Potere calorifico

Potere calorifico, inteso come quantità di calore realizzata nella combustione completa delle unità di peso o di volume di combustibile, è il verdetto per un vettore energetico perché svela, con una cifra, quanto è valido come tale. Rispetto a quanto è grande, soprattutto, dato che il problema di molti vettori energetici è proprio l’ingombro, in massa nel caso di solidi e liquidi, in volume per i gas. Il concetto, e il problema ingombro, resta, e il potere calorifico aiuta ad orientarsi. E’ impalpabile e poco immaginabile, come quantità, ma conoscendola la ameremo.

 

Potere calorifico: cosa significa

Il potere calorifico, da definizione, è la quantità massima di energia che si può ricavare convertendo completamente una massa unitaria di un vettore energetico in condizioni standard. Come detto introducendolo, il potere calorifico fa una sorta di valutazione di resa in energia a parità di massa, per non trovarci una enorme quantità di un vettore energetico da cui poi poter ricavare una energia misera misera. Se la conversione del vettore in energia avviene tramite combustione, il potere calorifico coincide con l’entalpia standard massica o volumica di combustione del combustibile.

Anche se vetusta, troveremo utilizzata l’unità di misura delle Kcal/Kg, teniamo come riferimento anche quella dei MJ/kg indicata dal Sistema Internazionale, con l’accorgimento che quando abbiamo a che fare con un gas, la sua quantità si indica con in Nm³. Generalmente il potere calorifico si distingue in superiore (ΔcHso) e inferiore (ΔcHio)

Potere calorifico superiore

Il potere calorifico superiore è la quantità di calore ottenuta con una combustione completa a pressione costante del combustibile, di un suo elemento unitario di massa, quando i prodotti della combustione vengono riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente. Per ottenerne una stima si può misurare, con strumenti ad hoc, oppure buttarsi nel suo calcolo, basandosi sugli elementi di cui è composto il combustibile in oggetto.

Questa seconda strada comporta un bel lavoro: occorre sapere la quantità di massa dei vari elementi (carbonio, idrogeno, zolfo…) contenuta in un 1 Kg di combustibile per poi valutare l’apporto di calore fornito da ciascuno. Non resta che sommarli, poi, ed ecco una stima approssimata del potere calorifico del combustibile, per avere quello esatto si dovrebbe tener conto della forza dei legami chimici nelle molecole del combustibile.

Il metodo diretto per ottenere il potere calorifico superiore prevede l’uso della bomba calorimetrica di Mahler, apparecchio in cui si fa avvenire una reazione stechiometrica completa tra ossigeno e un tot di combustibile. Si prende una quantità di acqua nota e le si fa assorbire il calore ottenuto dalla reazione e si misura la sua variazione della temperatura, poi è questione di una formuletta. Quella di Dulong.

Potere calorifico inferiore

Convenzionalmente, quando si parla di potere calorifico di un combustibile e di rendimento di una macchina termica si intende per definizione “il potere calorifico superiore meno il calore di condensazione del vapore d’acqua durante la combustione”.

Questo perché di solito nelle combustioni la temperatura dei prodotti è maggiore di quella del combustibile di partenza e una parte del calore teoricamente disponibile si ‘disperde’ per il riscaldamento dei fumi e, soprattutto, per la vaporizzazione dell’acqua prodotta dalla combustione. E’ quello di cui si vuole render conto con il potere calorifico inferiore.

Con l’affinarsi delle tecnologie delle caldaie a condensazione, ad esempio, non tutto il calore latente del vapor d’acqua va perso e si riesce ad avere un rendimento nominale uguale al 100% da un combustibile, anche se la perdita in fumi resta al momento irrecuperabile. Mai dire mai, però.

Come per il superiore, anche per l’inferiore procediamo con l’analisi elementare per avere una stima numerica. Stavolta bisogna passare dal potere calorifico superiore e sottrarre 2,5 MJ per ogni kg di vapor d’acqua contenuto nei fumi.

Potere calorifico: petrolio

Il potere calorifico del petrolio greggio in kcal/Kg è di 10.000, per farci una idea di cosa significhi possiamo confrontarlo con quello di altri combustibili a lui affini o suoi competitors. Abbiamo il G.P.L. con 11.000 kcal/Kg sopra di lui, e anche la benzina e il gasolio rispettivamente con 10.500 e 10.200 kcal/Kg. Sotto la soglia del petrolio greggio, o meglio del suo potere calorifico, ci sono l’olio combustibile, molto vicino, con un 9.800, e subito a seguire il gas naturale, con 9.200. Con il carbon fossile ci si deve “accontentare” di 7.400 kcal/Kg.

Potere calorifico: metano

Il potere calorifico del metano è circa 8200-9200 kcal/Sm3 alla temperatura di zero gradi centigradi. Ciò significa che se si brucia un metro cubo di metano a temperatura di 0°C e pressione atmosferica, si ottengono dalle 8.200 alle 9.200 kcal.

Come sappiamo questa cifra serve per farsi una idea del calore ottenibile dal metano come combustibile, per saper interpretare il consumo di gas in termini di energia prodotto e non solo in metri cubi che potrebbe non essere una quantificazione particolarmente interessante, visto da noi “utenti” e “paganti”.

Il potere calorifico, nel caso del metano come per altri gas, ci fa capire se è “buono” o meno: più alto è più possiamo essere felici. Per il metano si tratta di una valutazione piuttosto importante perché è il combustibile generalmente usato nel riscaldamento domestico. Giusto capire se vale la pena di pagarlo e, prima ancora, di sceglierlo. Il metano è utilizzato anche nelle centrali per la produzione di energia elettrica, nelle auto come combustibile e in alcuni processi industriali: il suo potere calorifico è di interesse pubblico vasto.

Potere calorifico: legna

Difficile parlare e soprattutto definire il potere calorifico della legna, si tratta di una quantità intrinsecamente legata ai differenti tipi di legna e che dipende molto dalla loro umidità. Proprio da questa variabile si parte per poi capire la potenza delle caldaie o delle stufe che non possono essere valutate senza tener conto del tipo di legna e delle condizioni della legna che impieghiamo.

Per poter fare un confronto con altri carburanti anche di tutt’altra natura possiamo indicare come potere calorifico medio della legna ben stagionata la quantità di 3200 kcal/kg. L’umidità gioca un potere molto forte, quando è al 15% ad esempio si hanno 3490 Kca/Kg, con un balzo di umidità fino al valore del 40% crolla a 2300 kcal/kg.

Potere calorifico: carbone

Dalla legna passiamo al carbone, sempre considerando che stiamo facendo una stima con un’analisi elementare che non descrive la reale complessità dell’insieme. Ma ci è di grande aiuto. Ci sono i legami tra elementi, che certo non stanno isolati nel combustibile, ma giacano molto anche altri fattori, sul potere calorifico anche del carbone. Ad esempio la percentuale di acqua, quella di sostanze volatili e di ceneri. E poi ci sono parametri e misure come l’indice di libero rigonfiamento e il potere agglutinante.

Accontentandoci di una stima a spanne del potere calorifico tenendo presente “solo” dei diversi tipi di carboni fossili distinguibile per la loro età: il più antico è l’antracite, quindi litantrace, poi lignite e il più giovane, la torba. Naturalmente non si possono intervistare per chiedere loro la carbongenesi, per cui si usa la composizione chimica elementare: man mano con l’età il carbone si arricchisce di carbonio e perde ossigeno, e si vede che il loro potere calorifico aumenta da torba ad antracite con il diminuire proprio del rapporto H/C.

Per la torba con un H/C di 1,30 il potere calorifico e di 3000 – 4500 Kcal/Kg, poi abbiamo la lignite con il rapporto H/C 0,97 e 4000 – 6200 Kcal/Kg come intervallo, seguono litantrace (H/C = 0,72 e potere calorifico 7600 – 9000) e antracite (H/C 0,29 e potere calorifico 8300 – 9000 Kcal/Kg).