EMISSIONI INQUINANTI - ITIS Enrico Fermi
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Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 EMISSIONI INQUINANTI
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Premessa Per maggiore chiarezza si ricorda che all’interno del presento documento si utilizzeranno le seguenti Unità di misura e fattori di conversione energetici: 1 kWh 860 kcal 1 kWh 3600 kJ 1 kcal 0,001163 kWh 1 kcal 4,1868 kJ 1 kJ 0,0002778 kWh 1 kJ 0,2388 kcal 1 tonnellata di petrolio 41,8680 GJ 1 tep 1 tonnellata di petrolio 10.000.000 kcal 1 tep 1 tonnellata di petrolio 11,6279 MWh 1 tep 1 kJ 0,238846 kcal 0,00000002 tep 1 MJ 238,8 kcal 0,00002388 tep 1 GJ 238.846 kcal 0,02388460 tep 1 kWh 860 kcal 0,000086 tep 1 MWh 860.000 kcal 0,086 tep 1 GWh 860.000.000 kcal 86 tep 2
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 POTERE CALORIFERO INFERIORE CONVENZIONALE DEL GREGGIO E DEI PRINCIPALI PRODOTTI PETROLIFERI kcal/kg kWh/kg Petrolio greggio 10.000 11,6279 G.P.L. 11.000 12,7906 Benzina 10.500 12,2093 Gasolio 10.200 11,8604 Olio combustibile 9.800 11,3953 Gas naturale (Metano) 9.200 10,6976 Carbon fossile 7.400 8,6046 3
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Emissioni CO2 L'anidride carbonica è un gas che si forma nei processi di combustione, dall'unione del carbonio contenuto nei combustibili con 2 atomi di ossigeno presenti nell'aria (la formula chimica è CO2). La produzione in eccesso di anidride carbonica comporta dei danni ambientali in quanto mette in pericolo l'esistenza dell'Ozono, uno strato gassoso presente nell'atmosfera che protegge la terra dall'azione nociva dei raggi ultravioletti UV-C provenienti dal sole. Un altro effetto della presenza in eccesso di anidride carbonica è il surriscaldamento climatico (in inglese, "global warming"): durante il giorno la superficie terrestre accumula il calore irraggiato dal sole. Nelle ore notturne il calore viene disperso nello spazio. L'eccessiva concentrazione di anidride nell'aria forma invece, una sorta di cappa che impedisce l'espulsione del calore assorbito dalla terra nelle ore diurne. Le emissioni di CO2 (produzione di anidride carbonica) in eccesso sono una conseguenza dell'attività industriale tipica dei paesi sviluppati: per produrre energia le industrie ricorrono alla combustione dei combustibili fossili (carbone, petrolio). Anche la deforestazione incontrollata è pericolosa per il nostro ecosistema in quanto gli alberi assorbono anidride carbonica e rilasciano nell'atmosfera ossigeno. Tutti noi produciamo anidride carbonica, sia attraverso la nostra respirazione (quantità ininfluente e non dannosa per l'ambiente) sia attraverso i nostri consumi quotidiani: • Tenere una lampadina accesa per 4 ore produce 0,2 kg di CO2. • Fare una doccia significa espellere nell'aria 1 kg di CO2 • Fare un lavaggio in lavastoviglie equivale a farsi una doccia, 1 kg di CO2 nell'aria • Tenere un freezer in attività significa generare 40 gr di CO2 all'ora. • Percorrere 10 km con un'auto a benzina (13 km con 1 litro) equivale ad emettere 2 kg di CO2. • Riscaldare un appartamento di 60 m2 contribuisce ad emissioni pari a 20 kg di CO2 al giorno. Per questo motivo tutti noi siamo chiamati a responsabilizzare i nostri consumi evitando sprechi, perché così facendo eviteremo di inquinare l'ambiente attraverso le emissioni di anidride carbonica. Nel primo semestre del 2016 le emissioni di CO2 in Italia sono calate dell’1,4% a seguito di un minore ricorso ai combustibili fossili da parte dell’industria elettrica. A rivelarlo è l’ENEA nella sua ultima analisi trimestrale del sistema energetico italiano. I dati del primo semestre del 2016 evidenziano un calo del 6% nelle emissioni della generazione elettrica. Nella prima parte dell’anno il ricorso alle fonti fossili del settore è diminuito di ben il 20%. 4
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 E’ noto che la produzione di un kWh elettrico può essere fatta utilizzando diverse fonti d’energia. Ogni fonte può essere caratterizzata da un fattore che indica quanti kg di CO2 vengono immessi nell’atmosfera per produrre 1 kWh elettrico (questi fattori hanno delle variazioni che dipendono dalla specifica fonte di energia, dall’efficienza della singola centrale e da quella della rete di distribuzione). In funzione della tipologia di centrale elettrica, le diverse fonti d’energia sono: • Centrali termoelettriche: petrolio, gas naturale, carbone, rifiuti urbani biomassa, • Centrali nucleari: uranio arricchito. • Centrali idroelettriche: dislivelli d’acqua • Centrali geotermiche:. calore della terra • Centrali eoliche: vento • Centrali fotovoltaiche e solare termico: sole Ogni nazione possiede un mix di centrali elettriche che utilizzano diverse fonti d’energia, quindi il valore dei kg CO2/kWh sarà diverso per ogni nazione, questo fattore può essere utilizzato per calcolare i kg CO2 di emissioni evitate nell’ambiente nel paese in cui è installato l’impianto. La Circolare MICA del 2 marzo 1992, n. 219/F riporta le modalità di conversione, in base alle quali è stata preparata la tabella riassuntiva riportata a pag. 3 (i valori in essa contenuti vanno usati qualora non siano noti dati precisi sui poteri calorifici dei combustibili utilizzati). 5
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Delibera EEN 3/08 Aggiornamento del fattore di conversione dei kWh in tonnellate equivalenti di petrolio connesso al meccanismo dei titoli di efficienza energetica IN ITALIA L'AUTORITÀ PER L'ENERGIA ELETTRICA E IL GAS Nella riunione del 28 marzo 2008 decreta: Il nuovo valore del fattore di conversione dei kWh in tep è fissato pari a -3 0,187 X 10 tep/kWh = 0,187 tep/MWh In altri termini significa aver fissato il rendimento del sistema nazionale di produzione e distribuzione dell'energia elettrica al valore di circa il ; infatti dal dato numerico 46% sopra riportato si può ricavare quanto di seguito elencato. Per ottenere 1 MW di potenza elettrica è necessario consumare 0,187 tep/h (tonn/h di petrolio equivalente). Il Petrolio ha un valore del Pot. Cal. Inferiore pari a 11,6279 MWh/tonn e pertanto possiamo affermare che il rendimento è pari a: 1 = = = 0,46 . 0,187 11,6279 6
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Grammi CO2 per kWh di energia elettrica Emissioni di CO2, confronto tra varie fonti energetiche Questi dati rappresentano il valore medio di Kg di CO2 emessi per la produzione di un kWh di energia elettrica e calore utilizzando varie fonti d’energia, i dati variano in funzione del rendimento delle centrali elettriche. Fuel CO2 g/kWh 1 Other bituminous coal 840 2 Sub bituminous coal 930 3 Lignite brown coal 950 4 Patent fuel 860 5 Natural gas 380 I grammi di CO2 emessi per ogni kWh elettrico prodotto, dipende dal mix di centrali-fonti energetiche utilizzate per produrre energia elettrica. Country CO2 g/kWhel 1 USA 535 2 Germany 565 3 Italy 531 Quanti kg di CO2 vengono emessi nella combustione? Nel corso dei diversi processi di generazione di energia elettrica e di calore da fonti fossili (fonti tradizionali non rinnovabili), il carbonio contenuto nel combustibile viene integralmente trasformato in anidride carbonica tramite la reazione con l’ossigeno contenuto nell’aria. Si sottolinea come il caso delle biomasse sia da considerare in modo particolare: il combustibile di partenza contiene carbonio, e quindi genera CO2, ma lo stesso carbonio è quello che la biomassa ha sottratto all’atmosfera, fissandolo. 7
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Pertanto si può immaginare un “ciclo chiuso” della CO2, che non concorre ad aumentarne la concentrazione in atmosfera; il relativo “CO2 factor” è stato quindi convenzionalmente fissato a zero. Petrol gasoline, or benzin is composed of a mixture of 2,2,4-trimethylpentane (an isomer of octane C8H18 [octane rating 100]) and n-heptane (C7H16[octane rating 0]). Example of octane rating, petrol with the same knocking characteristics as a mixture of 95% iso-octane and 5% heptane would have an octane rating of 95. Diesel is composed of about 75% saturated hydrocarbons (primarily paraffins including n, iso, and cycloparaffins), and 25% aromatic hydrocarbons (including naphthalenes and alkylbenzenes). The average chemical formula for common diesel fuel is C12H23, ranging approximately from C10H20 to C15H28. Petrol (Gasoline): 2 C8H18 + 25 O2 --> 16 CO2 + 18 H2O + energy 2 mol C8H18(114 g/mol) --> 16 mol CO2(44 g/mol) => 2*114=228g --> 16*44=704g => 1000/228*704=3087.72g 1 kg of Petrol produce 3.088 kg of CO2. 1 litre of Petrol produce 2.22 kg of CO2. (3087.72*0.7197=2224.64 g) Diesel C12H23: 4 C12H23 + 71 O2 --> 48 CO2 + 46 H2O + energy 4 mol C50H93(167.3121 g/mol) --> 48 mol CO2(44 g/mol) => 4*167.3=669.25g --> 48*44=2112g => 1000/669.25*2112=3155.77g 1 kg of Diesel produce 3.16 kg of CO2. 1 litre of Diesel produce 2.63 kg of CO2. (3155.8*0.832=2625.6) Diesel C50H93: C50H93 + 193/4 O2 --> 50 CO2 + 93/2 H2O + energy 1 mol C50H93(694.27342 g/mol) --> 50 mol CO2(44 g/mol) => 694.27g --> 50*44=2200g => 1000/694.27*2200=3168.8g 1 kg of Diesel produce 3.17 kg of CO2. 1 litre of Diesel produce 2.64 kg of CO2. (3168.8*0.832=2636.44) LPG GPL: C3H8 + 5 O2 --> 3 CO2 + 4 H2O + energy 1 mol C3H8(44 g/mol) --> 3 mol CO2(44 g/mol) => 44g --> 3*44=132g => 1000/44*132=3000g 1 kg of LPG GPL produce 3 kg of CO2. Methane: CH4 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O + energy 1 mol CH4(16 g/mol) --> 1 mol CO2(44 g/mol) => 16g --> 44g => 1000/16*44=2750g 1 kg of Methane produce 2.75 kg of CO2. Methanol: CH3OH + 3/2 O2 --> CO2 + 2 H2O + energy 1 mol CH3OH(32 g/mol) --> 1 mol CO2(44 g/mol) => 32g --> 44g => 1000/32*44=1375g 1 kg of Methanol produce 1.38 kg of CO2. Ethanol: C2H5OH + 3 O2 --> 2 CO2 + 3 H2O + energy 1 mol C2H5OH(46 g/mol) --> 2 mol CO2(44 g/mol) => 46g --> 88g => 1000/46*88=1913.04g 1 kg of Ethanol produce 1.91 kg of CO2. 1 litre of Ethanol produce 1.51 kg of CO2. (1913.04*0.789=1509.4) Biodiesel Methyl Linoleate: C19H34O2 + (53/2) O2 --> 19 CO2 + 17 H2O + energy 1 mol C19H34O2(294.4739 g/mol) --> 19 mol CO2(44 g/mol) => 294.4739g --> 836g => 1000/294.4739*836=2839g 1 kg of Biodiesel C19H34O2 produce 2.84 kg of CO2. 1 litre of Biodiesel C19H34O2 produce 2.524 kg of CO2. (2839*0.889=2524) Biodiesel Ethyl Stearate: C20H40O2 + 29 O2 --> 20 CO2 + 20 H20 + energy 1 mol C20H40O2(312.5323 g/mol) --> 20 mol CO2(44 g/mol) => 312.5323g --> 880g => 1000/312.5323*880=2816g 1 kg of Biodiesel C20H40O2 produce 2.82 kg of CO2. 1 litre of Biodiesel C20H40O2 produce 2.489 kg of CO2. (2816*0.884=2489) 8
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Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 ESEMPIO N°1 IMPIANTO IDROELETTRICO DI NAZZANO: L’energia prodotta in un anno (denominata “PRODUCIBILITÀ”) dall’impianto di Nazzano è pari a: 82,8 x 1000 MWh/anno Se fosse stata prodotta in modo tradizionale (combustione e ciclo termico), utilizzando il valore del fattore di conversione dei kWh in tep fissato dall’autorità per l’Energia ed il gas, si avrebbe: ℎ = , [ / ] 82800 MWh/anno x 0,187 corrispondenti a ! 15483 Tep/anno x 3,17 = [ / ] E’ la quantità di CO2 risparmiata in un anno !!!! 10
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 ESEMPIO N°2 IMPIANTO FOTOVOLTAICO: Per ogni kW installato, presumendo un funzionamento annuo pari a 1500 h si può stimare una producibilità unitaria pari a 1500 kWh/kWinstallato Pertanto, sempre con riferimento ad ogni kW installato, laddove fosse utilizzata un utenza ENEL, utilizzando il valore del fattore di conversione dei kWh in tep fissato dall’autorità per l’Energia ed il gas, si avrebbe: 1,5 MWh x 0,187 ℎ = , [ ] !"#$ corrispondenti ad un consumo di CO2 pari a: 2 , x 3,17 = , [ ] E’ la quantità di CO2 risparmiata in un anno per ogni kW di “fotovoltaico” installato !!!! 11
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 ESEMPIO N°3 Emissioni di CO2 prodotte dal trasporto su veicoli Per calcolare la quantità di CO2 prodotta con la propria automobile in un anno, è sufficiente moltiplicare la distanza percorsa in kilometri, per il valore di emissioni g/km di CO2 della propria auto. Sul libretto di circolazione dell’automobile tra i dati forniti dalla casa costruttrice, è possibile trovare il dato sulle emissioni di anidrite carbonica (CO2) in grammi, prodotte per ogni kilometro, espresse in (g/km), queste sono riferite al ciclo combinato, il valore reale dipende dal tipo di utilizzo e dal proprio stile di guida. 12
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Calcolo emissioni reali in g/km della tua auto Le emissioni dei veicoli di trasporto (auto, moto, camion, bus, etc.) dipendono dal tipo di carburante e soprattutto dal consumo medio. La combustione del carburante produce anidrite carbonica ed acqua, e non esiste una marmitta in grado di ridurne il valore, per questo motivo è importante scegliere auto con consumi ridotti. I dati di emissione forniti dalle case automobilistiche fanno riferimento a prove standard riproducibili, ma per avere i dati esatti e reali dovresti utilizzare il convertitore sopra. Per esempio, se con la nostra auto utilitaria percorriamo 15000 km l’anno e questa produce 110 g/km in un anno emettiamo nell’atmosfera 1650 kg di CO2, mentre con un SUV da 230 g/km avremmo emesso 3450 kg di CO2. In questo momento in Europa il trasporto su strada rappresenta il 25-30 % delle emissioni di CO2, per ridurre l’inquinamento atmosferico, i fattori più importanti sono il consumo medio e il tipo di carburante. Quanti kg di CO2 vengono emessi nella combustione di un carburante per auto? Se non si conosce il valore di g/km del proprio veicolo, un altro metodo per conoscere le emissioni del proprio veicolo è quello di misurare i litri di combustibile consumati. Con una buona approssimazione possiamo dire che la combustione di un litro di benzina produce 2.3035 kg di CO2 (nella tabella 2 trovate altri dettagli), il valore dipende dalla miscela di idrocarburi ma non varia molto. L’aumento di peso dipende dal fatto che abbiamo considerato solo il combustibile, ma nella combustione dobbiamo aggiungere l’ossigeno O2. Tabella 2: Formule chimiche della combustione per i principali combustibili. I biocarburanti al contrario dei combustibili fossili contengono carbonio prodotto da nuovo materiale organico, quindi rilascia CO2 recentemente rimossa dall’atmosfera (ciclo chiuso), mentre bruciando combustibile fossile viene rilasciato biossido di carbonio rimosso dall’atmosfera milioni di anni fa, alterando l equilibrio esistente. Table 2: Density kg/l CO2 kg/l emessi Fuel Combustion formula (lb/US gal) (lb/US gal) 0.7197 kg/l 2.3035 kg/l Benzina 2 C8H8 + 25 O2 --> 16 CO2 + 18 H2O + 2636 kcal (6.073 lb/gal) (19.24 lb/US gal) 0.832 kg/l 2.6256 kg/l Diesel 4 C12H23 + 71 O2 --> 48 CO2 + 46 H2O + energy (6.943 lb/gal) (21.91 lb/US gal) 0.52 kg/l 3.0 kg/l GPL C3H8 + 5 O2 --> 3CO2 + 4 H2O + 531 kcal (4.34 lb/gal) (25.04 lb/US gal) 0.416 kg/l 2.750 kg/l Metano CH4 CH2 + 2 O2 --> CO2 + 2 H2O + 891 kJ/mol (3.47 lb/gal) (22.95 lb/US gal) 0.7918 kg/l 1.375 kg/l Metanolo CH3OH CH2OH + 3/2 O2 --> CO2 + 2 H2O + energy (4.63 lb/gal) (11.47 lb/US gal) 0.789 kg/l 1.506 kg/l Etanolo C2H5OH C2H5OH + 3 O2 --> 2 CO2 + 3 H2O + energy (6.58 lb/gal) (12.57 lb/US gal) 0.889 kg/l 2.839 kg/l Biodiesel C19H34O2 C19H34O2 + (53/2) O2 --> 19 CO2 + 17 H2O + energy (7.42 lb/gal) (23.69 lb/US gal) 0.884 kg/l 2.816 kg/l Biodiesel C20H40O2 C20H40O2 + 29 O2 --> 20 CO2 + 20 H20 + energy (7.38 lb/gal) (23.5 lb/US gal) 13
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 ESEMPIO N°4 Emissioni di CO2 prodotte da un impianto di cogenerazione Per calcolare la quantità di CO2 prodotta con questa tipologia di impianto occorre tener presente la contemporanea produzione di energia elettrica (Welettr) e di calore (Wterm) in sostituzione di una produzione separata: 14
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Immaginiamo di utilizzare una turbina a gas versione LM2500+G4 la quale offre una potenza all’asse pari ai 32 MW. Prestazioni, nelle condizioni previste dalle norme ISO (15 C°, livello del mare, UR 60%, nessuna perdita all'aspirazione o allo scarico): • carburante gasolio ……………………………….PCI = 11,8604 kWh/kg • potenza, albero d'uscita: ………………………………….32000 kW • cons. specifico carburante: ………………………………..217 g/kWh • rendimento Turbogas: ……………………………………..38,85 % • portata aria in entrata: …………………………………….70,1 kg/sec • temperatura gas di scarico: ………………………………566 C° Quindi a fronte di un consumo di “energia primaria” (combustibile) pari a 6944 kg/h di gasolio e corrispondenti a 7,4995 TEP/h e pertanto pari a 87,203 MW detto impianto è in grado di produrre energia elettrica e calore come di seguito elencato. Se Ipotizziamo pari al 2,85% le perdite elettriche interne al trasformatore ed alla distribuzione in rete), la potenza nominale elettrica si può assumere pari a (0,9715 x 32000) kW = 31,088 MWelettr. Se ipotizziamo inoltre le seguenti condizioni lato fumi lato caldaia a recupero: Portata dei fumi (aria + gasolio): Gfumi = (70,1*3600 + 0,217*32.000) Gfumi = 259304 kg/h 15
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Tfingresso = 566 °C Tfuscita = 140 °C a cui corrisponde un valore medio del calore specifico pari a circa Cspecifico = 0,26 kcal/kg °C Pertanto il calore che è possibile recuperare sarà pari a: = !"#$ !"#$ !"#$%&&' − !"#$%& =28,72 106 kCal/h= 33,396 MWTerm. COGENERAZIONE Dai dati sopra richiamati e tenuto conto che ogni kg di Gasolio produce bruciando 3,17 kg di CO2 , si può affermare che l’impianto di cogenerazione in oggetto consuma ogni ora energia primaria (gasolio) per un valore massimo non superiore a 6944 kg/h di gasolio equivalenti a 7,4995 TEP/h e corrispondenti ad una produzione massima non superiore a 22,012 tonn/h di CO2. Laddove le medesime quantità di energia elettrica e di calore fossero state prodotte in modo tradizionale e separato, ed utilizzando i valori del fattore di conversione rispettivamente pari a: • produzione tradizionale elettrica 2700 kg CO2/MWh elett • produzione tradizionale termica 2400 kg CO2/MWh Term si avrebbe: ENERGIA ELETTRICA (separata) Per assicurare la produzione oraria di energia elettrica pari a 31,088 MWh elettr l’ENEL consumerebbe la seguente quantità di energia primaria (combustibile): 31,088 MW elettr x 0,187 ℎ = , [ / ] producendo una quantità di gas serra corrispondente a ! 5,8134 ℎ x 3,17 = , [ ! ] ENERGIA TERMICA (separata) Per produzione oraria di CALORE pari a assicurare la 33,396 MWh term. occorrerebbero varie caldaie, una per ogni singola unità immobiliare. Se inoltre cautelativamente supponiamo un rendimento 16
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 della singola caldaia non inferiore a 0,9, si avrebbe un consumo di energia primaria (combustibile): 33,396 MW term 1 x = , [ / ] 0,9 11,6276 ℎ e producendo una quantità di gas serra corrispondente a tep 2 2 3,191 ℎ x 2,79 = , [ ℎ] Pertanto, a parità i energia elettrica e calore prodotti, con la produzione separata la quantità di gas serra si somma e risulta pari a: 2 , + , = , ℎ 2 mentre con la cogenerazione se ne generano , [ ℎ] 17
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 MOTORI a scoppio In generale, i motori a combustione interna producono monossido di carbonio (CO), anidride carbonica (CO2), ossidi di azoto (monossido NO e biossido NO2, globalmente indicati come NOx), idrocarburi derivati dalla parziale combustione del combustibile (genericamente indicati come HC), particelle solide portate in sospensione dai gas (dette particolato, e prodotte soprattutto dai motori Diesel) e prodotti derivanti dall'ossidazione di impurità contenute nel combustibile (quali, ad esempio, lo zolfo) Esaminiamo ora singolarmente i principali prodotti inquinanti emessi da un motore durante il suo funzionamento. Monossido di carbonio (CO): Il CO si forma molto rapidamente nella zona "di reazione" (ovvero in prossimità della candela, nei motori ad accensione comandata) come prodotto della combustione degli idrocarburi presenti nel combustibile; a sua volta, il CO è poi ossidato e diventa biossido di carbonio (CO2, ovvero anidride carbonica). La reazione di ossidazione da CO a CO2 è però sensibilmente più lenta di quella che genera il CO, ed inoltre è ostacolata dalla rapida diminuzione della temperatura nella fase di espansione. Il risultato è che non tutto il CO prodotto viene trasformato in CO2. È stato verificato come l'unica variabile motoristica in grado di influenzare in maniera apprezzabile la concentrazione di CO nei gas di scarico è il rapporto di miscela, ovvero il rapporto tra le quantità di aria e di benzina miscelate. La quantità di CO emessa da un motore aumenta rapidamente all'arricchirsi della miscela, mentre scende a valori bassi per miscele povere (in questo caso l'ossidazione del CO è favorita dall'eccesso di aria). Idrocarburi incombusti (HC): Durante la fase di compressione della miscela immessa nel cilindro, parte di essa viene imprigionata in piccole cavità (quali il piccolo volume tra cilindro, pistone e fasce elastiche) dove il fronte di fiamma generato dalla candela non riesce a giungere. Inoltre i depositi in camera di combustione, e l'eventuale velo di lubrificante aderente alle pareti del cilindro, assorbono idrocarburi dalla miscela aria-combustibile. Nel corso della fase di scarico questi idrocarburi (HC) incombusti vengono rigettati dagli interstizi in cui erano imprigionati, e rilasciati dalle porosità dei depositi e del velo di lubrificante; gli HC si miscelano quindi con i gas combusti presenti nel cilindro. In presenza di ossigeno, l'elevata temperatura porta all'ossidazione di buona parte di essi. I fattori che influenzano la quantità di HC presenti nei gas di scarico sarebbero, almeno teoricamente, assai numerosi; all'atto pratico però, le uniche variabili che influenzano sensibilmente la quantità di HC scaricati dal motore sono il rapporto aria-combustibile della miscela, e l'anticipo di accensione. Variando il rapporto tra la quantità di aria e quella di combustibile, si può fare in modo che la 18
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 combustione avvenga più o meno completamente e rapidamente: la situazione migliore per l'ossidazione degli HC incombusti è quella in cui c'è un eccesso di aria rispetto a quella teoricamente necessaria per "bruciare" il combustibile immesso nel motore (miscela povera). La temperatura massima raggiunta invece è maggiore se la miscela è ricca, pertanto la concentrazione di HC nei gas di scarico ha un minimo in corrispondenza di un valore del rapporto aria-combustibile un po' superiore di quello stechiometrico (mentre ad esempio il CO diminuisce con andamento monotono all'aumentare della quantità di aria presente nella miscela). L'influenza dell'anticipo dell'accensione della miscela (rispetto alla posizione di punto morto superiore, ovvero alla fine della compressione) entra in gioco in quanto, diminuendo tale anticipo, si ritarda il completamento della combustione, che così riesce a coinvolgere anche (almeno in parte) gli HC incombusti rilasciati durante la fase di scarico. Ossidi di azoto (NOx): Gli ossidi di azoto, tra i quali il monossido (NO) è in percentuale nettamente predominante (circa 98%), derivano dalla reazione di ossidazione tra l'azoto e l'ossigeno presenti nell'aria componente la miscela. Questa reazione avviene ad elevata temperatura (oltre 2000 K); la successiva rapida diminuzione della temperatura porta però al blocco delle reazioni chimiche che dovrebbero teoricamente scindere di nuovo ossigeno ed azoto. L'NO rimane quindi come costituente dei gas combusti. Anche in questo caso i parametri che influiscono sulla quantità di ossidi di azoto presente nei gas di scarico sono la temperatura massima raggiunta e la quantità di aria presente, pertanto avranno influenza il rapporto aria-combustibile e l'anticipo di accensione. Per quanto riguarda la quantità d'aria presente nella miscela, le temperature massime si raggiungono per miscele ricche; in questo caso la formazione di NOx è però ostacolata dalla bassa concentrazione di ossigeno. Il massimo di concentrazione di NOx nei gas di scarico si ha quindi per miscele debolmente magre. Diminuendo l'anticipo di accensione si abbassa anche la temperatura massima raggiunta in camera di combustione, ostacolando così il formarsi di NOx. Interventi per ridurre le emissioni di un motore Per ridurre le emissioni di un motore a combustione interna ad accensione comandata, in modo tale da rispettare le sempre più severe normative antinquinamento, bisogna cercare un compromesso con esigenze spesso contrapposte al contenimento delle emissioni, come la ricerca delle massime prestazioni, la riduzione dei consumi, la semplicità costruttiva e la riduzione dei costi. Per risolvere il problema vi sono vari interventi possibili, volti ad evitare la formazione dei gas nocivi (mediante il controllo del combustibile, della miscela introdotta e del processo di combustione) o ad eliminare le emissioni una volta che queste sono state prodotte (intervenendo sui gas di scarico). Si può intervenire sulla qualità del combustibile utilizzato, ad esempio eliminando zolfo e additivi a base di piombo dalle benzine. In questo modo si eliminano totalmente i relativi prodotti di combustione (che sarebbero assai nocivi) dai gas di scarico. Altra soluzione interessante è quella di utilizzare combustibili "alternativi", come ad esempio gli alcoli (che permettono una sensibile 19
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 riduzione degli NOx, ma emettono alcuni gas fortemente dannosi alla salute dell'uomo) o GPL e metano. Questi ultimi, che oltretutto sono più economici della benzina, danno luogo ad una minore produzione di sostanze inquinanti, a patto di essere utilizzati in motori "dedicati" (che permettano cioè di sfruttare al meglio le caratteristiche del diverso combustibile). Per quanto riguarda l'influenza di interventi sul sistema di alimentazione, ricordiamo che il CO emesso diminuisce in corrispondenza dello smagrimento della miscela aria-combusitibile. L'eccessivo smagrimento porterebbe però ad un irregolare funzionamento del motore, ed è per risolvere questi problemi che sono stati sviluppati i motori "a carica stratificata", che stanno prendendo piede soprattutto in campo automobilistico e permettono la regolare combustione di una miscela globalmente magra realizzando uno strato ricco vicino alla candela ed uno estremamente povero nelle zone più lontane. Smagrendo la miscela si riducono anche gli idrocarburi incombusti, mentre si aumenta la quantità di NOx presenti. Per ridurre gli ossidi di azoto è quindi necessario diminuire la temperatura massima di combustione, diminuendo opportunamente l'anticipo di accensione. Un'altra soluzione è quella di ricircolare i gas combusti in aspirazione, miscelando il 5 ¸ 15 % di gas combusti (prelevati dai condotti di scarico) alla miscela introdotta nella camera di combustione. I gas combusti sono una massa inerte che non prende parte alle reazioni di combustione, con il risultato di abbassare la temperatura dato che il calore prodotto si ripartisce su una massa maggiore di gas. La percentuale di ricircolo ottimale varia a seconda delle condizioni di funzionamento del motore; il sistema di controllo deve essere in grado di inviare sempre la quantità ottimale di gas combusti all'aspirazione, ed inoltre di escludere il ricircolo quando non necessario (a motore freddo, ad esempio, le temperature sono già sufficientemente basse) o eccessivamente penalizzante per le prestazioni (condizione di massimo carico). Interventi sul processo di combustione prevedono l'impiego di rapporti di compressione elevati per favorire la combustione di miscele magre; inoltre, un opportuno progetto della camera di combustione permette di minimizzarne la superficie a parità di volume e a rendere minimi gli interstizi, in modo tale da ridurre la formazione di HC incombusti. Infine, agendo sulla turbolenza (swirl e squish) della miscela introdotta, si può migliorare la combustione, permettendo talaltro di ricircolare maggiori quantità di gas combusti. Gli interventi finora descritti sono efficaci nel ridurre le emissioni di sostanze nocive, ma per rientrare nei severi limiti imposti dalle norme, occorre eliminarle dai gas di scarico dopo la loro formazione. Il metodo più diffuso è l'impiego di un reattore catalitico, meglio noto come catalizzatore. Come dice il termine stesso, nel catalizzatore sono presenti sostanze catalizzanti, che sono in grado di accelerare la reazione di ossidazione degli inquinanti senza prendervi parte. Tra i più utilizzati vi sono ossidi di materiali nobili, come il platino, per ossidare CO ed HC, e composti a base di rodio per eliminare gli ossidi di azoto. In particolare, il catalizzatore trivalente permette di abbattere tutte le sostanze inquinanti presenti nei gas di scarico (CO, HC e NOx) alimentando il motore con una miscela aria- benzina in rapporto stechiometrico. Questo tipo di catalizzatore ha un range di funzionamento molto ristretto, e necessita quindi di un apposito circuito di retroazione a controllo elettronico che regola l'alimentazione in base alla quantità di O2 presente nei gas di scarico: è evidente quindi come l'utilizzo del catalizzatore a tre vie imponga di alimentare il motore con un impianto di iniezione elettronica. Inoltre è necessario utilizzare benzine senza additivi a base di piombo, che come ben noto "avvelena" il catalizzatore reagendo con la sostanza catalizzante. 20
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 L'argomento della riduzione degli inquinanti è di sicuro interesse e di grande attualità; il presente articolo, per la stesura del quale si è fatto riferimento soprattutto al testo "MOTORI A COMBUSTIONE INTERNA" (Ed. Il Capitello - aut. Gianfranco Ferrari, docente del Politecnico di Milano), vuole solamente dare un'idea dei complessi meccanismi che stanno alla base della formazione delle sostanze inquinanti e di alcuni metodi per ridurne le emissioni. Perché è più inquinante il diesel della benzina? Come sono le emissioni dei motori diesel? La domanda – a cui peraltro molti studi scientifici hanno già dato una risposta – è sempre la stessa: perché il diesel è più inquinante della benzina e quali sono gli effetti sulla salute umana? E visto che negli ultimi anni molti ricercatori hanno portato alla luce le evidenze scientifiche della sua pericolosità, quali sono le differenze tra un motore a gasolio e uno a benzina? La prima differenza macroscopica tra questi carburanti è il tipo di emissioni che producono. I motori a gasolio, di fatto, producono una minore quantità di CO2 (-10/15% rispetto ai benzina) ma generano anche molto più ossido di azoto – il NOx – e polveri sottili (il cosiddetto particolato) che se non trattenute dagli appositi filtri, possono disperdersi nell’atmosfera in una quantità fino a 1.000 volte superiore rispetto a quelle rilasciate dai propulsori alimentati a benzina. In tal senso, dunque, i motori diesel sono infinitamente più inquinanti dei benzina e molto più pericolosi per la salute umana. Va detto che in virtù di queste peculiarità i motori alimentati a gasolio devono essere accessoriati di filtri anti-particolato, così come imposto dalle normative attualmente vigenti. I filtri anti-particolato, infatti, sono gli unici in grado di trattenere una grande quantità di sostanze inquinanti prodotte durante la combustione e rilasciate nell’atmosfera, limitando quindi l’impatto ambientale dei motori a diesel e riducendo il potenziale inquinante a un valore pari, se non inferiore, a quello di un motore a benzina. Considerando, poi, che a parità di potenza il diesel assicura consumi più ridotti (fino al 40% in meno rispetto alla benzina) e migliore performance, i numeri dicono che i motori diesel sono ecologicamente più sostenibili rispetto ai tradizionali propulsori a benzina. Per questi motivi viene attualmente consigliata, oltre che imposta da diverse normative sul traffico, l’installazione di filtri antiparticolato: il più noto è il FAP, ideato già nel 2000 dal gruppo Peugeot Citröen. Questi filtri sono in grado di abbattere di 7 volte la massa (e di 10.000 volte il numero) delle particelle inquinanti emesse nell’atmosfera; la loro installazione permette quindi di limitare l’impatto inquinante dei motori diesel rendendolo pari, se non inferiore, a quello dei motori a benzina. Nel calcolo va considerato, infatti, anche il miglior rendimento del diesel, che può rendere i consumi di carburante anche del 40% inferiori rispetto a un motore a benzina, a parità di potenza. E’ per tutte queste ragioni che fino a pochi anni fa le normative introdotte in tema di inquinamento hanno incentivato gli investimenti delle case automobilistiche sul diesel, nonché spinto alcuni gruppi a mettere a punto filtri anti-particolato sempre più innovativi e performanti. L’introduzione dei filtri e di altri sistemi per limitare l’inquinamento ha spinto le case automobilistiche a investire sulle motorizzazioni diesel, lanciando sul mercato nuovi modelli e assicurandosi un immediato rientro economico. 21
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Lo scandalo Volkswagen e i suoi test ‘pilotati’ mettono però tutto di nuovo in discussione. Si tornerà alla benzina o sarà spinta l’auto a motore elettrico e le ibride? Normative europee (UE) sulle emissioni per autovetture La legislazione Europea sulle emissioni dei veicoli stradali è stata sviluppata a partire dagli anni ’70, introducendo una serie di regolamenti e direttive riguardanti le procedure normalizzate, le strumentazioni da impiegare e i limiti delle emissioni da rispettare. La sua struttura risulta essere molto articolata, andando a regolare diversi aspetti, soprattutto per quanto riguarda gli autoveicoli leggeri (autovetture e veicoli commerciali). Le autovetture, rientrano nella categoria internazionale M1 cioè nei veicoli destinati al trasporto di persone, aventi al massimo otto posti a sedere oltre al conducente, con una massa complessiva inferiore a 3,5 t. Elenco normative per le automobili Normativa Euro 0 : Data: fino al 31/12/1992 Tutte le auto prive di catalizzatore Normativa Euro 1 : Data: Ottobre 1994 Limiti di emissione: • 2,72 g/Km di monossido di carbonio : CO • 0,97 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,14 g/Km (solo motori diesel) di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione : 91/441/CEE, 91/542/CEE-A, 93/59/CEE Normativa Euro 2 : Data: Gennaio 1998 Limiti di emissione (motori a benzina): • 2,3 g/Km di CO • 0,5 g/km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti Limiti di emissione (motori diesel): • 1,0 g/Km di CO0,7 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,08 g/Km di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione: 91/542/CE-B, 94/12/CEE, 96/1/CEE, 96/44/CEE, 96/69/CE, 98/77/C 22
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Normativa Euro 3 : Data: Gennaio 2000 Limiti di emissione (motori a benzina): • 2,3 g/Km di CO0,15 g/km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,2 g/Km di idrocarburi incombusti (THC) Limiti di emissione (motori diesel): • 0,64 g/Km di CO • 0,56 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,5 g/Km dei soli ossidi di azoto • 0,05 g/Km di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione: 98/69/CE, 98/77/CE-A, 1999/96/CE, 1999/102/CE-A, 2001/1/CE-A, 2001/27/CE, 2001/100/CE- A, 2002/80/CE-A, 2003/76/CE-A Normativa Euro 4 : Data: Gennaio 2005 Limiti di emissione (motori a benzina): • 1,0 g/Km di CO0,08 g/km di ossidi di azoto • 0,10 g/Km di idrocarburi incombusti (THC) Limiti di emissione (motori diesel): • 0,50 g/Km di CO • 0,30 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,25 g/Km dei soli ossidi di azoto • 0,025 g/Km di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione: 98/69/CE-B, 98/77/CE-B, 1999/96/CE-B, 1999/102/CE-B, 2001/1/CE-B, 2001/27/CE-B, 2001/100/CE-B, 2002/80/CE-B, 2003/76/CE-B 23
Docente: prof. ing. GUIDO CAMPONESCHI EISSIONI INQUINANTI rev. 0 data: 04/03/2017 Normativa Euro 5 : Data: Settembre 2009 Limiti di emissione (motori a benzina): • 1,000 g/Km di CO • 0,060 g/km di ossidi di azoto • 0,100 g/Km di idrocarburi incombusti(THC) • 0,068 g/Km di idrocarburi incombusti (NMHC) • 0,005 g/Km di particolato (iniezione diretta) Limiti di emissione (motori diesel): • 0,50 g/Km di CO • 0,23 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,180 g/Km dei soli ossidi di azoto • 0,005 g/Km di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione: 1999/96/CE, 2001/27/CE, 2005/78/CE, 2006/51/CE Normativa Euro 6: Data: settembre 2014 per quanto riguarda il rilascio dell'omologazione e dal 1° settembre 2015 per quanto riguarda l'immatricolazione e la vendita dei nuovi tipi di veicoli. Limiti di emissione (motori a benzina): • 1,000 g/Km CO • 0,060 g/km di ossidi di azoto • 0,100 g/Km di idrocarburi incombusti (THC) • 0,068 g/Km di idrocarburi incombusti (NMHC) • 0,005 g/Km di particolato (iniezione diretta) Limiti di emissione (motori diesel): • 0,50 g/Km di CO • 0,17 g/Km di ossidi di azoto e idrocarburi incombusti • 0,08 g/Km dei soli ossidi di azoto • 0,005 g/Km di particolato Sigle presenti sul libretto di circolazione: 2007/715/CE, 2008/692/CE 24
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