Exergia e pompe di calore

From: Umberto Bellotti <umby.b_at_tin.it>
Date: 1999/01/05

Per valutare correttamente quale sia il modo "migliore" di produrre calore
occorre riferirsi a due grandezze termodinamiche che sono il rendimento e
l'entropia. Poich� l'energia non si crea n� si distrugge ma si trasforma (e
non chiedermi se questa � una legge fisica o un postulato altrimenti ci
vuole un'altro messaggio per rispondere!), la prima domanda che ci si pone
�: quanta energia devo spendere per produrre energia della forma desiderata?
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 � 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, perci� un
rendimento tipico � di circa l'80%. Questo modo di scaldare, molto pratico,
non comporta alcun ciclo termodinamico. Ci� significa che quello che faccio
� semplicemente innalzare l'energia interna dell'ambiente producendo energia
in esso. La stufa scambia calore solo con l'ambiente interno; infatti, se
non perdessi energia nei fumi, il rendimento diventerebbe del 100%. Ora, la
termodinamica insegna che c'� una altro modo per ottenere calore: spostarlo!
Ovvero, prendere calore da una sorgente fredda e cederlo ad una calda.
Questo processo contrasta evidentemente con la tendenza all'equilibrio,
poich� il calore tende a passare dalla sorgente calda a quella fredda. Ci�
suggerisce che dovr� fare un certo lavoro per produrre questo spostamento
"innaturale", ovvero fornire energia. Il punto cruciale � che per spostare
una certa quantit� 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" pu� 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. Ora, compreso
che per generare calore � pi� conveniente energeticamente spostarlo, rimane
da scegliere la fonte del lavoro da fornire al sistema. Un motore elettrico
� certamente la scelta mogliore, poich� ha rendimenti dell'ordine del 90%
(il rapporto tra la potenza meccanica sviluppata e quella elettrica
fornita). E' vero che l'energia elettrica pu� 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 elettricit� � un processo a basso rendimento
per ora). La seconda domanda �: quanto entropia produco nel generare il
calore che mi serve? Il processo di combustione nella stufa produce molta
entropia, ovvero � fortemente irreversibile. Ci� significa che, una volta
bruciato il combustibile, il calore a bassa temperatura prodotto non pu� pi�
(con rendimenti accettabili) venire trasformato in energia chimica del
combustibile prima della combustione. Questa irreversibilit� apre il
problema delle fonti energetiche, che si riducono sempre pi� (il petrolio
finisce, etc etc..). Un ciclo termodinamico a pompa di calore, invece, �
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
ricuperer� tutta l'energia spesa precedentemente come lavoro dal motore, ma
parte s�. Nella nostra societ�, le considerazioni di parziale reversibilit�
dei processi termodinamici sembra caduta di moda, ma occorre sempre
ricordare che � dovere di ognuno di noi propendere per trasformazioni che
siano il pi� 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.

Piero Roello ha scritto nel messaggio
<76r8mo$dnk$1_at_fe2.cs.interbusiness.it>...
>
>1) Chi sa spiegarmi in poche parole il concetto di exergia?
>2) Ho letto su un testo di fisica che � 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?) � pi� conveniente
>utilizzare per innescare il ciclo della pompa?
>E' meglio, per es., un motore elettrico (l'autore diceva anche che
l'energia
>elettrica � la forma pi� "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 ? Cio� un kW elettrico non deriva nella maggiorparte dei casi da una
>certa quantit� di energia da combustibile (che quantit�?).
>
>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 � possibile che alcuni dei vantaggi tanto declamati derivino pi� da
>scelte di politica energetica che da veri vantaggi energetici? (Es. dei
>pannelli fotovoltaici che per essere prodotti hanno bisogno di una notevole
>quantit� di energia).
>
>Ciao e grazie. Piero.
>
>
Received on Tue Jan 05 1999 - 00:00:00 CET