Aspetti ambientali della somministrazione dell'energia a sistemi chimici
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Aspetti ambientali della somministrazione dell’energia a sistemi chimici
Sommario
I costi ambientali da pagare ogni qual volta ci si serve di energia (in qualsiasi forma, sia essa
elettrica o termica) sono molto importanti: spesso, infatti, l’impatto ambientale globale legato
a determinati processi o prodotti è dominato in gran parte da questo tipo di contributi. Per
cercare di diminuire tali costi, è necessario utilizzare l’energia nel modo più efficiente
possibile. Questo aspetto è sicuramente tenuto in grande considerazione in tutti gli impianti
industriali, mentre spesso viene trascurato a livello di laboratorio.
Tutte le modalità disponibili per somministrare l’energia necessaria a condurre una sintesi
richiedono un certo consumo di energia elettrica, tuttavia l’efficienza può variare moltissimo,
entro un ampio intervallo di valori. Un’analisi dettagliata sulle varie tecniche di riscaldamento
di un sistema ha rivelato che, a parità di energia termica erogata, sono necessari quantitativi di
energia molto diversi tra loro a seconda del metodo scelto. L’utilizzo di un mantello
riscaldante per condurre una determinata reazione, ad esempio, permette di consumare il 70%
dell’energia che si dovrebbe usare nel caso si ricorresse ad un bagno ad olio; impiegando le
micro-onde, invece, la percentuale scende al 20%. Queste differenze possono essere spiegate
in funzione del diverso quantitativo di energia che viene dissipato nell’ambiente, ad esempio,
durante il trasferimento dell’energia dal mezzo riscaldante all’ambiente di reazione.
L’importanza di questo aspetto è sottolineata dai valori enormemente diversi tra loro che si
riscontrano. L’efficienza nel somministrare energia ha una grande influenza sulle reazioni
chimiche e dovrebbe quindi essere valutata attentamente, in analogia a quanto accade per la
scelta dei reagenti.
Nel caso fosse possibile utilizzare un mantello riscaldante, esso sarebbe da preferire rispetto al
bagno ad olio; metodi non convenzionali di somministrare l’energia, come le micro-onde,
possono abbattere ulteriormente i consumi energetici. È, inoltre, necessario isolare
perfettamente tutta la strumentazione, così da minimizzare le perdite energetiche e, di
conseguenza, l’energia globale che deve essere impiegata.
I suggerimenti forniti sono da ritenersi validi solo qualora non intervengano problemi di
sicurezza (ad esempio: sovra-riscaldamento legato all’utilizzo di mantelli riscaldanti) o
di natura pratica che ne sconsiglino l’applicazione.
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Lo scopo dello studio riportato in questo articolo non è quello di diminuire l’ “insignificante”
consumo energetico a livello dei laboratori, bensì quello di sensibilizzare gli studenti riguardo
i consumi e le perdite energetiche che accompagnano le reazioni chimiche. Viceversa, su
larga scala, questi aspetti determinano l’efficienza complessiva di una reazione.
Introduzione
L’impatto ambientale derivante dall’utilizzo di energia (ad esempio: le emissioni connesse
con la produzione di energia elettrica o termica tramite combustibili fossili) domina molto
spesso il bilancio ecologico di un processo (Beck et al., 2000), ovvero il carico ambientale che
esso possiede.
A livello delle reazioni chimiche, è quasi sempre necessario aggiungere o sottrarre energia
termica. Nel caso dei processi di laboratorio, l’energia viene spesso fornita tramite dispositivi
come il mantello riscaldante o il bagno riscaldante (ad olio o ad acqua); tra le alternative,
ricordiamo la possibilità di ricorrere alle micro-onde, agli ultra-suoni o all’energia meccanica,
anche se esse sono sicuramente meno comuni e trovano (solitamente) applicazioni molto
specifiche. Sebbene sia possibile fornire energia tramite modalità molto diverse tra loro, in
realtà non ci sono grandi differenze nei dispositivi usati: tutti, infatti, non fanno nient’altro
che prelevare l’energia elettrica proveniente dalla rete e convertirla nella forma desiderata.
Ricerca
Quale metodo per somministrare energia ne richiede la quantità minore?
Quale tra tutti i metodi disponibili per somministrare energia è il più favorevole da un punto
di vista ecologico? In altre parole, quale metodo richiede il minor quantitativo di energia per
una data reazione e quindi presenta l’efficienza maggiore? Per rispondere a queste domande,
si è scelta una reazione che è stata realizzata inizialmente con un mantello riscaldante, quindi
con una piastra riscaldante dotata di bagno ad olio e, per finire, ricorrendo alle micro-onde;
per monitorare il consumo energetico, è stato impiegato un contatore apposito.
2I risultati delle misurazioni hanno evidenziato che il mantello riscaldante richiede solo il 70%
dell’energia consumata dal bagno ad olio e che le micro-onde permettono un risparmio
energetico che si aggira attorno all’ 80% (Diehlmann, 2002).
Quali sono le ragioni alla base di queste differenze?
Come già detto, sono state riscontrate differenze significative nel consumo energetico dei
diversi metodi presentati. Quali sono le ragioni alla base di tutto ciò? Rispetto alle classiche
procedure di riscaldamento (mantello riscaldante, bagno ad olio), la sintesi assistita dalle
micro-onde permette tempi di reazioni molto più brevi (circa trenta minuti) e questo può
essere un primo fattore molto importante. Al contrario, non esistono particolari differenze tra
l’utilizzo di un mantello riscaldante, oppure di una piastra dotata di bagno ad olio (in entrambi
i casi, il tempo di reazione si attesta sulle due ore circa): la differenza tra queste due modalità
deve quindi essere cercata altrove.
L’apparato sperimentale sotto l’occhio della camera a raggi IR
Con l’aiuto di una termografia (Fig. 1, Fig. 2), è stato possibile “visualizzare” le differenze tra
i diversi metodi considerati.
T [°C]
P01 72,11
P02 129,61
P03 134,80
P04 189,65
P05 52,06
R11 R12
Media 130,9 135,3
Min 129,6 54,64
Max 133,1 204,1
Fig. 1: Foto ai raggi IR – piastra riscaldante con bagno ad olio
3La temperatura della superficie dell’apparato sperimentale raggiunge punte di 190 °C quando
si utilizza una piastra riscaldante dotata di bagno ad olio; quella della superficie del recipiente
dell’olio, invece, si aggira attorno ai 130 °C. L’impiego del mantello riscaldante, al contrario,
comporta il raggiungimento di temperature decisamente inferiori: la temperatura massima
della superficie esterna registrata in questo secondo caso, infatti, tocca a malapena i 50 °C, un
valore decisamente inferiore, se paragonato ai dati precedentemente riportati.
T [°C]
P01 23,34
P02 22,64
P03 37,58
P04 50,79
R11 R12
Media 49,28 29,46
Min 45,71 28,99
Max 51,48 30,16
Fig. 2: Foto ai raggi IR – mantello riscaldante
La temperatura superficiale influenza il trasferimento di energia
La perdita di energia da parte di un corpo verso l’ambiente avviene principalmente tramite
processi convettivi; l’irraggiamento termico, al contrario, riveste un ruolo marginale nel
processo in esame. Secondo l’equazione di trasmissione del calore, l’energia emessa tramite
processi convettivi (QK) cresce all’aumentare della differenza di temperatura tra l’apparato
sperimentale e l’ambiente circostante.
QK = α · F · (Tapparato – Tambiente) · ∆t
Qk = energia emessa secondo processi convettivi dall’apparato sperimentale
α = coefficiente di trasferimento del calore
F = superficie dell’apparato sperimentale
Tapparato = temperatura superficiale dell’apparato sperimentale
Tambiente = temperatura dell’ambiente circostante
∆t = tempo di trasferimento del calore
4L’isolamento e il tempo di reazione spostano il bilancio
Per quanto riguarda il discorso delle micro-onde, risulta chiaro che il vantaggio principale di
questa tecnica rispetto alle varianti classiche consiste nel minor tempo di reazione: le perdite
energetiche, infatti, diminuiscono di pari passo con il tempo di reazione. Per quanto riguarda
le differenze tra mantello riscaldante e bagno ad olio (in questo caso la durata è analoga),
bisogna ancora prendere in considerazione l’equazione precedentemente riportata: a causa
delle differenze di temperatura superficiale dei due mezzi riscaldanti, si ha a che fare con
diversi quantitativi di energia trasferiti all’ambiente; per compensare queste perdite, è quindi
necessario sfruttare differenti quantità di energia elettrica. A partire dai risultati ottenuti dalle
termografie, è stato possibile valutare (approssimativamente) l’energia trasferita all’ambiente
da parte dei due apparati sperimentali: con un mantello riscaldante viene perso il 50% circa
dell’energia effettivamente prelevata dalla rete, mentre nel caso del bagno ad olio tale valore
sale fino all’ 85%. Le differenze a livello di perdite energetiche e di temperature superficiali
riscontrate nei due apparati sperimentali classici possono essere (entrambe) spiegate tramite il
miglior isolamento del mantello riscaldante rispetto a quello del bagno ad olio.
Conclusioni
Aspetto Generale:
Nell’analisi dell’impatto ambientale di una reazione, l’aspetto della modalità tramite cui viene
fornita energia al sistema è decisamente sottovalutato. Il nostro studio mostra, invece, che il
principale contributo all’impatto ambientale di una sintesi è dovuto a processi preliminari: la
maggior parte di tali costi, infatti, risiede nell’inquinamento legato alla produzione
dell’energia elettrica nelle centrali. Per migliorare la situazione attuale, in futuro sarà quindi
fondamentale porre sullo stesso piano gli aspetti energetici di una reazione con tutti quelli che
vengono normalmente considerati come preliminari: non è sufficiente, infatti, che la
“chimica” di una reazione sia corretta, bensì devono essere adeguati anche la sua durata (per
cui: attenzione alla cinetica!), la temperatura a cui si svolge e l’isolamento
dell’apparecchiatura.
Aspetto Pratico:
Alla luce dei risultati del nostro studio, è possibile dare alcuni consigli sulla scelta
dell’apparecchiatura da usare per condurre una reazione su scala di laboratorio. Se non ci sono
controindicazioni, è meglio preferire il mantello riscaldante al bagno ad olio; il problema non
risiede, tuttavia, nell’efficienza dei due dispositivi, che è praticamente uguale, bensì è
5l’efficienza del trasferimento di calore alla miscela di reazione a fare la differenza. Questa
differenza è legata ad un migliore isolamento e ad una superficie minore del mantello
riscaldante rispetto ai valori presentati dal bagno ad olio. L’impiego di nuove tecnologie (ad
esempio: reazioni assistite da micro-onde) può ulteriormente migliorare la situazione su scala
di laboratorio; il tempo di reazione, tuttavia, deve essere notevolmente inferiore rispetto ai
metodi classici per poter riscontrare un effettivo guadagno. L’efficienza delle micro-onde,
infatti, si attesta attorno al 50% circa, con la differenza che la potenza in uscita viene (quasi)
integralmente trasferita al mezzo di reazione. Per finire, è opportuno sottolineare che un buon
isolamento dell’apparecchiatura migliora sempre il consumo energetico.
È importante ricordare che i suggerimenti forniti sono da ritenersi validi, solo qualora
non intervengano problemi di sicurezza (ad esempio: sovra-riscaldamento legato
all’utilizzo di mantelli riscaldanti) o di natura pratica che ne sconsiglino l’applicazione.
Beck, A., Schering, M. und Hungerbühler, K. (2000). Fate modelling within LCA. The
International Journal of Life Cycle Assessment, 5(2000), 1-10.
Diehlmann, A. (2002). Beitrag zur Implementierung des Leitbildes "Nachhaltige
Entwicklung" in der Chemieausbildung. Dissertation. Friedrich-Schiller-Universität
Jena, Institut für Technische Chemie und Umweltchemie.
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