Il metano è un gas naturale ampiamente utilizzato per alimentare auto, produrre energia elettrica, riscaldare case e cucinare cibi. Come ogni combustibile, possiede un potere calorifico, che nel caso del metano oscilla tra le 8200 e le 9200 kcal. Ma cosa significa esattamente? Qual è la differenza tra potere calorifico inferiore e potere calorifico superiore del metano? E come si calcola?
Cos'è il Calore di Combustione?
Il calore di combustione è il calore sviluppato in una reazione di combustione. Queste reazioni chimiche avvengono tra un combustibile e un comburente, solitamente ossigeno. Più nello specifico, se la quantità di sostanza che si comporta da combustibile corrisponde ad una mole, il calore di combustione è detto calore di combustione specifico.
Il potere calorifico di una sostanza si riferisce al calore che un combustibile riesce a produrre. Rappresenta quindi la quantità di energia liberata dalla combustione. L’unità di misura utilizzata per esprimere questo valore è la chilocaloria, ma, nel sistema internazionale, il potere calorifico è solitamente espresso in Mega Joule (MJ) al metro cubo.
I valori dei calori di combustione variano con la temperatura alla quale si effettua la combustione stessa; questa dipendenza è definita dalla legge di Kirchhoff. A seconda che l'acqua prodotta sia allo stato liquido o di vapore, si definisce un calore di combustione superiore o inferiore.
Importanza del Calore di Combustione del Metano
Conoscere il potere calorifico del metano è fondamentale per:
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- Calcolare il rendimento termico di determinati sistemi di combustione.
- Effettuare una pianificazione accurata dei consumi energetici e dei costi associati. Sapere qual è il potere calorifico del metano permette, ad esempio, di capire quanto gas sia necessario per riscaldare le nostre abitazioni o quanto ne serva per alimentare certi processi industriali. Se il potere calorifico è troppo basso, servirà una quantità di metano maggiore per produrre una data quantità di energia.
- Selezionare le fonti più efficienti ed economicamente convenienti. Confrontando il potere calorifico del metano con quello di altre fonti energetiche, infatti, è possibile valutare quale risorsa offra il miglior rendimento energetico per una data quantità di combustibile bruciato. Si sa che il potere calorifico del metano è superiore a quello di altri combustibili, come petrolio o carbone. In termini pratici vuol dire che il gas metano può produrre energia in maniera più efficiente.
- Utilizzare il metano in modo efficiente significa consumare meno combustibile per ottenere la stessa quantità di energia, con ricadute positive in termini energetici ed economici.
Come si Calcola il Potere Calorifico del Metano
Il potere calorifico viene indicato con la lettera P e rappresenta la quantità di energia termica che si ottiene bruciando un metro cubo (Smc) di gas metano. Per calcolare questo valore si brucia un campione della sostanza (un chilogrammo per i combustibili solidi o un metro cubo nel caso di combustibili gassosi) alla temperatura di 0 gradi centigradi e alla pressione atmosferica. La combustione è influenzata da diversi fattori, come velocità di reazione e pressione esterna. Per questo motivo si fa ricorso a degli standard ben precisi.
Esistono due tipi principali di potere calorifico:
Potere Calorifico Inferiore (PCI)
Il potere calorifico inferiore del gas metano (altrimenti detto PCI metano) rappresenta la quantità di energia termica rilasciata dalla combustione del metano senza considerare il calore latente che si disperde per il riscaldamento dei fumi e per l’evaporazione dell'acqua prodotta durante la combustione. Il PCI del metano non tiene conto di questa quantità di energia; l’unità di misura è il Joule per chilogrammo (J/kg). Il potere calorifico inferiore del metano è di circa 50 MJ/kg, che equivale a 9,27 kWh/smc.
Potere Calorifico Superiore (PCS)
Il potere calorifico superiore metano (anche conosciuto come PCS metano) esprime la quantità totale di energia termica rilasciata (in condizioni standard di temperatura e pressione) dalla combustione del gas metano, tenendo conto anche dell'energia liberata dal calore latente, quello impiegato cioè per far evaporare l'acqua. Di conseguenza il potere calorifero superiore è generalmente maggiore del potere calorifero inferiore. Questo è un dato importante per valutare l’efficienza energetica del combustibile, maggiore è il PCS, infatti, maggiore è la quantità di energia che si può ottenere dalla combustione di una determinata quantità di combustibile. Il potere calorifico superiore metano si riferisce alla quantità di calore che deriva dalla combustione completa della quantità di massa della sostanza utilizzata come combustibile.
Il potere calorifico superiore viene definito come la quantità di calore, che si rende disponibile per effetto della combustione completa a pressione costante di una massa unitaria del combustibile, quando i prodotti della combustione siano riportati alla temperatura iniziale del combustibile e del comburente.
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Esistono diversi metodi per calcolare il PCS del metano:
- Analisi chimica: Si può calcolare analizzando il gas metano e determinando la massa degli elementi combustibili contenuti in un kg di combustibile tramite l'analisi chimica. In seguito si valuta l’apporto di calore fornito e si sommano i risultati.
- Formula di Dulong: Utilizzo della Formula di Dulong (una relazione empirica che combina le principali reazioni di combustione considerando l'energia sprigionata da ciascuna di esse).
- Strumenti calorimetrici: Utilizzo di strumenti calorimetrici, come ad esempio la bomba calorimetrica di Mahler, nella si fa avvenire una reazione stechiometrica completa tra una quantità ben determinata di gas metano e l'ossigeno.
- Misurazione diretta: Prevede l'uso di appositi strumenti come la bomba calorimetrica di Mahler.
Calore di Combustione e Entalpia di Formazione
Conoscendo il calore di combustione di una sostanza è possibile, in genere, determinare le entalpie di formazione: consideriamo ad esempio un generico idrocarburo CnHm. Di seguito elenchiamo i valori delle entalpie standard di combustione (ΔH°c) (a 25°C) di alcune sostanze.
Per la misurazione del calore di combustione, si utilizza un calorimetro, costituito da:
- Un piccolo recipiente di acciaio con pareti spesse, ermeticamente chiuso, in cui è posta una piccola capsula di porcellana contenente la sostanza da esaminare; tale sostanza viene successivamente combusta mediante una resistenza elettrica "immersa" nella sostanza stessa.
- Quest'ultimo, a sua volta, è immerso in un altro recipiente isolato termicamente da materiale isolante e riempito di acqua.
Il calore prodotto nella combustione della sostanza in esame, viene assorbito dall'acqua che quindi si riscalda. Applicando infine la legge fondamentale della termologia è possibile risalire alla quantità di calore emessa durante la combustione.
Potere Calorifico: PCI e PCS a confronto
Il potere calorifico inferiore (detto anche pci metano) viene definito come potere calorifico superiore diminuito del calore di condensazione del vapore d’acqua durante la combustione. Queste parte di calore latente è di solito recuperabile nelle moderne caldaie a condensazione.
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In ambito energetico si è invece soliti parlare di potere calorifico superiore per considerare in maniera specifica l’energia prodotta dalla combustione.
Il potere calorifico superiore (detto anche pcs metano) indica la quantità di calore derivante dalla combustione completa, a pressione costante, della quantità di massa della sostanza utilizzata come combustibile. Il potere calorifico superiore trova invece impiego nella fornitura energetica del gas: identificando la quantità di energia ricavabile da un metro cubo di gas, aiuta a stabilire la qualità del gas distribuito e venduto alle utenze.
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