Newsgroup: it.discussioni.energie-alternative
Titolo: Fotovoltaico e idrogeno tecniche di distrazione di massa


 
che sono pure spariti dall'archivio). Ma bando alle
dietrologie ed andiamo a dare qualche curiosita' "fisica".
 
Prima pero' un cenno storico per ambientare: l'umanita' ha sempre
avuto un problema con l'energia, quella di accumularla e trasportarla.
Specialmente nelle zone temperate, anzi, e' la capacita' di gestire
il problema che ha portato alla occupazione per tutto l'anno delle
terre temperate.
La questione dell'accumulo e' evidente nella necessita' di ricavare
energia durante la stagioni piu' rigide, e questo avveniva
accumulando in particolare combustibili biorganici, in genere
legnosi, ma anche torba e letame seccato oppure olii animali e
vegetali (riservato ai benestanti).
Il trasporto dell'energia e' invece una esigenza nata a seguito
delle prime comunita' stanziali. Le comunita' "stabili", dopo
avere consumato le risorse energetiche locali, erano costrette
a farle arrivare da altrove, anche da lontano. E quindi la
"trasportabilita'" dell'energia e' diventata nell'evolversi della
civilta' umana, un fattore determinante nella sua scelta.
 
La questione dell'accumulo e del trasporto e' infine esplosa su scala
industriale tra il 1760 e il 1820, gli anni dell'avvio della
Rivoluzione Industriale (la "Prima"). Possiamo affermare che, dato
che il carbone contiene essenzialmente carbonio, sia stata una
"economia del carbonio". Successivamente, tra il 1850 e il 1870
abbiamo l'avvio dell'era del petrolio. Osservando la composizione
del petrolio, potremo dire che e' iniziata una "economia del carbone
e idrogeno".
 
Cio' che ha reso carbone e petrolio un successo sono la facilita'
di accumulo e trasporto (ovviamente con le dovute precauzioni per
evitare incendi, ma non sono richieste particolari tecniche).
 
Interessante notare che il gas naturale (principalmente metano)
e' stato utilizzato regolarmente gia' dal 1820, ma era riservato
principalmente per l'illuminazione. Nonostante vari vantaggi come
combustibile, il gas naturale per molto tempo non ha avuto grande
utilizzo. Il problema e' la sua trasportabilita', non per nulla,
ancora oggi spesso si preferisce bruciarlo ove esce dai pozzi
petroliferi (sempre presente) piuttosto che catturarlo per
rivenderlo. Del resto, le auto alimentate a gas naturale, nonostante
la tecnologia e' consolidata e matura fin dagli anni '60, non hanno
avuto questo grande successo e oggi si trovano ad essere superate
dalle auto elettriche.
 
E gia' con questo abbiamo sfiorato il problema che voglio sollevare.
Nota: condizioni standard sono zero gradi Celsius a una atmosfera
(dal 1982, 1 bar cioe' 100 kPa).
 
Carbone: dal 20% (la peggior lignite) al 98% carbonio (la migliore
antracite).
 
Carbonio: a condizioni standard, una mole di carbonio (cioe' una
"massa" di 6,02214 × 10^23 atomi di carbonio) pesa circa 12 grammi
ed ha una densita' di 2 grammi per cm3 (carbonio amorfo, per la
graphite vale circa 2,3 gr/cm3 e per il diamante vale circa
3,5 gr/cm3, cioe' nella grafite e specialmente nel diamante, gli
atomi di carbonio sono inpacchettati piu' fittamente).
L'energia rilasciata nella combustione con ossigeno vale 32,8 MJ/kg.
 
Idrogeno: una mole di di-idrogeno pesa circa 2 grammi ed ha una
densita' a condizioni standard di circa 90 gr/m3.
L'energia rilasciata nella combustione con ossigeno vale 141,8 MJ/kg
(a patto di recuperare l'energia del vapore nei fumi, altrimenti si
scende a circa 120 MJ/kg).
 
Metano: una mole di metano pesa circa 16 grammi ed ha una
densita' a condizioni standard di circa 717 gr/m3.
L'energia rilasciata nella combustione con ossigeno vale 55,5 MJ/kg
(a patto di recuperare l'energia del vapore nei fumi, altrimenti si
scende a circa 50 MJ/kg).
 
Introduciamo un nuovo candidato:
 
Ammoniaca: una mole di ammoniaca pesa circa 17 grammi ed ha una
densita' di 769 gr/m3.
L'energia rilasciata nella combustione con ossigeno vale 22,5 MJ/kg
(a patto di recuperare l'energia del vapore nei fumi, altrimenti si
scende a circa 18,65 MJ/kg).
 
Se guardiamo alla densita' di energia per massa, il migliore in
assoluto e' l'idrogeno, seguito a distanza dal metano, poco
dietro il carbonio e dietro ancora l'ammoniaca. Pero', il carbonio
in natura e' il carbone, e quello piu' consumato e' la lignite,
che e' gia' tanto se arriva al 25% di carbonio. Quindi nel caso
della lignite abbiamo un contenuto di energia ben piu' basso,
tra il 10 MJ/kg ad un ottimistico 20 MJ/kg, quindi l'ammoniaca
sarebbe superiore alla lignite.
 
L'idrogeno e l'ammoniaca pero' hanno un problema comune: non si
trovano naturalmente disponibili in giacimenti naturali ovvero
occorre produrlo. Carbonio (nel carbone) e metano invece hanno
il vantaggio di essere estratti direttamente quasi pronti per l'uso.
 
Ma come mai il metano, con tutti i suoi vantaggi (combustione meno
inquinante), non e' usato estensivamente ?
 
Dobbiamo guardare ad un ulteriore parametro: l'energia per unita'
di volume, cioe' la densita' volumetrica del combustibile.
 
carbonio: 2'000'000 grammi/m3 *  32.8 kJ/gr = 65'600,.. MJ/m3
idrogeno:        90 grammi/m3 * 141,8 kJ/gr =     12,75 MJ/m3
metano:         717 grammi/m3 *  55,5 kJ/gr =     39,79 MJ/m3
ammoniaca:      769 grammi/m3 *  22,5 kJ/gr =     17,30 MJ/m3
 
A condizioni standard, il carbonio ha una altissima densita'
volumetrica in energia, e cio' spiega l'enorme suo vantaggio
in termini di accumulo e trasporto. Infatti, mentre il carbonio
richiede un "peso" di combustibile almeno 5 volte superiore a
quello in termini di idrogeno, la necessita' in termini di
"spazio" e' infima al confronto degli altri tre contendenti.
 
Un simile vantaggio vale per il petrolio, con un altissimo
densita' volumetrica di energia.
 
Non e' un caso che il metano, per rendere praticabile il suo
utilizzo, viene "compresso". Ma sappiamo che l'operazione di
compressione spreca energia non recuperabile a causa degli
attriti (e quindi riscaldamento) che avvengono durante le
operazioni di compressione.
C'e' un modo efficace alternativo per aumentare la densita'
di un gas ed e' liquefarlo. Vediamo prima la temperatura di
liquefazione a pressione atmosferica (cosi' che non servano
recipienti resistenti alla pressione):
 
idrogeno:  -252,88 Celsius ( 20,27K)
metano:    -161,50 Celsius (111,65K)
ammoniaca:  -33,34 Celsius (239,81K)
 
Possiamo subito vedere che la temperatura richiesta dall'idrogeno
e' proibitiva e quindi, per un trasporto praticabile (ovvero per
finanze che non siano quelle di un lancio spaziale o usi militari),
occorre puntare sulla pressione o una combinazione di pressione e
temperatura.
Inoltre l'idrogeno liquido e' particolarmente reattivo con i
metalli, rendendoli fragili. Insomma, ci sono ragioni per spiegare
perche', dopo anni e tanti soldi spesi, l'idrogeno per auto non
decolla.
 
Piu' accessibile e' invece la temperatura di liquefazione del
metano, ed infatti il trasporto marittimo del metano e' fatta
in forma liquida (ma al prezzo di una certa quantita' di metano
evaporata per mantenere il resto in forma liquida: si tratta di
una perdita dal 1 al 2,5 per mille ogni giorno a bordo; una
navigazione agitata aumenta la perdita, perche' la movimentazione
del liquido causa calore).
 
Ma il vero vincitore e' l'ammoniaca, la cui temperatura piu'
vicina a quella standard, significa che, una volta liquefata,
puo' essere praticabilmente tenuta liquida con la semplice
pressione, anche se la temperatura sale. Per esempio, a
temperatura ambiente di 25 Celsius, basta una pressione di
10 bar per tenere l'ammoniaca nella forma densa liquida ed a
57 Celius (una anomala temperatura estiva), e' richiesta solo
una gestibile pressione di 24,5 bar.
 
Rivediamo allora i dati in forma liquida:
 
idrogeno:    70,00 gr/dm3 * 141,8 kJ/gr =   9,9 MJ/dm3
metano:     422,62 gr/dm3 *  55,5 kJ/gr = 23,46 MJ/dm3
ammoniaca:  682,90 gr/dm3 *  22,5 kJ/gr = 15,37 MJ/dm3
 
Possiamo vedere, ancora una vota, che l'idrogeno e' il meno
conveniente dei due. Il metano e' in vantaggio sull'ammoniaca,
ma ripeto, stiamo parlando di metano criogenico, non esattamente
una cosa che si trova ogni giorno. Invece l'ammoniaca
liquida e' di uso quotidiano nei compressori industriali di
refrigerazione ovunque.
 
E per gli usi in cui serve proprio "idrogeno" (ad esempio, le
celle di combustibile) ?
 
Vediamo quanti atomi di idrogeno di ci sono per ogni m3
liquido trasportato:
 
idrogeno:   70 kg/m3
metano:    141 kg/m3
ammoniaca: 146 kg/m3
 
L'avreste mai detto ? A parita' di volume, l'ammoniaca
liquida trasporto con se piu' atomi di idrogeno dell'idrogeno
liquido stesso. Ovviamente abbiamo un peso maggiore, ma la
facilita' di trasportare ammoniaca liquida (a temperatura
ambiente) ritengo che compensi abbondantemente tale svantaggio.
 
Resta solo una questione: la difficolta' nel "estrarre" gli
atomi di idrogeno per passarle alla cella di combustibile.
E qui passo ai chimici.
 

 ammoniaca: 146 kg/m3
 
Scusate, ho saltato un passaggio, sopra prima ho calcolato
che il rapporto tra idrogeno e la massa totale vale:
 
idrogeno: 100%       di idrogeno
metano:    33,33...% di idrogeno
ammoniaca: 32,43%    di idrogeno
 
e moltiplicando per la densita' della tabella precedente
ottento i valori dichiarati sopra.


 E qui passo ai chimici.
 
ah ... ecco, visto l'elogio così prolungato, non avevo pensato che ti 
potesse anche solo sfiorare l'idea di problemi.
Meno male.
 
 
Cmq per carità, niente di basato sulla fiducia.
Fa delle statistiche "comparative" di incidenti (INCENDI) dovuti ad 
ammoniaca vs qualsiasi altro combustibile in uso e/o impianti o altre 
applicazioni (ho citato i razzi, ma vale per tutti i trasporti) dove 
venga usata come vettore per motori a combustione di ogni genere.
 
La pochezza degli usi di quel genere è o no sintomo che la combustione di 
NH3 ha qualche problemino ? Ripeto : è la singola molecola che produciamo 
a più grande scala in assoluto e dai tempi "antichi" : la conosciamo 
benino, la usiamo come fertilizzante, refrigerante, etc.
 
 
P.S. ho già provato a bruciarla, ma con aria normale : la fiamma cambiava 
solo colore, 
 
P.P.S. in effetti un'applicazione dell'ammoniaca dove conta solo la forza 
bruta e non la facilità e "pulizia" delle sue ossidazioni c'è : esplosivi 
a base di ione ammonio ed ossidanti (anche essi largamente endotermici, 
anzi essenzialmente essi più che l'ammonio, che è solo un "gasogeno"). A 
Beirut ne hanno assaggiato purtroppo gli effetti, con 3 KTon di nitrato 
di ammonio.
 
Anche il perclorato di ammonio è un potente esplosivo (e comburente, 
visto che ha eccesso di ossigeno).
 
P.S. il nitrato di ammonio stesso, tutto sommato è molto maneggevole e 
non esplode mai "per sbaglio" malgrado le potenzialità termodinamiche : 
tant'è vero che all'agraria come concime me ne hanno venduto un sacco da 
30 kg come fertilizzante che è dall'analisi al 97 % di purezza (è quasi 
puro). Anche incendiandolo non esplode, deflagra solamente e solo oltre 
una certa T. Nicchia, pure lui. Esplode solo se investito da onda d'urto 
tipica di un altro esplosivo primario, allora sono dolori.
 
Commercialmente si trova come ANFO : ammonio nitrato - fuel oil 
(impregnato con un 5 % di oli combustibili, per sfruttare l'eccesso di 
ossigeno altrimenti sprecato e incrementare la yield).
 
 
es. di formulazione
 
3n NH4NO3 + CnH2n  =>  3n N2  +  7n H2O  +  n CO2
 
 
(l'ho bilanciata alla veloce, potrei avere fatto errori)
 
come si vede non fa ceneri (fumo) ed è puramente gasogena (ben 11 mol 
gas), e il nitrato ha un po' di capacità ossidante residua non assorbita 
interamente dall'ammonio per bruciare anche un po' di idrocarburo.
Però negli esplosivi alla fine della "pulizia" della combustione non 
frega molto, e nemmeno delle condizioni non controllabili di P, T che 
implica la reazione. Inoltre il nitrato è migliore come comburente delo 
stesso ossigeno, in certe condizioni.
 
P.P.S.
per hobby ho provato a sintetizzare altri esplosivi ammonici, usando il 
PEROSSIDO come ossidante, ad es. in un complesso di cromo
 
il tetraperosso cromato V di diammonio
 
 
(NH4)3[Cr(O2)4]  =  N3H12CrO8  =>  1,5 N2 + "CrO2" + 6 H2O
fa un bel botto, pure da umido !
 
 
 
 
 
 
 
 
 
 
-- 
la firma la setto dopo


se ci fai caso non la bruciano ! Fanno una deidrogenazione catalitica 
(l'inverso della sintesi)
 
La sintesi è favorita da : ALTE PRESSIONI, BASSE T (compatibilmente con 
la cinetica), essendo esotermica ed endoentropica.
 
 
All'inverso la decomposizione è favorita da bassa pressione e ALTA T 
(essendo endotermica ed esoentropica). Laddove alta T significa 700-800° 
anche catalizzata se non erro, giusto per spostare l'equilibrio (ci sono 
anche altri modi : la diffusioen di H2 con un setto di palladio 
selettivamente permeabile).
 
 
Per un pirolizzatore non è maneggevolissimo operare quella reazione. E 
domando : quanto spazio risparmiato di volume bombola te lo sprechi per 
avere un mini-impianto chimico sull'automobile a monte della fuel-cell ?
Un impiantino che lavora a 750° ... Mi sembra più una tecnologia da 
grande scala che da piccola scala. Sul grande le dispersioni termiche 
pesano meno, e il recupero diventa più efficace.


 fa un bel botto, pure da umido !
 
Spero che la natura tenga conto delle vostre dotte considerazioni. Io mi 
limito a osservare che il 'k' di chilo (1000), es. in kg o kW, deve 
essere minuscolo come previsto dalla normativa vigente, altrimenti 
significa altro (maiuscolo riguarda i gradi kelvin, es. 100 K).
___