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Motori a combustione interna alimentati a biogas: Caratteristiche energetiche e motoristiche del metano

Scritto da Raffaele Berardi il 18 novembre 2013

Rubrica: Automotive alternativo
Titolo o argomento: Da escrementi, rifiuti e scarti energia quasi pura da utilizzare

Note di carattere energetico

Un chilogrammo di gas naturale può sviluppare in seguito alla combustione circa 14,8 kWh di energia (tale valore varia in base all’effettiva composizione chimica), contro circa 12 kWh di energia sprigionati da un chilogrammo di benzina ed i 0,160 kWh accumulabili in un chilogrammo delle migliori batterie di tipo commerciale. Tali valori possono essere fuorvianti per i non addetti ai lavori in quanto è sempre opportuno considerare il rendimento delle diverse macchine motrici che sfrutteranno il contenuto energetico delle diverse fonti. Maggiore sarà il rendimento e minore sarà la quantità di energia necessaria di cui necessita il sistema (a parità di autonomia).

Ad esempio un motore a combustione interna ciclo Otto alimentato a benzina ha un rendimento del 28% circa a rodaggio ultimato (valore che può calare drasticamente in base alla qualità del motore, dei suoi organi ed al livello di cura e manutenzione dello stesso) contro un rendimento superiore anche al 90% dei migliori motori elettrici per la trazione (o meglio delle macchine elettriche rotanti). Sebbene la quantità di energia accumulabile sia nettamente maggiore su un veicolo con motore a combustione interna alimentato a benzina, quello elettrico non necessiterà mai di dosi così massicce di energia per percorrere la stessa distanza. Ipotizzando infatti che il veicolo alimentato a benzina necessiti di 5 kg di carburante per percorrere 100 km, esso sfrutterà qualcosa come 60 kWh di energia mentre un veicolo elettrico come la Tesla Model S utilizzerà la medesima energia per percorrere ben 370 km (verificate voi stessi).

Il metano è l’idrocarburo più leggero, la sua molecola ha un rapporto idrogeno/carbonio pressappoco doppio rispetto agli altri idrocarburi. Questo significa che a parità di energia utile generata produce il massimo di acqua ed il minimo di anidride carbonica. Bruciato in centrali e nei trasporti si traduce in una soluzione ecologica intermedia. Può inoltre essere utilizzato per la produzione di idrogeno mediante reforming minimizzando così i gas serra prodotti.

Note di carattere motoristico

Per quanto concerne i motori a combustione interna alimentati a gas è importante tener conto di alcuni valori in particolare (trovi qualche utile conversione al termine di questo articolo):

Benzina

Energia specifica (ottenuta dalla combustione): 12 kWh/kg.
Potere calorifico inferiore: 43,6 MJ/kg.
Numero di Ottano: 95.
Tonalità termica: 0,860 kcal per litro di miscela aria-carburante.
Dosatura stechiometrica: 14,8 kga/kgc.
Densità: 0,750 kg/dm^3.

Metano

Energia specifica (ottenuta dalla combustione): 14,8 kWh/kg.
Potere calorifico inferiore: 11.200 kcal/kg ≈ 47 MJ/kg.
Numero di Ottano: >100.
Tonalità termica: 0,820 kcal per litro di miscela aria-carburante.
Dosatura stechiometrica: 17,20 kga/kgc.
Densità: 0,716 kg/m^3.

Gas naturale (metano + contaminanti)

Contenuto: metano + contaminanti (etano, propano, butano, entano e azoto).
In Italia per l’autotrazione abbiamo: 99,5% metano, 0,1% etano e 0,4% azoto.
Potere calorifico inferiore del gas naturale contenente dall’83% al 99% di metano:
Hi=33,96 MJ/scm3 dove scm3 significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C,
Hi=39,79 MJ/Nm3 dove Nm3 significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.

Biogas (metano + CO2 + contaminanti)

Contenuto: metano (generalmente 50% – 80%) + anidride carbonica (fino al 30%) + contaminanti quali ammoniaca, azoto, idrogeno, idrogeno solforato, monossido di carbonio e ossigeno.

Il biogas non purificato contiene circa il 46% di metano.
Il potere calorifico inferiore del biogas non purificato vale: Hi=27,20 MJ/kg.

Il biogas purificato contiene fino al 95% di metano.
Potere calorifico inferiore del biogas purificato vale: Hi=37,7 MJ/kg.

La combustione del metano

Condizioni stechiometriche

Durante la combustione, in condizioni stechiometriche, il metano produce anidride carbonica, vapor d’acqua, ossidi di azoto NOx (l’aria infatti non è composta di solo ossigeno, essa è costituita per ben il 78% da azoto, per il 21% c.a. da ossigeno e per l’1% da altri gas) e minime quantità di radicali (CH3) che si ossidano e si ricombinano. Tale reazione di combustione non lascia residui solidi, non vi sono infatti zolfo o prodotti solforati in grado di generare anidride solforosa.

Miscela magra

Quando la miscela comburente combustibile è magra, ovvero la combustione avviene con un eccesso di aria rispetto alle condizioni stechiometriche, la percentuale di ricombinazione dei radicali CH3 è piuttosto bassa.

Miscela grassa

Quando la miscela comburente combustibile è grassa, ovvero la combustione avviene con un debito di aria rispetto alle condizioni stechiometriche, la percentuale di ricombinazione dei radicali CH3 diventa alta e si forma etano (C2H6). Dall’ossidazione dell’etano si forma acetilene (C2H2) che avvia il processo di formazione di fuliggine. Per fuliggine si intende l’insieme di quei composti carboniosi che rende particolarmente inquinanti i gas di scarico. In presenza di fuliggine inoltre l’acetilene non viene più ossidato ma polimerizzato dando luogo a poliacetileni. Più la miscela aria metano è grassa e più il fenomeno si aggrava.
Miscele grasse danno luogo anche alla formazione di monossido di carbonio, un gas tossico capace di impedire il funzionamento dell’emoglobina presente nel sangue.

Note sulle turbolenze in camera di combustione

In basso vengono riportare le immagini della simulazione eseguita da “InTech – Open Science” sulla combustione del metano in un ordinario motore a combustione interna. Viene inizialmente preso in esame il caso di un processo di combustione con turbolenza di tipo “tumble” e, successivamente, il processo di combustione con turbolenza di tipo “swirl”. Sinteticamente il risultato della simulazione evidenzia come nel primo caso (tumble, velocità della carica di 15 m/s, turbolenza iniziale pari a 250 rad/s e pressione di 20 bar) la combustione dell’intera carica sia ultimata in poco più di 1 millisecondo, la velocità più alta del flusso viene rilevata tra i due elettrodi della candela e la forma degli stessi non costituisce un particolare ostacolo. Nel secondo caso invece (swirl, velocità della carica di 15 m/s, raggio medio di rotazione pari a 1,5 cm con centro nella candela) la combustione della carica è fortemente influenzata dallo “swirl” e la velocità più alta del flusso viene raggiunta solo dal lato aperto degli elettrodi la cui forma genera una sorta di taglio del flusso (propagazione dei prodotti della combustione e della fiamma non uniforme, velocità del flusso tra gli elettrodi minore rispetto alla turbolenza di tipo tumble). Ne segue un prolungamento del processo di combustione, che dopo 4 millisecondi non è ancora completo, nonché maggiori perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri ed un minore rendimento termodinamico.

Conclusioni

La combustione del metano nell’autotrazione genera basse emissioni inquinanti solo quando il propulsore lavora con miscele magre o, al limite, stechiometriche. Se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo swirl non risulta particolarmente adatto per essere alimentato a metano. Ulteriori aspetti di carattere motoristico e analisi dei Pro e Contro sono trattati nel prossimo articolo di questa rubrica (vedi i link correlati).

Conversioni

1 J = 0,2388459 cal
1 cal = 4,1867999409 J
1 Nm3 = 44,61 moli
1 scm3 = 47,114 moli
scm3 significa metro cubo standard a 1,01325 bar a 15°C.
Nm3 significa metro cubo normale a 1,01325 bar a 0°C.

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combustione_metano_turbolenza_tumble_500px.png

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “tumble”
rispettivamente dopo 0,5 ms (sulla sinistra) e 1,2 ms (sulla destra).
Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science.
Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

combustione_metano_turbolenza_swirl_500px.png

Effetto della combustione della miscela aria metano con turbolenza “swirl”
rispettivamente dopo 1 ms (sulla sinistra) e 4 ms (sulla destra).
Simulazione CFD (Computational Fluid Dynamics) eseguita da InTech Open Science.
Image’s copyright: InTech – Open Science www.intechopen.com

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