Nel corso di migliaia di anni di storia, l'umanità ha imparato a estrarre petrolio e gas, ha inventato l'elettricità, utilizza l'energia eolica e solare, ma brucia ancora la legna nelle fornaci. La legna da ardere, la segatura, il legno vecchio, i rifiuti delle imprese di lavorazione del legno: tutto questo può essere utilizzato se si realizza un generatore di gas a legna con le proprie mani.
Molti artigiani utilizzano con successo questo dispositivo per la casa e persino per l'auto. Bruciare velocemente la legna all'aria aperta produce soprattutto calore utile. Ma il legno si comporta in modo completamente diverso sotto la cosiddetta combustione per pirolisi, cioè quando brucia in presenza di pochissimo ossigeno. In una situazione del genere, non si osserva tanto la combustione, ma piuttosto la combustione senza fiamma del legno. E il prodotto utile di questo processo non è il calore, ma il gas infiammabile.
Un tempo i generatori di gas venivano utilizzati attivamente come fornitori di carburante per le automobili. E ora puoi trovare occasionalmente auto che funzionano con il gas che producono.
Cos'è il Gas di Legna e Come Funziona la Gassificazione
Il gas di sintesi (syngas) è una miscela di gas infiammabile composta principalmente da idrogeno (H₂) e monossido di carbonio (CO). Il gas di legna è un gas di sintesi speciale che si ottiene dalla gassificazione del legno o di altre biomasse legnose. Si tratta di una miscela di gas infiammabile che ha svolto un ruolo in tempi storici di emergenza (ad esempio, nei veicoli alimentati a gas di legna durante la Seconda Guerra Mondiale) e che ora sta assumendo un significato rilevante nel corso della transizione energetica/energie rinnovabili e del livello di sviluppo tecnico che è stato raggiunto.
La gassificazione del legno avviene in assenza controllata di ossigeno (pirolisi, ossidazione e riduzione). Il gas di legno viene prodotto dalla gassificazione del legno, un processo termochimico in cui il legno viene convertito in una miscela di gas combustibile ad alte temperature con un apporto limitato di ossigeno. Questa miscela di gas è composta principalmente da monossido di carbonio (CO), idrogeno (H₂) e metano (CH₄), oltre ad anidride carbonica (CO₂) e azoto (N₂). A seconda del processo di produzione, il gas di legna contiene piccole o medie quantità di sostanze catramose allo stato gassoso.
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Fasi del Processo di Gassificazione
Il processo di gassificazione si svolge in diverse fasi:
- Riempimento del gassificatore: la legna sotto forma di trucioli o pellet viene riempita nel gassificatore dall’alto.
- Essiccazione (100-150 °C): Il legno viene prima essiccato utilizzando il calore residuo della parte inferiore del reattore. In questo modo si vaporizza l’acqua contenuta. Ciò è necessario affinché il processo di gassificazione vero e proprio possa funzionare in modo efficiente.
- Pirolisi (200-500 °C): Il legno essiccato si decompone sotto il calore in componenti solidi (carbone), gas e sostanze organiche volatili (catrami e oli). Il calore risultante stimola le reazioni di pirolisi e riduzione. Il processo di carbonizzazione è semplicemente la separazione dei composti volatili (il fumo) dal carbonio fisso (carbone) contenuto nella biomassa attraverso l’applicazione di calore. Circa la metà delle molecole combustibili del syngas proviene dal cracking del catrame.
- Combustione: Durante la fase di combustione, l’aria viene introdotta nel gassificatore e mescolata con il fumo in modo che bruci estremamente caldo, producendo temperature superiori a 800˚C. Durante la combustione vengono prodotti vapore acqueo e anidride carbonica. Le alte temperature provocano anche il cracking del catrame. Il processo di cracking del catrame si verifica quando le pesanti molecole organiche di questi gas di catrame si rompono in gas combustibili più leggeri e non condensabili a causa dell’esposizione a temperature estremamente elevate.
- Riduzione: Quando il carbone di legna viene riscaldato a temperature molto elevate, il carbonio contenuto nel carbone di legna diventa molto reattivo e mostra una forte affinità con l’ossigeno, consentendogli di ridurre le sostanze ossidate come l’anidride carbonica e il vapore acqueo. Quando i prodotti della combustione passano attraverso il carbone caldo, queste reazioni di riduzione convertono l’anidride carbonica e il vapore acqueo in monossido di carbonio e idrogeno, consumando il carbonio del carbone. Questo processo produce circa la metà delle molecole combustibili del syngas. Nel processo di riduzione, i frammenti di carbone vengono perforati su scala molecolare e gli atomi di carbonio vengono rimossi singolarmente dalla superficie del carbone.
L’esatta composizione del gas di legna dipende molto dal processo, dalla temperatura di esercizio e dall’alimentazione dell’aria. Se si utilizza ossigeno puro al posto dell’aria per la gassificazione, il contenuto di azoto è inferiore e il potere calorifico è superiore.
Composizione e Purificazione del Gas di Legna
Quando la legna brucia lentamente, il risultato è una miscela contenente i seguenti prodotti: metano (CH4); idrogeno (H2); monossido di carbonio (noto anche come CO o monossido di carbonio); vari carboidrati limitanti; anidride carbonica (CO2); ossigeno (O2); azoto (N); vapore acqueo. Solo alcuni di questi ingredienti sono gas infiammabili; il resto sono contaminanti o zavorre non infiammabili che è meglio smaltire. Pertanto, è necessario non solo bruciare il legno in un impianto speciale, ma anche purificare il risultato e anche raffreddare la miscela di gas risultante.
In condizioni di produzione industriale, questo processo comprende le seguenti fasi:
- Combustione di combustibili solidi in presenza di una piccola quantità di ossigeno (circa il 35% del normale).
- Pulizia grossolana primaria, cioè separazione delle particelle volatili in un filtro a ciclone vortice.
- Pulizia grossolana secondaria, in cui il gas viene purificato utilizzando un filtro dell'acqua, viene utilizzato un cosiddetto depuratore-scrubber.
Il gas di legna grezzo contiene sostanze catramose e polvere, che deve essere accuratamente filtrata. Quindi, perché motori o turbine non vengano danneggiati, è necessaria una pulizia del gas. Per fornire carburante gassoso a un motore a benzina, è necessario raffreddarlo, pulirlo e miscelarlo con aria in proporzioni adeguate. Per fare ciò, l'unità deve essere dotata di una ventola di accensione, un ciclone, un filtro, un miscelatore e un dispositivo di raffreddamento.
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Vantaggi e Svantaggi dei Gassificatori a Legna
I generatori di gas, sia industriali che fai-da-te, presentano diversi vantaggi e svantaggi che ne influenzano l'applicabilità e la convenienza.
Vantaggi
- Combustibile Flessibile e Rinnovabile: Il legno è una materia prima rinnovabile. Puoi alimentare legna da ardere, trucioli di legno e segatura pressata e tutti gli scarti dell'industria del legno e materiali contenenti cellulosa. Il carbone secco e leggero è ideale come combustibile. Quasi tutti i materiali contenenti cellulosa sono adatti alla combustione in un generatore di gas, ma è importante non dimenticare il livello accettabile di umidità di tale combustibile al fine di aumentare l'efficienza del dispositivo.
- Sostenibilità Ambientale: Se gestito in modo sostenibile, il gas di legno è quasi neutro dal punto di vista della CO₂, in quanto la CO₂ viene legata durante la crescita del legno. L’utilizzo di legno di scarto delle segherie e le frazioni di scarto della silvicoltura in modo responsabile, mantiene il ciclo della CO₂ chiuso: la CO₂ prodotta durante la combustione era precedentemente legata all’albero. Anche le foreste che sono state danneggiate, ad esempio dai coleotteri della corteccia, possono essere utilizzate bene.
- Diverse Applicazioni: Il prodotto ottenuto dalla combustione, il gas infiammabile, può essere utilizzato per risolvere diversi problemi: riscaldare una casa, far funzionare il motore a combustione interna di un’auto, persino generare elettricità.
- Alta Efficienza Energetica: Il gas di legna aziona un motore a gas o una turbina a gas per generare elettricità verde. Un ulteriore utilizzo del calore è possibile negli impianti di cogenerazione (CHP), raggiungendo un tasso di utilizzo complessivo superiore all'80%.
- Indipendenza Regionale: Ideale per le regioni con molte foreste o legno residuo, consente l’indipendenza regionale dai combustibili fossili. Gli impianti a gas di legna possono essere gestiti in modo decentralizzato, il che riduce le emissioni di trasporto e rafforza l’economia e la resilienza regionale.
- Uso di Rifiuti: La tecnologia di gassificazione può utilizzare il legno non segabile, come i residui forestali o i trucioli di legno, per la generazione di energia, ossia può riciclare i rifiuti biogenici invece di smaltirli.
- Facilità d'Uso (Modelli Industriali): Se l'unità è realizzata correttamente, rispettando tutti i requisiti di sicurezza, è molto raro che vi venga caricato del carburante. Ad esempio, puoi caricare la legna da ardere nella camera solo una volta al giorno e, se come combustibile, viene utilizzato il carbone, una volta alla settimana sarà sufficiente.
Svantaggi e Sfide
- Costo Elevato e Complessità di Costruzione: Un modello industriale di generatore di gas, affidabile, sicuro e conveniente, è piuttosto costoso. Ma creare un generatore di gas fatto in casa, anche con materiali di scarto, può costare un bel soldo. Non è sempre possibile utilizzare i materiali disponibili per questo. Tutte le parti dell'unità devono essere molto resistenti e in grado di resistere alle alte temperature.
- Necessità di Competenze e Attrezzature: Avrai sicuramente bisogno di una saldatrice e delle competenze per lavorarci. Il metallo dovrà essere tagliato e saldato. Per realizzarlo bastano una saldatrice ed un flex e buona volontà.
- Richiesta di Elettricità: Un'altra voce di costo per un generatore di gas è l'elettricità, necessaria per forzare l'aria nella camera di combustione. Se per qualche motivo viene interrotta l'alimentazione, il generatore di gas non sarà in grado di funzionare. Questa situazione è inaccettabile, poiché una diminuzione della temperatura di combustione può portare alla contaminazione del dispositivo con catrame. Di conseguenza, dovrai interrompere il processo, pulire il generatore di gas e quindi riavviarlo.
- Sicurezza: Il gas di legna contiene monossido di carbonio (CO), altamente tossico e inodore. Sono necessarie rigorose precauzioni di sicurezza, soprattutto negli spazi chiusi. I modelli industriali di generatori di gas di legna domestici sono estremamente convenienti e sicuri, ma il costo di tale dispositivo è generalmente molto elevato. Ma questo vale piuttosto per gli apparecchi prodotti industrialmente. Certo, i generatori di gas fatti in casa dovrebbero essere attentamente monitorati. La temperatura del gas caldo può essere molto elevata e anche il rischio di incendio aumenta notevolmente.
- Qualità del Combustibile: La composizione del gas di legna varia a seconda del tipo di legno, dell’umidità e delle condizioni operative. Il combustibile per il gassificatore di legna deve essere di dimensioni e configurazione tali da consentirgli di muoversi liberamente lungo la tramoggia fino alla camera di combustione.
- Basso Potere Calorifico: Il potere calorifico utilizzabile del gas di legna è di circa 4-6 MJ/m3 (a seconda della composizione del gas) ed è quindi significativamente inferiore a quello del gas naturale (~ 35 MJ/m3) o del propano (~ 93 MJ/m3). Il gas di legna contiene molto azoto e CO₂ che abbassano il potere calorifico.
Contenuto energetico comparato dei combustibili gassosi
| Combustibile | Potere Calorifico (MJ/m³) |
|---|---|
| Gas di legna | 4-6 |
| Gas naturale | ~35 |
| Propano | ~93 |
Costruire un Gassificatore Fai-da-te
I dispositivi fatti in casa per uso domestico sembrano più semplici e occupano meno spazio, ma il principio del loro funzionamento, così come il design, sono molto simili. Prima di iniziare la produzione di un dispositivo del genere, è necessario riflettere attentamente su tutto e anche elaborare o trovare un progetto per l'unità. Ci sono molti consigli su Internet su come realizzare un generatore di gas di legna fatto in casa. Alcuni di essi sono dotati di disegni abbastanza realistici per l'implementazione.
I maestri che sono già riusciti a eseguire questo affascinante processo in una certa misura notano che può richiedere molto tempo e impegno. Potrebbe essere necessario apportare più di una modifica ed effettuare più esperimenti per ottenere un'unità con caratteristiche accettabili. È più semplice copiare un'unità fatta in casa già pronta chiedendola a conoscenti, amici o anche semplicemente utilizzando le informazioni su Internet. Nel calcolare quanto costerà creare un generatore di gas di segatura fatto in casa, dovresti prendere in considerazione anche i materiali di consumo. Avrai bisogno di ghisa per creare la griglia; è molto probabile che dovrai trovare o acquistare una molla speciale per realizzare il coperchio. Sono necessarie guarnizioni resistenti al calore anche per i portelli, per il collegamento dei singoli elementi del dispositivo.
Componenti Principali di un Gassificatore Fai-da-te
Innanzitutto vengono prodotti i componenti principali del generatore di gas, quindi vengono assemblati in un unico dispositivo. Per realizzare un dispositivo del genere, è necessario preparare i seguenti elementi:
- Telaio.
- Deposito di carburante.
- Camera di combustione.
- Il collo della camera di combustione.
- Unità di distribuzione dell'aria.
- Unità filtro.
- Tubo della camera di combustione.
- Grate, porte e altri elementi simili.
L'alloggiamento, talvolta chiamato camera di riempimento, può essere di forma cilindrica o cubica. Pertanto, l'artigiano ha due opzioni per la sua realizzazione: utilizzare un contenitore metallico adatto, modificandolo leggermente, oppure realizzare la custodia “da zero” da un angolo e da una lamiera. Per realizzare un generatore di gas fatto in casa, puoi utilizzare i materiali disponibili, ad esempio un barile di metallo, vecchie bombole di gas, il corpo di un estintore. Un bunker per combustibile solido è realizzato allo stesso modo, cioè anche da una lamiera e da un angolo. Successivamente, la tramoggia viene fissata all'interno dell'alloggiamento, quindi le sue dimensioni devono essere adeguate. Tuttavia, a volte è più semplice trasformare parte dell'alloggiamento del generatore di gas in un bunker. Per fare ciò, parte dello spazio viene separata utilizzando piastre metalliche.
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Il materiale adatto per l'interno di un generatore di gas a legna è l'acciaio a basso tenore di carbonio. L'alloggiamento deve essere coperto con un coperchio aderente. La tenuta è una condizione importante per il corretto funzionamento del generatore, poiché è in questo modo che viene fornita una quantità limitata di ossigeno. Un generatore di gas fatto in casa è un dispositivo abbastanza pesante; è necessario prestare attenzione per garantirne la stabilità. Per fare questo, le gambe forti sono saldate alla parte inferiore del corpo. Il coperchio attraverso il quale viene caricato il carburante merita un'attenzione particolare. A volte può essere pesante e non è facile sollevarlo da soli. Per risolvere il problema, è possibile utilizzare una speciale molla dell'ammortizzatore.
La camera di combustione richiederà un acciaio speciale resistente al calore, poiché è qui che il carburante brucia a temperature molto elevate. Tuttavia, per questi scopi è possibile utilizzare con successo una bombola di gas domestica vuota. Andranno bene sia un contenitore nuovo che uno usato. Se è stata precedentemente utilizzata una bombola di gas per la fabbricazione di un generatore di gas domestico, è meglio riempirla con acqua prima di iniziare i lavori di saldatura. Ciò impedirà la possibile combustione del gas residuo.
Il collo metallico della camera di combustione, in cui avviene un altro importante processo, il cracking delle resine, deve essere separato dagli altri elementi con apposite guarnizioni resistenti al calore. L'amianto è considerato un materiale completamente adatto a questo, ma è meglio utilizzare materiali più moderni e sicuri. L'unità di distribuzione dell'aria è collegata alla struttura tramite un raccordo, accanto al quale è installata una valvola di ritegno. Il compito di questo elemento è regolare il flusso d'aria al carburante e impedire la fuoriuscita del gas combustibile risultante.
Dovrai decidere per quale scopo verrà realizzato il generatore di gas: per la casa o per l'auto. In quest'ultimo caso, viene data priorità al peso ridotto e alle dimensioni compatte. Il materiale migliore per un generatore di gas per auto è l'acciaio inossidabile, costoso, ma resistente e leggero. Ma per la casa realizzano un grande dispositivo con materiali di scarto, più facili da trovare ed economici.
Esempio di Costruzione di un Gassificatore per Motocicletta
Diamo un'occhiata ad un esempio di produzione di un generatore di gas per fornire carburante a una motocicletta:
Ecco i passaggi e i materiali necessari:
Per realizzare un generatore di gas è necessario munirsi di un barile di acciaio da 100 litri, un pezzo di tubo, una vecchia lattina, un estintore, un vecchio bollitore di acciaio inossidabile, un ricevitore, un esagono, un tubo con una spatola, un disco da una falciatrice rotativa, una batteria a bassa temperatura. È necessario un tubo con pareti spesse, di circa 160 mm di diametro.
Effettuiamo dei fori per l'installazione di tubiere, attraverso gli ugelli di cui scorrerà l'aria. Facciamo un foro nel disco in base alla dimensione del tubo, quindi colleghiamo il bordo superiore del tubo al disco mediante saldatura.
Installiamo una lattina sopra il disco e colleghiamo gli elementi coinvolti mediante saldatura. Saldiamo i tubi per il collegamento dei tubi di alimentazione dell'aria e di scarico del gas alla futura unità.
Da un vecchio estintore assembliamo un pulitore di tipo centrifugo: un ciclone. Saldiamo il dispositivo a una botte senza coperchio e fondo.
Facciamo un foro sul fondo del barile di metallo attraverso il quale il generatore svuoterà la cenere. La struttura è posta in una botte e le gambe di supporto sono saldate al disco. Prima di installare l'unità da un barattolo con un tubo in un barile, un cassetto per la cenere ricavato da un vecchio bollitore viene appeso a catene sul fondo del tubo. Sulla parte superiore della lattina è montato un coperchio a botte con un foro pretagliato. Dotiamo il foro sul fondo della canna con un tappo filettato.
Non resta che integrare il generatore di gas fatto in casa con dispositivi che garantiscano il normale funzionamento e risolvano i problemi con l'installazione su una moto con sidecar:
Realizzare un dispositivo di raffreddamento da una vecchia batteria.
Costruzione di un filtro a due livelli con un corpo a secchiello.
Miglioramento del sidecar della moto per l'installazione.
Costruire una ventola per accendere il generatore.
Posizionamento della ventola di accensione nel passeggino.
Collegamento della ventola al tubo flessibile.
Installazione di valvole a sfera sui tubi di alimentazione del gas.
Installazione del miscelatore davanti al carburatore della moto.
Gassificatore a legna
Naturalmente, quanto più il generatore di gas fatto in casa si avvicina alle dimensioni e alla configurazione del modello industriale, tanto più efficiente sarà il dispositivo. Realizzare a casa una copia esatta di un generatore di gas prodotto in fabbrica è difficile e non necessario.
Sistemi di Gassificazione Industriale
I gassificatori di legna e le unità di cogenerazione a gas di legna sono tecnologie collaudate e disponibili su scala industriale. L’efficienza economica dei sistemi a gas di legna dipende tra le altre cose dalle sovvenzioni, dal prezzo del legno, dalle emissioni di CO₂-prezzo del certificato e dal reddito derivante dalla vendita di calore ed elettricità (tariffa feed-in o risparmio attraverso l’uso proprio).
Invece, con il gassificatore tramite il processo di gassificazione del legno, ricaviamo un combustibile, il Syngas ovvero gas di sintesi, atto ad alimentare un motore endotermico in asse con un generatore di corrente elettrica. Funziona in modo ottimale con impianti di piccola taglia e a costi accessibili, ottenendo come ulteriore vantaggio un rendimento elettrico nettamente superiore.
Esempio di Impianto Industriale: Corelli
Ecco in sintesi gli elementi di cui è composto l’impianto gassificatore prodotto dall’azienda meccanica trentina Corelli Giuliano:
- Area dedicata alla raccolta del cippato del legno con Benna di Corelli
- Essiccatore del cippato
- Vaglio del cippato di legno
- Box cippato secco/ vagliato
- Cassone distributore
- Gassificatore 1
- Gassificatore 2
- Cassone cenere
- Container cenere
- Container servizi /centraline elettriche / computer touchscreen
L’impianto gassificatore tipo progettato e concepito da Giuliano Corelli è una piccola centrale elettrica in grado di funzionare in piena autonomia con il cippato di legna, al prezzo più basso sul mercato. Corelli garantisce un modulo di gassificazione completo dei servizi ausiliari necessari al suo funzionamento, con soluzioni standard in container, a partire da una potenza installata nominale di 49 kWel. L’impianto è concepito a “moduli” per poter essere facilmente ampliato, incrementando la potenza anche in un secondo tempo.
Vantaggi degli Impianti Industriali (Es. Corelli)
- Bassa tensione: L’impianto è allacciato in rete a bassa tensione. La potenza elettrica è inferiore ai 100Kw, quindi non necessita di cabina di media tensione dal costo stimabile di 50/60.000 €.
- Tariffa incentivante: È la migliore, perché il legislatore mira a privilegiare i piccoli impianti, che hanno un minore impatto ambientale.
- Dimensioni: Contenute in poche centinaia di metri quadri.
- Installazione esterna: Non necessita di immobile, quindi agevola la pratica V.V.F.
- Modulo collaudato: Il modulo vanta migliaia di ore di lavoro.
- Possibilità di potenziamento: Progettato per poter aggiungere altri 2 gassificatori.
- Prezzo: Ottimizzato da componenti già progettati, collaudati e prodotti in serie.