenze
' Test tossicologici e analisi IPA:
C.L. Galli (coordinatore), D. Caruso, E. Corsini, L. Marabini, M. Marinovich ' Dipartimento di Farmacologia e Scienze Biomolecolari, Universit degli Studi di Milano Gruppo di lavoro: Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 16 Impianti di piccola taglia per il riscaldamento domestico caratterizzati:
' stufa a pellet con alimentazione automatica, testata con i seguenti combustibili: ' pellet di 'alta qualit' (abete, ENplus A1)
' pellet di 'bassa qualit' (faggio, non certificato) ' stufa a legna (dotata di regolazione di aria primaria/secondaria) con alimentazione manuale, testata con i seguenti combustibili: ' hard-wood (faggio)
' soft-wood (abete) ' emissioni valutate in cicli di combustione volti a rappresentare l'uso delle piccole utenze domestiche nel mondo reale: Progetto TOBICUP: Descrizione delle attivit ' alimentazione automatica: combustione stazionaria a carico nominale/ridotto ' alimentazione manuale: cicli che comprendono situazioni di transitorio determinate dalle fasi di accensione e di spegnimento Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 Progetto TOBICUP: Descrizione delle attivit Prove in laboratorio LEAP (heat_box) per la determinazione dei Fattori di Emissione (FE) e per la raccolta dei campioni di UFP per analisi fisico- chimiche e tossicologiche. 19 Ozgen et al. (2017), Atmospheric Environment 150:87-97 Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 18 ' MSP Corp. MOUDI 110 NR (Micro-Orifice Uniform Deposition Impactor): ' Concentrazione in massa e distribuzione dimensionale (11 canali) delle particelle nel range 56 nm 18 m;
' Principio di funzionamento: le particelle vengono classificate su diversi substrati da un impattore a cascata che le divide in funzione del diametro aerodinamico. Progetto TOBICUP: Dotazione strumentale Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 Progetto TOBICUP: Descrizione delle attivit Apparecchio ad alimentazione automatica:
' Esercizio continuo a carico nominale al di sopra del fabbisogno termico;
' Inizio campionamento a condizioni di regime raggiunte. 19 Operazione modulata:
' 55% durata prove a 75% dato nominale stufa; ' 45% durata prove a 30% dato nominale stufa. Fasi accensione e spegnimento non indagate, transitorio considerato solo in fase di modulazione. Emissioni da biomassa solida ' S. Donato M.se, 29 giugno 2017 Progetto TOBICUP: Descrizione delle attivit Apparecchio ad alimentazione manuale:
' Protocollo operativo definito per garantire riproducibilit delle modalit di alimentazione; ' Ciclo comprendente tutte le fasi di funzionamento della stufa: ' Accensione (indicazioni del costruttore);
' Riscaldamento (transitorio);
' Esercizio nominale (condizione migliore di funzionamento);
' Sovraccarico ed esaurimento. 19 1,8 kg 2 kg 2 kg 2.5 kg Registri aperti o posizione nominale Registri in posizione nominale Registri in posizione nominale Registri in posizione nominale (79 min) (48 min) (104 min) 0 Tempo (min) ciocchi, piccola pezzatura, accendifuoco (118 min) ACCENSIONE RISCALDAMENTO ESERCIZIO NOMINALE SOVRACCARICO ED ESAURIMENTO (peso finale 100-500 g) SCOPODELPROGETTO: DETERMINAZIONE ANALITICA E TOSSICOLOGICA effettuata sia su campioni da emissioni sia su campioni ambientali 1- Caratterizzazione fisico-chimica delle UFP: composizione chimica (contenuto ionico solubile in acqua [principali anioni e cationi], elementare, materiale carbonioso, idrocarburi policiclici aromatici (IPA), anidro-zuccheri (levoglucosano ed isomeri), metalli (Al, As, Ba, Cd, Cu, Fe, Mn, Mo, Ni, Pb, Sr, Ti, U, Zn)]
Importanza obiettivo 1:
- IPA ' composti potenzialmente cancerogeni
- levoglucosano e potassio ' tracciante in aria ambiente per le emissioni provenienti dalla combustione della biomassa legnosa 2- Caratterizzazione delle attivit biologiche sulle cellule dell'apparato respiratorio (test in vitro): Prove tossicologiche effettuate sulle cellule polmonari alveolari per valutare i danni sul DNA (genotossicit), stress ossidativo da specie reattive dell'ossigeno [ROS] e dell'azoto [RNS] ed effetti infiammatori.
Importanza obiettivo 2:
- Genotossicit ' predittiva di situazioni che possono potenzialmente evolvere verso un tumore
- Stress ossidativo ' causa pi frequente del danno al DNA e di risposte infiammatorie
- Infiammazione ' pu scatenare effetti locali e sistemici (es. eventi cardiovascolari) ' 2 tecnologie di combustione ' 2 essenze legnose di ciocchi e pellet (softwood e hardwood) ' FE sperimentali di particolato ultrafine sotto condizioni rappresentative dell'utilizzo reale dell'apparecchio PROVE DI COMBUSTIONE PRESSO LABORATORIO LEAP Ozgen et al. (2017), Atmospheric Environment 150:87-97 PROGETTO TOBICUP: PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE Articolo scientifico pubblicato:
Ozgen et al. (2017), Atmospheric Environment, 150:87-97 Emissioni da stufe a legna ' Componenti principali: carbonio totale (66%), levoglucosano e suoi isomeri (5%), solfato (4%)
' IPA: 1.5% ' Elementi: 0.05 % sul totale di UFP raccolte. Emissioni da stufa a pellet ' Componenti principali: potassio solubile (24%), solfato (11%), carbonio totale (9%)
' Contributo trascurabile di levoglucosano e suoi isomeri (0.01%)
' IPA: 0.01%, ' Elementi: 1% sul totale di UFP raccolte. Pellet abetePellet faggioLegna abete Legna faggio 30 g/GJ 25 g/GJ 36 g/GJ 67 g/GJ UFP - FE sperimentali con ciclo ''reale'' STUFA A PELLET STUFA A LEGNA FE massimi per la combustione del combustibile a maggior contenuto di ceneri nell'apparecchio ad alimentazione manuale Composizione chimica delle UFP RISULTATI: FATTORI DI EMISSIONE SPERIMENTALI DELLE UFP Articolo scientifico pubblicato:
Corsini et al. (2017), Toxicology Letters, 266:74-84 Articolo scientifico pubblicato:
Marabini et al. (2017), Mutat Res Gen Tox En, 820:39-46 PROGETTO TOBICUP: PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE Il valore 1 assegnato alla risposta minore osservata per ciascun parametro (a parit di energia rilasciata). Corsini et al., 2017. Toxicology Letters 266, 74'84. Marabini et al., in stampa Infiammazione Genotossicit Stress ossidativo Pellet abete 1.4 1.3 1.3 Pellet faggio 1.0 1.0 1.0 Legna abete 1.6 2.9 1.5 Legna faggio 2.5 3.1 3.2 Minor effetto (a parit di energia rilasciata) delle UFP ottenute dalla stufa a pellet; maggiore effetto osservato da UFP ottenute dalla stufa a legna con faggio. A549 as surrogate of
type II cells THP-1 as surrogate of
alveolar macrophages RISULTATI: EFFETTI BIOLOGICI Campagna invernale: Cortile del Comune di Morbegno, nel centro citt (area a basso traffico)
' Periodo: 20 Gen 2015 ' 27 Feb 2015 ' Campionamento integrato su tre/quattro giorni Campagna estiva: Magazzino a cielo aperto del Comune di Morbegno (area a basso traffico)
' Periodo: 8 Giu 2015 ' 16 Lug 2015 ' Campionamento integrato su sette giorni Sito: Morbegno (SO), Valtellina, Lombardia
' Altitudine: 262 m ' Distanza da Milano: ~100 km ' Popolazione: ~12000 abitanti Combustione di legna diffusa per il riscaldamento nelle abitazioni in inverno. CAMPAGNA DI MISURA IN AMBIENTE: IL SITO Morbegno Milano Altre sorgenti (per es. traffico) non significativamente diverse nelle due stagioni eventuali differenze in composizione e/o effetti tox imputabili principalmente a contributo del riscaldamento domestico Articolo scientifico pubblicato:
Corsini et al. (2017), Science of the Total Environment, 587-588:223-231 PROGETTO TOBICUP: PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE RISULTATI ' COMPOSIZIONE CHIMICA UFP INVERNO ESTATE ' In inverno: evidente presenza di traccianti della combustione di legna (levoglucosano e K+) -> conferma ruolo sorgente 'wood burning' ' maggior contributo di IPA (specialmente benzo(a)pirene e benzo(b)fluorantene) -> emissioni da combustione di biomasse con potenziale tox Corsini et al. (2017), Science of the Total Environment 58 PROGETTO TOBICUP: PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE INFLAMMATION PROGETTO TOBICUP: PUBBLICAZIONI SCIENTIFICHE GENOTOXICITY comet assay DNA double strand breaks as assessed by '-H2AX phosphorylation. CONCLUSIONI ' A parit di massa le UFP presentano una reattivit biologica paragonabile a quella
del PM10 ' Importanza della composizione: ' ruolo del levoglucosano (legna) e di endotossina (ambiente estate) nella produzione di IL-8 ' genotossicit correlata alla presenza di alcuni elementi, quali Al, Fe ed idrocarburi policiclici
aromatici ' Il pellet 'brucia' meglio della legna: con UFP ottenute da pellet di faggio
biologicamente meno reattive di quelle di abete ' UFP da legna di abete biologicamente meno reattive di quelle di faggio ' Le UFP raccolte in inverno o in estate presentano un comportamento biologico
diverso: quelle raccolte in estate sono pi pro-infiammatorie, mentre quelle invernali
sono pi genotossiche. Questo ricollegabile ad una differente sensibilit verso
componenti chimici diversi delle UFP, es. IPA, LPS. PROGETTO TOBICUP: RINGRAZIAMENTI Un ringraziamento particolare al Dott. Davide Castagna (CONFINDUSTRIA CECED ITALIA) per il sostegno all'attivit di
ricerca'
'ed alla Fondazione Cariplo per il finanziamento del progetto TOBICUP
(grant 2013-1040).
Maggiori informazioni: stefano.signorini@polimi.it emanuela.corsini@unimi.it Laboratorio Energia Ambiente Piacenza Societ Consortile a Responsabilit Limitata Via Nino Bixio, 27/C ' 29121 Piacenza Universit degli Studi di Milano Dipartimento di Scienze Farmacologiche e Biomolecolari Via Del Perdono, 7 ' 20122 Milano GRAZIE PER L'ATTENZIONE!


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