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Titolo: Exergia e pompe di calore

1) Chi sa spiegarmi in poche parole il concetto di exergia?
2) Ho letto su un testo di fisica che è assurdo, per produrre il
riscaldamento degli ambienti, utilizzare una fiamma a centinaia di gradi per
riscaldare acqua a 70-80 °C per produrre una temperatura ambiente di 20 °C
(e questo lo posso capire); a tale proposito l'autore introduceva il
concetto di pompa di calore (e ne comprendo i benefici).
Ma quale tipo di energia (o sarebbe meglio dire exergia?) è più conveniente
utilizzare per innescare il ciclo della pompa?
E' meglio, per es., un motore elettrico (l'autore diceva anche che l'energia
elettrica è la forma più "preziosa" di energia) o meglio un motore a scoppio
alimentato per esempio a metano? Ma in ogni caso non si deve sempre passare
attraverso un bilancio energetico che tiene conto dell'energia ceduta alla
pompa ? Cioè un kW elettrico non deriva nella maggiorparte dei casi da una
certa quantità di energia da combustibile (che quantità?).
Scusate la confusione ma non ho ben chiara la "catena" energetica che alla
fine alimenterebbe la mia pompa di calore (che comunque mantiene
l'innegabile vantaggio di utilizzare l'energia dell'aria o dell'acqua
fredda):
non è possibile che alcuni dei vantaggi tanto declamati derivino più da
scelte di politica energetica che da veri vantaggi energetici? (Es. dei
pannelli fotovoltaici che per essere prodotti hanno bisogno di una notevole
quantità di energia).
Ciao e grazie. Piero.

...
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<Per valutare correttamente quale sia il modo "migliore" di produrre calore
occorre riferirsi a due grandezze termodinamiche che sono il rendimento e
l'entropia. Poiché l'energia non si crea né si distrugge ma si trasforma (e
non chiedermi se questa è una legge fisica o un postulato altrimenti ci
vuole un altro messaggio per rispondere!), la prima domanda che ci si pone
è: quanta energia devo spendere per produrre energia della forma
desiderata?>
Sono perfettamente d'accordo (il principio di conservazione dell'energia è
noto anche a profani della fisica come me)
<Ovvero, ad esempio, quanta energia sviluppa la combustione della fiamma nel
bruciatore rispetto a quanta ne riesco ad utilizzare per riscaldare? Il
rendimento in questo caso è il rapporto tra il calore che effettivamente
cedo all'ambiente e quello prodotto dalla combustione. In genere, attraverso
i fumi viene perso almeno un 20% del calore di combustione, perciò un
rendimento tipico è di circa l'80%.>
A me risultano dati più ottimistici: per il calcolo del rendimento
convenzionale di una caldaia (rend. conv. =1 - perdita al camino) si ha in
media una perdita di calore attraverso i fumi del 5-8% con rendimenti
convenzionali che a volte possono arrivare al 95%;
il rendimento termodinamico che tiene anche conto delle altre dispersioni
(irraggiamento e altro) è naturalmente inferiore ma con l'utilizzo di
catalizzatori ceramici per i bruciatori e caldaie a condensazione (recupero
calore dei fumi) si raggiungono rendimenti termodinamici sempre superiori al
90%.
<Il punto cruciale è che per spostare una certa quantità di calore da una
sorgente fredda ad una calda occorre in genere fornire un lavoro pari ad una
frazione del calore ceduto alla sorgente calda, ovvero il rendimento" può
anche arrivare al 300%! In pratica, parte del calore che scalda la casa
proviene dal lavoro del motore ma la maggior parte dal calore viene
sottratto dall'esterno. >
Scusa se ti chiedo conferma, ma le pompe di calore in uso attualmente hanno
veramente tale rendimento? (te lo chiedo perché non so dove reperire dati
tecnici attendibili).
<Ora, compreso che per generare calore è più conveniente energeticamente
spostarlo, rimane da scegliere la fonte del lavoro da fornire al sistema. Un
motore elettrico è certamente la scelta migliore, poiché ha rendimenti
dell'ordine del 90% (il rapporto tra la potenza meccanica sviluppata e
quella elettrica fornita). E' vero che l'energia elettrica può provenire da
centrali termoelettriche con rendimenti del 40%, ma una combustione diretta
in un motore a combustione interna (a benzina o diesel) in genere non arriva
a tale rendimento. Con celle fotovoltaiche si risolve il problema di
principio della fonte di energia, ma non quello del rendimento di certo (la
conversione di radiazione in elettricità è un processo a basso rendimento
per ora)>
Ma i motori di coogenerazione, per esempio, non hanno rendimenti molto
elevati (95%) grazie al recupero del calore dell'impianto di raffreddamento
e dei fumi? E non è possibile utilizzare tale calore recuperato per
preriscaldare l'aria in ingresso alla pompa?
<La seconda domanda è: quanto entropia produco nel generare il
calore che mi serve? Il processo di combustione nella stufa produce molta
entropia, ovvero è fortemente irreversibile. Ciò significa che, una volta
bruciato il combustibile, il calore a bassa temperatura prodotto non può più
(con rendimenti accettabili) venire trasformato in energia chimica del
combustibile prima della combustione. >
Questo mi è chiaro, ma in ogni caso l'energia elettrica che utilizziamo
normalmente è in maggior parte proveniente da centrali termoelettriche che
producono l'energia sempre grazie a cicli irreversibili (credo) ed in
aggiunta devono trasportare l'energia elettrica per centinaia di kilometri
con notevoli dispersioni (credo anche questo). Il combustibile invece ci
arriva in casa con tutta la sua energia chimica che aveva al momento della
sua estrazione. Il problema fondamentale non è quindi quello delle fonti di
energia primarie? Utilizzare il combustibile a casa mia o a centinaia di
Kilometri è ugualmente dannoso anche a causa dell'aumento di entropia, ma il
male minore, a me sembra, è utilizzarlo direttamente dove serve (dove sto
sbagliando?). E' naturale che potendo sostituire i combustibili con fonti
rinnovabili avremmo risolto tutti i problemi (soprattutto i miei).
<Un ciclo termodinamico a pompa di calore, invece, è apprezzabilmente
reversibile; infatti, una volta scaldata la casa col calore prelevato
dall'esterno, si potrebbe utilizzare lo stesso ciclo al contrario per
produrre lavoro trasferendo il calore dall'interno all'esterno, in modo che
il motore elettrico produca corrente elettrica: evidentemente non si
ricupererà tutta l'energia spesa precedentemente come lavoro dal motore, ma
parte sì. >
Qui non ti seguo più: mi puoi fare un esempio pratico ? Come posso
utilizzare un trasferimento di calore per produrre energia elettrica con una
pompa di calore?
<Nella nostra società, le considerazioni di parziale reversibilità
dei processi termodinamici sembra caduta di moda, ma occorre sempre
ricordare che è dovere di ognuno di noi propendere per trasformazioni che
siano il più possibile reversibili, in modo da non aumentare troppo
l'entropia del nostro povero pianeta e non essere causa di un insensatamente
rapido esaurimento di tutte le sue risorse energetiche.>
Come darti torto ? L'unico problema che la maggior parte dell'entropia
a mio avviso e creata dalla produzione sfrenata di qualsiasi tipo di oggetto
di consumo anche inutile od insignificante; se non ci abitueremo ad un
consumismo più moderato e conscio ho paura che le pompe di calore saranno un
inutile applicazione.
Ciao Piero.