Categoria: Ingegneria, Tecnologie, Robotica, Meccatronica, Energia e Cenni di scienze

Il valore aggiunto delle TECNOLOGIE viste da un punto di vista ingegneristico: Tecnologie edili, meccaniche, motoristiche e dei materiali. Cenni di scienze accompagnano l’approfondimento dei concetti fondamentali.

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Motori a combustione interna alimentati a biogas: Il sistema motore-generatore Doosan Infracore

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

All’inizio di questa rubrica abbiamo visto le differenze tra gas naturale e biogas ed abbiamo analizzato i metodi di produzione ponendo particolare attenzione a quelli impiegati per il biogas. Ora, una volta ottenuto il gas, una volta operato il miglior filtraggio possibile dagli elementi contaminanti e una volta immagazzinato in appositi silos, è possibile utilizzarlo come combustibile su specifici motori a combustione interna studiati per l’abbinamento con un generatore elettrico al fine di produrre energia elettrica e/o calore.

La Doosan Infracore è un’azienda coreana rara nel suo genere, è infatti in grado di prendere motori di cilindrate considerevoli già presenti sul mercato e trasformarli in gruppi moto-generatori alimentabili a gas naturale operando opportune modifiche agli accessori motore, all’elettronica di controllo ed a parte delle componenti meccaniche coinvolte nel processo di combustione. Volendo è possibile anche l’alimentazione a biogas operando ulteriori modifiche. In questo caso viene esposto il curioso caso di un motore Daewoo ciclo Diesel 8 litri 6 cilindri in linea destinato ai mezzi pesanti e trasformato dalla Doosan in un moto-generatore ciclo Otto alimentato a gas.

Ciclo

Il motore che siamo andati a studiare è installato presso un impianto di depurazione urbano delle acque reflue. Il ciclo di produzione del biogas dalle acque reflue viene esposto in maniera chiara e sintetica nell’articolo specifico di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas.“

Da notare che il ciclo parte prelevando gas metano dall’ordinaria rete di distribuzione al fine di alimentare le caldaie che permetteranno la digestione della frazione solida di refluo da destinare alla produzione di biogas. Una volta prodotto un volume sufficiente di biogas, questo viene suddiviso nella frazione che alimenterà il motore a combustione interna e la frazione che alimenterà le caldaie dedite alla digestione.

Moto-generatore a biogas Doosan Infracore
Specifiche motore
Motore 6 cilindri in linea, 4 tempi, ciclo Otto (canne riportate).
Alesaggio: 111 mm.
Corsa: 139 mm.
Cilindrata: 8071 cc.
Rapporto geometrico di compressione: 10,5:1.
Sovralimentazione mediante turbocompressore e intercooler aria/acqua.
Raffreddamento a liquido.
Alimentazione con miscela stechiometrica, iniezione indiretta.
Accensione comandata da una candela per cilindro.
Ordine d’accensione: 1-5-3-6-2-4.
Accensione: 13° prima del punto morto superiore.
Sistema di mantenimento del regime di rotazione costante al variare del carico.
Valvole per cilindro: 2 in testa.
Rotazione manovellismo: in senso antiorario guardando dal volano.
Massa motore: circa 750 kg a secco.
Prime power a 1500 giri/min: 128 kWm.
Standby power a 1500 giri/min: 141 kWm.
Prime power a 1800 giri/min:  150 kWm.
Standby power a 1800 giri/min: 165 kWm.
Specifiche generatore
Fasi: 3
kVA: 150 a 1500 giri/min
kVA: 180 a 1800 giri/min
Hz: 50/60
Cosphi: 0,8
Volt: 115 / 200 / 230 / 400
Ampere: 753 / 433 / 377 / 217
Massa generatore: 491 kg
IP: 21
Temperatura ambiente di lavoro: Max 40°C
Aspetti energetici
Consumi di carburante

I consumi sono espressi in Nm3/h ovvero in metri cubi normali all’ora. I valori fanno riferimento al gas naturale con contenuto di metano del 99% circa ma variano in misura tutto sommato trascurabile se viene impiegato biogas purificato con contenuto di metano del 95% circa.

25% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 32 kWm: 13,3 Nm3/h
50% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 64 kWm: 17,8 Nm3/h
75% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 96 kWm: 24,3 Nm3/h
100% del prime power a 1500 giri/min, ovvero erogando 128 kWm: 31,8 Nm3/h
25% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 37,5 kWm: 13,9 Nm3/h
50% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 75 kWm: 21,8 Nm3/h
75% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 112,5 kWm: 29,9 Nm3/h
100% del prime power a 1800 giri/min, ovvero erogando 150 kWm: 38,5 Nm3/h
Note sull’energia impiegata e prodotta

Per intenderci a 1500 giri/min questo motore, montato su un mezzo pesante, permette di percorrere 80 chilometri in un’ora. Questo dato ci servirà per capire successivamente l’equivalente in strada percorsa ricavato dalle ore effettive di funzionamento.

Erogando una potenza costante di 128 kWm, con il 100% del carico a 1500 giri/min, in un’ora viene impiegata un’energia pari a 128 kWh ottenuta dalla combustione di 31,8 Nm3 di gas naturale.

Considerato che 31,8 Nm3 di gas naturale (costituito dal 99% c.a. di metano) hanno una massa di c.a. 22,75 kg, ciò significa che la combustione di ogni chilogrammo di gas naturale genera in questo motore, con il 100% del carico a 1500 giri/min, un’energia fruibile all’albero di 5,62 kWh (l’energia dissipata in calore, attriti, rumore, vibrazioni, ecc. è già stata sottratta infatti l’energia prodotta dalla combustione di un chilogrammo di metano vale 14,8 kWh).

Considerato per l’appunto che 1 kg di metano sviluppa in seguito alla combustione 14,8 kWh di energia, significa che il motore, arrivando a quota 5,62 kWh, ha un rendimento del 38% (grazie al fatto che lavora sempre ad un regime costante ed ogni singolo dettaglio è ottimizzato affinché il motore esprima il meglio di sé in questa data condizione). Ricapitolando quindi:

La combustione di 1 kg di metano sviluppa 14,8 kWh di energia complessiva.
La combustione di 1 kg di metano nel motore analizzato genera 5,62 kWh fruibili all’albero.
Si ottengono 128 kWh fruibili all’albero bruciando 22,75 kg di metano a 1500 giri/min.
Si ottengono globalmente 336,7 kWh dalla combustione di 22,75 kg di metano.
Il rendimento complessivo del motore a c.i. è pari al 38%.

La potenza di 128 kWm è riferita al valore disponibile in uscita dall’albero motore a combustione interna quando il regime di rotazione è di 1500 giri/min ed il carico è al 100%. In realtà, nelle medesime condizioni, in uscita dal generatore elettrico accoppiato si ha una potenza di circa 109 kWe (se il rendimento della macchina elettrica è pari all’85% circa).

Pertanto per i consumi di gas si deve far riferimento alla potenza erogata dal motore a c.i. mentre per la vendita dell’energia elettrica prodotta si deve far riferimento alla potenza in uscita dal generatore elettrico.

Il gruppo moto-generatore analizzato in questo articolo viene tenuto in moto 20 ore al giorno, ciò significa che quotidianamente, nel suo funzionamento costante, produce 2180 kWh di energia elettrica (109 kWe x 20h) se impiegato al regime di 1500 giri/min con carico massimo.

Nel passaggio dall’utilizzo di gas naturale all’utilizzo di biogas tutto il conteggio va rieseguito nuovamente sulla base della resa energetica fornita dal biogas (diverso da caso a caso a seconda delle sostanze iniziali utilizzate per la digestione anaerobica, del livello di purificazione ottenuta e dei contaminanti rimasti) che comporta ovviamente diversi consumi, differenti produzioni di energia elettrica nonché differenti problematiche tecniche che vedremo nel prossimo articolo di questa rubrica.

Tecnica
Curiosità

Il motore originario è un Daewoo ciclo diesel destinato a mezzi pesanti e trasformato in motore ciclo otto a gas (da abbinare ad un generatore elettrico) dalla coreana Doosan Infracore. La trasformazione da ciclo Diesel a ciclo Otto si è operata in particolar modo inserendo le candele al posto degli iniettori e la ruota fonica al posto della pompa del gasolio.

Il motore è dotato di acceleratore elettronico ed una cabina di controllo che rileva ogni tipo di anomalia sia sul motore a combustione interna che sul generatore. Variazioni del regime di rotazione nell’intorno dei 50 giri/min generano un segnale di errore (il motore deve girare regolarmente in maniera costante ed operando nel range di temperature previste).

Un sistema di preriscaldamento impedisce al motore di essere avviato se prima non è stato scaldato il fluido refrigerante. Ciò permette di controllare la combustione ed i prodotti che ne derivano.

Utilizzo medio del moto-generatore pari a 20h/giorno.
128 kWm potenza meccanica all’albero a 1500 giri/min con il 100% del carico.
109 kWe potenza elettrica fornita dal generatore a 1500 giri/min con il 100% del carico.
Picchi di energia prodotta in un giorno pari a 2180 kWh.
Picchi di consumo gas: max 455 kg.
Energia prodotta mediamente in un giorno: compresa tra 1150-1730 kWh.
Massa di gas consumato mediamente in un giorno: compresa tra 255-350 kg.
Ricapitolando quindi:
Intervallo di tempo considerato pari a 20h.
Regime di rotazione considerato pari a 1500 giri/min.
Carico considerato pari al 100%.

Il consumo di gas da parte del motore a c.i. corrisponde a: 455 kg.
L’energia sviluppata alla combustione da una tale massa di gas vale: 6734 kWh
Il rendimento del motore a c.i. è: 38%
Il rendimento del generatore è: 85%
Il rendimento complessivo del moto-generatore è: 0,38 x 0,85 = 0,32 (32%)
L’energia resa disponibile dal moto-generatore in 20h vale: 2180 kWh
 Dal confronto tra l’energia sviluppata in seguito alla combustione della massa di gas consumata e quella fruibile si ottiene la conferma che il rendimento del moto generatore è:
6734 kWh : 100% = 2180 kWh : x, dove  l’incognita risulta nuovamente (ed ovviamente) x=32%.

Manutenzione e revisioni

Il cambio dell’olio motore e delle candele viene effettuato una volta ogni settimana anche se l’intervallo può essere esteso, al limite, a 10 giorni.

Viene impiegato olio lubrificante speciale appositamente additivato per offrire un elevato grado di affidabilità anche in seguito alla combustione di biogas con tracce di contaminanti.

Analisi chimiche settimanali dei prodotti della combustione e dell’olio motore sono importanti per conoscere l’andamento della combustione ed eventuali anomalie nel processo di filtraggio del biogas.

Ogni 20.000 ore di funzionamento (equivalenti ad oltre un milione e mezzo di chilometri) il motore viene completamente smontato, revisionato, rettificato e controllato in ogni sua parte. Si procede poi al riassemblaggio ed alla messa in moto che può richiedere anche un’ora prima che tutti i parametri siano a posto e la centrale di controllo dia l’ok per l’avvio.

Ogni due cambi d’olio, ovvero circa ogni 3 settimane, si effettua il registro delle valvole.

Problematiche tecniche

Maggiori informazioni disponibili su richiesta

Al primo utilizzo alimentando il motore a biogas anziché a gas naturale, si sono manifestati seri problemi di affidabilità e rotture. Dopo un funzionamento di sole 2000 ore (equivalenti a circa 160.000 km) gli organi dotati di boccole si sono degradati in maniera anomala. Il problema è stato completamente studiato e risolto.

Al secondo utilizzo, una volta effettuate le dovute ricerche sulle cause, e risolti tutti i problemi, il motore ha lavorato per ben 22000 ore (equivalenti a circa 1.760.000 km) senza guasti né problemi di sorta.

Da notare l’erosione marcata della battuta delle valvole in seguito alla combustione del gas, leggermente minore quella delle sedi e delle guide delle valvole.

Per quanto concerne i vantaggi e gli svantaggi dell’utilizzo del gas naturale come carburante puoi leggere il relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano” tenendo conto del fatto che nel passaggio dall’uso del gas naturale al biogas alcune problematiche si aggravano e richiedono opportuni adeguamenti.

Maggiori informazioni disponibili su richiesta

Aspetti economici
Vantaggio economico

L’azienda in questione produce 2180 kWh giornalieri di energia elettrica se il motore è impiegato al regime costante di 1500 giri/min con il carico massimo (20h/24 di funzionamento). Dell’energia prodotta 1000 kWh vengono messi in rete (circa 50 kWh ogni ora), e quindi venduti, e circa 1180 kWh vengono utilizzati per alimentare i propri impianti. La società elettrica paga circa 0,3 Euro per ogni kWh prodotto e messo in rete. Moltiplicando per i 1000 kWh (ovvero 1 MWh) messi in rete giornalmente si ottiene un’entrata lorda di 300,00 Euro al dì, più il risparmio offerto dall’energia autoprodotta ed utilizzata per alimentare gli impianti aziendali. In realtà l’energia prodotta giornalmente è sempre minore dei valori sopra citati al fine di tenere il motore in sicurezza e garantire la massima affidabilità e durata nel tempo.

Il prezzo di acquisto dell’energia da parte delle società elettriche (circa 300,00 Euro al MWh) fa riferimento a tariffe che variano in base alla potenza di picco dell’impianto ed alla fonte dalla quale si ricava energia.

Ad oggi l’impianto in questione, tanto per fare un esempio, ha reso al lordo circa 380.000 Euro producendo oltre 1,2 milioni di kWh. Cifra dalla quale devono essere sottratte le spese di manutenzione settimanali, i ricambi, la manutenzione dell’impianto delle acque reflue, le tasse, gli stipendi degli operatori che vi lavorano, ecc.

Impegno economico
Costi sostenuti per installazione impianto.
Costi sostenuti per effettuare le ricerche e la risoluzione dei problemi.
Costi sostenuti per il corretto adeguamento del motore al funzionamento a biogas.

Il bilancio economico è nettamente a favore dell’utilizzo del biogas (o in alternativa del gas naturale) per la produzione di energia elettrica e/o calore mediante moto-generatori come quello preso in esame in questo articolo o, perché no, mediante turbine a gas se desidera andare oltre. Diversi sono i benefici su un mezzo di trasporto come un autoveicolo nel quale il reale risparmio, al termine della vita utile del mezzo, dipende fortemente da una moltitudine di fattori analizzati nel relativo articolo di questa rubrica “Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro della alimentazione a metano“.

Note
kWm: Esprime la potenza meccanica che il motore a combustione interna fornisce all’albero quando è a regime nominale.
kWe: Esprime la potenza elettrica che eroga il generatore quando il relativo motore a combustione interna è a regime nominale.
kVA: Massima potenza apparente che l’impianto può erogare verso la rete elettrica interna o esterna al sito di collocamento dell’impianto.

Prime power: è la massima potenza disponibile a carichi variabili per un numero di ore illimitato. La potenza media prelevabile durante un periodo di 24 h di funzionamento non deve superare l’80% della prime power dichiarata tra gli intervalli di manutenzione prescritti ed alle condizioni ambientali standard. E’ ammesso un sovraccarico del 10% per 1 ora ogni 12 ore di funzionamento.

Standby power: è la potenza massima disponibile per un periodo di 500 ore/anno con un fattore di carico medio del 90% della potenza standby dichiarata. Non è ammesso alcun sovraccarico per questo utilizzo.

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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Motori a c.i. alim. a biogas: Il vettore energetico.
Motori a c.i. alim. a biogas: Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas.
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Motori a c.i. alim. a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano.
Motori a c.i. alim. a biogas: Metodo pratico per il calcolo dei consumi a metano.
Motori a c.i. alim. a biogas: Il sistema motore-generatore Doosan Infracore.
Motori a c.i. alim. a biogas: Adeguamento e ottimizzazione per il funzionamento a biogas.
Motori a c.i. alim. a biogas: Conclusioni e sviluppi. – Articoli in modalità PRO

 Moto-generatore, alimentato a gas naturale oppure a biogas, Doosan Infracore.

Moto-generatore, alimentato a gas naturale oppure a biogas, Doosan Infracore.
1. Pompa dell’acqua. 2. Pistone. 3. Valvola di scarico. 4. Valvola di aspirazione.
5. Bobina di accensione. 6. Molla valvola di aspirazione. 7. Filtro aspirazione.
8. Molla valvola di scarico. 9. Coperchio delle punterie. 10. Testata. 11. Monoblocco.
12. Biella. 13. Punterie. 14. Albero a camme. 15. Paraolio posteriore. 16. Paraolio anteriore.
17. Pignone su albero motore. 18. Smorzatore di vibrazioni. 19. Pompa dell’olio.
20. Tubo aspirazione olio. 21. Coppa dell’olio. 22. Albero motore.
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Motori a combustione interna alimentati a biogas: Metodo pratico per il calcolo dei consumi a metano

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

Sebbene sul web brulichino domande al riguardo, nessuno potrà dirvi quanto si consuma “in generale” alimentando a metano un motore a combustione interna. Nessuno potrà dirvelo se non specificate nella vostra domanda che tipo di veicolo e che tipo di motore avete a disposizione, ma non solo, anche le condizioni di utilizzo (stile di guida, percorsi, situazione del veicolo, ecc.) sono fattori determinanti che influenzano abbondantemente il valore dei consumi. Voi chiedereste al bar quanto consuma più o meno un’auto a benzina? Immagino di no perchè vi aspettereste già domande del tipo: Quale auto? Con quale motore? Guidata dove e come? In che condizioni? Per il metano la logica è la stessa, tentare di fornire un numero pressappoco indicativo equivale a dare letteralmente i numeri.

Il metodo più semplice che un neofita può usare consiste nel sapere quanti litri di benzina consuma solitamente per percorrere 100 km (ipotizzando che percorra sempre gli stessi tratti di urbano, extraurbano, autostrada) per poi effettuare un semplice confronto energetico con i carburanti alternativi. Conoscere i litri di benzina consumati offre un’idea dell’energia totale impiegata dal vostro motore per effettuare il vostro “percorso tipo” di 100 km in quanto:

1 kg benzina = 12 kWh energia | 1 litro di benzina = 0,750 kg | 1 kg di benzina = 1,33 litri
1 kg metano = 14,8 kWh energia
inoltre
1 kg di benzina costa 2,50* Euro c.a.
1 litro di benzina (ovvero 0,750 kg) costa 1,80* Euro c.a.
1 kg di metano costa 1,00 Euro* c.a.

Quindi sapendo quanti litri di benzina consumate solitamente per percorrere 100 km sapete quanta energia impiegate per muovere il vostro veicolo, i vostri passeggeri, i vostri bagagli, ecc.. Conoscendo l’energia utilizzata e dividendola per l’energia specifica posseduta dal metano saprete così indicativamente di quanti kg di metano necessiterete per poter coprire il medesimo percorso. Moltiplicando poi per il costo unitario saprete la spesa totale e dividendo per i chilometri saprete il costo sostenuto per chilometro**.

*Nel momento in cui è stato scritto l’articolo.
**Non comprensivo dell’ammortamento dell’impianto e dei costi ordinari/straordinari di manutenzione.

In sostanza, ricapitolando

Rileva quanti litri di benzina utilizza la tua auto per percorrere 100 km e trasforma il totale dei litri di benzina impiegati in kg con una semplice proporzione.

Moltiplica la massa in kg di benzina utilizzata per l’energia specifica della benzina stessa (12 kWh/kg), ottieni quindi il valore dell’energia che impieghi solitamente per percorrere 100 km.

Dividi ora il valore dell’energia che utilizzi (per percorrere 100 km) per l’energia specifica del metano (14,8 kWh/kg), ottieni così la massa in kg di metano necessaria per coprire lo stesso percorso nelle stesse condizioni con lo stesso veicolo.

Cerca di arrotondare sempre i valori ottenuti a tuo sfavore (leggi le motivazioni al paragrafo “Fai attenzione a…”). Se cambi tipo di veicolo e motore la procedura rimane la medesima, quello che cambia sarà il valore iniziale dei litri di benzina utilizzati per percorrere 100 km

Un semplice esempio numerico

Ammettiamo che la vostra vettura sfrutti 5 kg di benzina (ovvero 6,6 litri) per percorrere 100 km del vostro tipico percorso. Ovviamente se moltiplicate i 6,6 litri per il costo al litro sapete la spesa che sostenete solitamente. Mettete ora questo dato da parte.

Quindi per coprire 100 km con il veicolo dell’esempio:

Benzina: 5 kg (6,6 litri) | 12 kWh x 5 kg = 60 kWh di energia utilizzata x coprire 100 km
60 kWh di energia richiesta | 14,8 kWh/kg energia fornita dal metano | 4 kg metano
quindi nel confronto abbiamo:
Benzina: 5 kg (6,6 litri) | 12 kWh x 5 kg = 60 kWh di energia utilizzata x coprire 100 km
Metano: 4 kg ( litri) | 14,8 kWh x 4 kg = 60 kWh di energia utilizzata x coprire 100 km
che in termini economici si traduce in:
100 km | Benzina 5 kg (6,6 litri) | 1,78 Euro/litro | 2,37 Euro/kg | 11,8 Euro totali | 0,118 Euro/km
100 km | Metano 4 kg | 0,98 Euro/kg | 3,92 Euro totali | 0,0392 Euro/km
Dati cautelativi:
100 km | Benzina 5 kg (6,6 litri) | 1,80 Euro/litro | 2,40 Euro/kg | 12 Euro totali | 0,12 Euro/km
100 km | Metano 4 kg | 1,00 Euro/kg | 4,00 Euro totali | 0,04 Euro/km
Fai attenzione a…

Infine sarà cautela di chi effettua i calcoli arrotondare ogni passaggio nel modo più sfavorevole in modo da avere dati quanto più vicini alla realtà (il risultato reale potrà così essere solo uguale o migliore di quello calcolato e non deluderà le aspettative). Bisognerà poi tener conto del fatto che l’impianto che si va ad aggiungere al veicolo implica una massa aggiuntiva di circa 100 kg che ovviamente influirà negativamente sui consumi di carburante. Il calcolo riportato poco sopra parte da una stima di consumo di 6,6 litri di benzina per percorrere 100 km, dato ricavato facendo riferimento ad una vettura con una massa pari a 1000 kg ed avente un motore aspirato 3 o 4 cilindri. Ovviamente se vengono aggiunti i 100 kg dell’impianto a metano per usufruire della nuova alimentazione più ecologica, i consumi saranno un po’ più alti, dei 4 kg riportati nell’esempio, per la maggiore massa gravante (come avere perennemente due ragazze a bordo, o due ragazzini o un atleta in forma). In ogni caso la procedura di calcolo è sempre la medesima anche se state considerando vetture e motori differenti, quello che cambierà sarà solo il dato iniziale dei litri necessari per percorrere 100 km con il vostro veicolo.

Per chi desidera essere particolarmente minuzioso va ricordato inoltre che i conti eseguiti prendono in considerazione la sola spesa per il carburante. In realtà il costo al chilometro per entrambi i carburanti diventa maggiore se si considera l’ammortamento delle spese di manutenzione che, nel caso dell’alimentazione a metano sono più alte (vedi l’articolo relativo “Pro e Contro dell’alimentazione a metano” nei Link correlati) e vanno aggiunte, tra le altre cose, al costo di ammortamento dell’impianto (se aggiunto in un secondo momento) o al prezzo più alto pagato per il veicolo (se dispone dell’alimentazione a metano di primo impianto), nonché ai maggiori costi assicurativi. Vanno infine sottratte agevolazioni o esenzioni bollo spalmate sui chilometri totali annui che percorrete in modo da ricavare il risparmio su ogni singolo km.

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Motori a combustione interna alimentati a biogas: Pro e Contro dell’alimentazione a metano

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

Come spiegato nel precedente articolo di questa rubrica (vedi i link correlati in basso) la combustione del metano nell’autotrazione genera basse emissioni inquinanti quando il propulsore lavora con miscele magre o, al limite, stechiometriche. In caso contrario le emissioni diventano particolarmente nocive. Inoltre, se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo “tumble”, la combustione completa del metano avviene in 1 millisecondo ed i prodotti della combustione (e la fiamma) raggiungono l’intera camera di combustione in modo omogeneo. Viceversa se il propulsore è progettato per lavorare con turbolenze di tipo swirl non risulta particolarmente adatto per essere alimentato a metano in quanto la propagazione dei prodotti della combustione e della fiamma non è uniforme e ciò comporta un impiego di tempo 4 volte superiore per completare la combustione con conseguenti perdite di calore attraverso le pareti dei cilindri ed una riduzione del rendimento termodinamico. Premesso questo, di seguito vengono riportati a mò di elenco i Pro e Contro “puramente oggettivi” cui va in contro il motore ciclo Otto di un veicolo dotato di doppia alimentazione benzina e metano*.

*Esistono infatti motori, seppur rari, progettati per l’esclusivo uso a metano. In tali motori alcune problematiche vengono notevolmente ridotte mentre altre permangono invariate.

Pro dell’alimentazione a metano

Elevato potere antidetonante. Ottima caratteristica per motori con elevato rapporto geometrico di compressione. Tuttavia, non essendo presenti in circolazione sulle nostre strade motori realizzati per girare solo ed esclusivamente a metano, questa caratteristica non è ancora sfruttata (eccezion fatta per i motori VW EcoFuel monovalenti con rapporto geometrico di compressione pari a 13,5:1).

Elevato rendimento termodinamico (potenzialmente maggiore del 10-15% rispetto a quello dei motori a benzina). Grazie al potere calorifico di 47 MJ/kg, ad una tonalità termica di 0,820 kcal/litro e ad un’energia specifica (sviluppata dalla combustione) pari a 14,8 kWh/kg (vedi l’articolo relativo alle caratteristiche energetiche e motoristiche del metano – link correlati in basso), tramite il metano un motore potrebbe sviluppare prestazioni superiori ad un motore a benzina tuttavia questa potenzialità non è raggiunta in quanto nei motori a doppia alimentazione impedirebbe il funzionamento a benzina (che accuserebbe forti problemi di detonazione) e richiederebbe un motore dedicato quasi esclusivamente al solo funzionamento a gas (vedi la VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania).
Inoltre il motore a combustione interna ciclo Otto è noto per l’enorme quantità di energia che disperde sotto forma di calore. Ciò significa che, senza organi studiati per trattenere la maggiore quantità di calore al fine di trasformarla in lavoro utile, si rischia di vanificare gli intenti ed aumentare quasi esclusivamente le perdite.
Infine è noto che i metalli invecchiano con il calore e le leghe attualmente utilizzate nella realizzazione degli organi dei motori accusano, talvolta, problemi di cedimento anche con le alimentazioni ordinarie.

Miscelazione combustibile (metano) comburente (aria) facilitata. Il metano essendo un gas si miscela con l’aria in aspirazione più agevolmente rispetto a quanto accade tra i combustibili liquidi nebulizzati e l’aria (non vi è quindi la formazione di condense lungo i condotti di aspirazione).

Assenza di fenomeni di diluizione a motore freddo. Il metano non ha la tendenza a combinarsi con l’olio lubrificante del motore a combustione interna. Va comunque detto che i produttori di oli lubrificanti non stanno a guardare e includono nei loro oli, già da parecchio tempo, specifici additivi che minimizzano la possibilità di diluizione della benzina o del gasolio nell’olio lubrificante in seguito a trafilaggi contenuti nei limiti dell’ordinario (avviamento a freddo e/o normale livello di usura del propulsore). Diverso è il discorso del biogas nel quale la presenza di contaminanti ha degli effetti disastrosi sulle proprietà dell’olio lubrificante il quale richiede specifiche correzioni e addizioni nella formula per garantire la corretta lubrificazione (questo tema verrà trattato in uno degli articoli finali di questa rubrica).

Elevato rapporto H/C, ovvero idrogeno su carbonio, che rende il metano un combustibile più pulito rispetto agli altri idrocarburi. Il rapporto H/C è pressappoco doppio rispetto agli altri idrocarburi ed a parità di energia utile generata produce il massimo di acqua ed il minimo di anidride carbonica.

Sicurezza in caso di fuoriuscite in quanto il metano non tende a ristagnare ma, anzi, volatilizza facilmente evitando rischi di esplosioni.

Maggiore disponibilità di metano in natura rispetto al petrolio.

Possibilità di ricavare metano da processi biologici rinnovabili.

Riduzione o esenzione bollo in diverse regioni per veicoli a doppia alimentazione o monovalenti a metano.

Il prezzo al chilogrammo del metano è più conveniente rispetto al prezzo al litro ad esempio della benzina, tuttavia è errato effettuare confronti con unità di misura differenti come spesso avviene quando si osservano le tabelle dei distributori. Un litro di benzina (ovvero 1 dm^3) ha infatti una massa di circa 0,75 kg cui fa riferimento il prezzo di vendita che pertanto non è direttamente confrontabile con 1 kg di metano. Il costo al chilogrammo della benzina pertanto vale (considerando il prezzo medio al litro di Novembre 2013):

1 kg di metano: 1,00 Euro c.a.

1 kg di benzina: 2,50 Euro c.a. (1 kg di benzina corrisponde a circa 1,33 litri)

E’ inoltre opportuno considerare quanta energia ricaviamo da 1 kg di metano e quanta da 1 kg di benzina:

1 kg di metano libera 14,8 kWh di energia

1 kg di benzina libera 12 kWh di energia

Vi sono tuttavia degli aspetti negativi che sono analizzati nei “Contro”.

Contro dell’alimentazione a metano

Il metano necessiterebbe in realtà di essere impiegato in motori ad elevato rapporto geometrico di compressione, quindi in motori costruiti ad hoc esclusivamente per l’alimentazione a metano. La soluzione a doppia alimentazione metano-benzina non permette di sfruttare al meglio le caratteristiche del metano. Soluzioni mirate più al metano, come nel caso della VW Caddy MaxiLife Ecofuel che circola in Germania, hanno fornito risultati migliori.

Ridotto rendimento volumetrico. La miscela gassosa riduce il riempimento dei cilindri con perdite di potenza (e quindi di velocità massima) del 10% circa durante l’alimentazione a gas rispetto alla potenza ottenibile durante l’alimentazione a benzina dello stesso motore. Sebbene per molti la perdita di velocità massima sia considerata una pecca, in realtà, data la presenza fondamentale del codice stradale che normalizza il traffico dei veicoli sulle strade è opportuno riconoscere che in realtà la velocità massima non rappresenta alcun problema. Ciò che invece diviene un fattore di rischio è la perdita di coppia massima esprimibile dal propulsore e che risulta fondamentale per compiere in breve tempo, ed in sicurezza, l’accelerazione necessaria per affrontare un sorpasso.

Assente lubrificazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente refrigerazione degli organi interni del motore al passaggio della carica.

Assente protezione degli organi interni del motore per la mancanza di additivi, altresì presenti nella benzina, in grado di formare uno strato protettivo che preserva ad esempio valvole e sedi valvole durante ogni chiusura ammortizzando l’urto.

Deterioramento precoce (per erosione, stress termico, indurimento) di valvole, sedi valvole, pistoni, elementi di tenuta, guarnizione della testata, paraoli delle valvole. Anche l’intera testata in seguito allo stress termico può fratturarsi (specie se presenta difetti di fonderia). Nel caso non vengano effettuate operazioni di manutenzione specializzata tramite opportune officine specializzate nella rettifica dei motori, le prestazioni tendono a calare drasticamente ed i consumi aumentano sia nel funzionamento a gas che a benzina.

La maggior parte dei costruttori non ha adeguato i propri motori per il funzionamento a metano e non ha raggiunto un’affidabilità analoga a quella maturata con l’alimentazione a benzina. In ogni caso, anche a seguito di un sufficiente adeguamento, un motore termicamente più sollecitato necessita di maggiori controlli e più frequentemente (costi da inserire in bilancio).

Spesso il risparmio quotidiano sul carburante viene reimmesso in bilancio in una volta sola quando il motore si danneggia e si arrivano a spendere anche cifre maggiori rispetto ai benefici inizialmente preventivati. Per questo il metano è particolarmente vantaggioso se si perccorre la maggior parte della strada in extraurbano e autostrada dando la possibilità di ammortizzare i maggiori costi di manutenzione e impianto anche in caso di rotture.

Un diverso uso di due analoghi veicoli alimentati a metano può offrire livelli di affidabilità nettamente differenti. Percorsi urbani stressano molto più un motore a gas rispetto ai percorsi extraurbani, percorsi con molte salite e discese hanno lo stesso effetto, uno stile di guida sportivo anche, così come viaggiare con il veicolo carico o comunque con diversi passeggeri porta quantomeno ad un usura precoce del gruppo valvole – sedi valvole con il risultato che quando la tenuta tra questi due organi viene a mancare calano le prestazioni e aumentano i consumi. Se le valvole non chiudono bene infatti, parte dell’energia generata dalla combustione viene dispersa nei condotti e la spinta sui pistoni si riduce. La mancata corretta chiusura delle valvole viene innescata dalle forti sollecitazioni termiche subite che alterano la superficie di contatto tra valvole e relative sedi. Questo accade anche con l’alimentazione a benzina ma il fenomeno si verifica dopo un chilometraggio nettamente superiore.

I costruttori di parti specifiche per i motori a combustione interna alimentati a gas sostengono che le sollecitazioni cui vanno in contro organi cruciali come le valvole e le sedi valvole in seguito alla combustione del gas sono analoghe a quelle subite da un potente motore da corsa durante una competizione (da qui la nascita di kit sedi valvole sinterizzati altamente resistenti che mantengono la funzionalità per chilometraggi maggiori).

Spesso si informa un automobilista, che fa installare un impianto di alimentazione a metano, della possibilità di aumentare l’intervallo chilometrico tra un cambio dell’olio e l’altro in quanto il metano non va a contaminare l’olio lubrificante. Ciò è vero solo in parte in quanto il metano non contamina l’olio lubrificante ma quest’ultimo perde comunque le sue proprietà per il motivo principale per cui è impiegato: l’attrito. L’olio infatti porta con sé microresidui metallici che ingloba durante il funzionamento del motore e che in buona parte deposita nel filtro apposito. Inoltre il tempo varia le proprietà di un olio lubrificante anche se la vettura rimane a lungo ferma e percorre pochi chilometri.

In base alla qualità del gas utilizzato questo può contenere dei contaminanti (o svilupparli in seguito alla combustione) che degradano precocemente le proprietà lubrificanti dell’olio (tema che affronteremo in un articolo appositamente dedicato di questa rubrica).

Costi assicurativi del veicolo più alti, con spinta verso il downsizing motoristico e tutte le problematiche che tale scelta comporta in termini di potenza specifica elevata, minore affidabilità e obsolescenza programmata.

Costi di aggiunta dell’impianto.

Costi di manutenzione dell’impianto

Costi legati all’adeguamento del motore a combustione interna (sostenuti praticamente da nessuno in quanto, ad oggi, solo una minima parte delle modifiche necessarie sono disponibili sotto forma di kit aftermarket con particolare riferimento a guarnizioni, valvole e sedi valvole).

Costi legati alla manutenzione straordinaria richiesta dal motore in seguito all’installazione dell’impianto.

Ulteriore massa a bordo (circa 100 kg) che grava sui consumi facendo perdere di per sé una parte del risparmio.

Necessità di tenere sempre un contenuto minimo di benzina.

Stoccaggio e trasporto del gas problematici rispetto ai combustibili liquidi (i problemi sono però nettamente minori per il biogas che solitamente è distribuito dove è prodotto).

Stazioni di servizio con l’automatico del metano non ancora disponibili in Italia.

Peso e ingombro del sistema di stoccaggio a bordo oltre quattro volte maggiore rispetto al sistema equivalente utilizzato per la benzina (il quale è comunque presente a bordo, si tratta quindi di masse aggiunte e non sostituite).

Autonomia limitata.

Quando conviene alimentare un motore a combustione interna a metano?

Quando si percorre la maggior parte della strada in extraurbano.
Quando non si viaggia carichi di merci, bagagli, attrezzi.
Quando non vengono occupati costantemente tutti i posti del veicolo.
Quando non si affrontano frequenti dislivelli e quindi non si viaggia a ridotte andature con un carico elevato sull’acceleratore.
Quando non si effettuano frequenti accelerazioni e si viaggia pressappoco a regime costante o con variazioni dolci.
Quando il motore non verrà utilizzato unicamente a gas ma percorrerà alternativamente lunghi tratti a benzina.
Quando il veicolo non ha una massa considerevole.
Quando il veicolo ha un’aerodinamica efficace.
Quando il motore ha già percorso diverse decine di migliaia di chilometri esclusivamente a benzina.
Quando si ha una guida diligente, rilassata e priva di colleriche accelerazioni.
Quando il motore è stato disegnato per generare una turbolenza di tipo “tumble” in camera di combustione.
Quando si comprende la necessità di effettuare opportuni adeguamenti sul motore (sostenendo i relativi costi) e/o interventi di manutenzione mirata (tramite personale preparato) agli organi maggiormente sollecitati.

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Motori a c.i. alim. a biogas: Conclusioni e sviluppi. – Articoli in modalità PRO

mezzi_pubblici_biogas_svezia.jpg

Lo studio di soluzioni “monovalenti” orientate sempre più al solo uso del gas naturale o
del biogas  ha portato allo sviluppo di accorgimenti tecnici che aumentano l’affidabilità
dei motori che ne fanno uso (come vedremo in uno dei prossimi articoli di questa rubrica).
Città come Linköping o Norrköping in Svezia alimentano la totalità dei mezzi pubblici
di trasporto (bus e tram) con biogas prodotto da sostanze di recupero.
Image’s copyright: Van Hool
Pubblicato il

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

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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Motori a c.i. alim. a biogas: Il sistema motore-generatore Doosan Infracore.
Motori a c.i. alim. a biogas: Adeguamento e ottimizzazione per il funzionamento a biogas.
Motori a c.i. alim. a biogas: Conclusioni e sviluppi. – Articoli in modalità PRO

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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Motori a combustione interna alimentati a biogas: Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas

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

Prima di iniziare a parlare degli aspetti motoristici che ruotano attorno alla combustione del gas naturale e del biogas, si è ritenuto opportuno completare la carrellata introduttiva circa i gas stessi e la loro produzione. Vengono infine proposti alcuni casi di impianti di particolare interesse tecnico e tecnologico presenti in diversi paesi del mondo (attenzione, in seguito potrebbero essere aggiunti a questo articolo ulteriori casi).

Ciclo di produzione del biogas

Semplificando all’ennesima potenza, al fine di rendere comprensibile il tema soprattutto ai non addetti al settore, si può schematicamente e sinteticamente affermare che il ciclo di produzione di biogas ha bisogno, ovviamente, di materia prima da cui partire per dar luogo agli opportuni processi di trasformazione che forniranno in uscita gas metano, anidride carbonica, agenti contaminanti da filtrare e, ove possibile, fertilizzante ricco di carbonio. La materia prima necessaria può provenire principalmente dal contenuto trasportato dalle acque reflue delle reti fognarie dei centri abitati (appositamente trattate nei depuratori), può venire dalla frazione organica dei rifiuti solidi urbani (sia da quelli appena raccolti, che non raggiungeranno quindi le discariche, che da quelli ormai già presenti nelle discariche stesse) e può provenire da liquami zootecnici prodotti negli allevamenti. Sebbene esistano anche altri metodi quelli appena citati sono da considerarsi al momento i più concreti e proficui.
Una volta ottenuta la materia prima da trasformare (stiamo parlando in ogni caso di materia prima di recupero, gratuita e rinnovabile) questa va trattata dividendo la parte solida da quella liquida. La parte solida verrà digerita in assenza di ossigeno (digestione anaerobica o fermentazione metanica) mentre la parte liquida potrà essere stoccata in appositi silos e riutilizzata nell’impianto oppure essere filtrata ed essere scaricata lungo le reti fognarie o impiegata per l’irrigazione o in processi industriali.
Inserita la biomassa nei digestori, assieme ad appositi nutrienti e le corrette flore batteriche, attivato il riscaldamento ed il mescolamento del preparato e create le condizioni ideali per l’ambiente di reazione, si ottengono (dopo circa 20 giorni per le basse velocità di crescita e di reazione dei microrganismi anaerobi) principalmente biogas pronto all’uso (in misura variabile dal 30 all’85% della materia organica introdotta) e fertilizzante.
La digestione anaerobica è un processo naturale complesso di biodegradazione di sostanze organiche in assenza di ossigeno (anaerobiosi) all’interno di digestori di dimensioni proporzionali al volume di sostanze da trasformare in biogas. La trasformazione avviene a carico di gruppi batterici specifici lungo 3 fasi che hanno luogo in successione: idrolisi, fermentazione e metanogenesi.

Durante l’idrolisi batteri denominati “idrolitici” demoliscono i composti organici complessi (carboidrati, proteine e grassi) formando sostanze più semplici.

La fase di fermentazione trasforma poi le sostanze semplici, precedentemente ottenute, in acidi organici prima (reazione di acidogenesi) e in acetato, anidride carbonica e idrogeno poi (processo di acetogenesi).

Infine l’ultimo stadio, detto metanogenesi, prevede che batteri chiamati “metanigeni” trasformino le sostanze ottenute dalla fermentazione principalmente in metano ed anidride carbonica.

Uso del biogas

Una volta ottenuto il biogas può alimentare direttamente gli impianti delle abitazioni e delle aziende (riscaldamento ambiente, riscaldamento acqua calda sanitaria, fornelli cucina, sistemi di rifornimento indipendenti di veicoli a metano, ecc.) delle zone limitrofe al sito di produzione. Generalmente viene iniettato nelle condotte del gas naturale in percentuale, variabile da nazione a nazione, non inferiore al 10%, tuttavia vi sono casi in cui se ne fa un uso primario e totalmente indipendente dal gas naturale, ad esempio per il rifornimento di veicoli pubblici a biogas (vedi casi come quello di Linköping o di Norrköping in Svezia) o per la produzione di energia elettrica e riscaldamento da sfruttare in aziende agricole, allevamenti, piccoli centri abitati. Il biogas può quindi essere impiegato miscelato o puro per raggiungere apposite reti così com’è. Può altresì essere impiegato come carburante per motori a combustione interna (motori a ciclo Otto, turbine a gas) dotati di appositi generatori per la sola produzione di energia elettrica, oppure può alimentare sistemi di cogenerazione o microcogenerazione per la produzione combinata di energia elettrica e riscaldamento.

Quindi per ricapitolare il biogas può:

essere utilizzato miscelato fornendolo in percentuale tramite le normali reti del gas,
essere utilizzato puro fornendolo tramite apposite reti parallele del gas,
essere utilizzato per combustione diretta in caldaia al fine di produrre sola energia termica,
essere utilizzato per alimentare un motore ciclo Otto per produrre energia elettrica,
essere utilizzato per alimentare una turbina a gas per produrre energia elettrica,
essere utilizzato per alimentare un sistema di cogenerazione o microcogenerazione,
essere stoccato per alimentare mezzi pubblici, aziendali, agricoli, ecc..

Principali cicli di produzione e utilizzo del biogas

A livello generale lo schema logico del ciclo è sempre il medesimo, ciò che cambia sono i batteri impiegati, i sistemi di filtraggio, i parametri costruttivi e di funzionamento dei digestori e, ovviamente, la fonte primaria dalla quale parte il ciclo. Migliore sarà la qualità dei reagenti e migliori saranno i prodotti ottenuti e quindi la composizione del biogas.

I cicli più diffusi di produzione di biogas vedono pertanto:

l’impiego di acque reflue civili, agricole o industriali – digestione anaerobica
l’impiego di liquami zootecnici – digestione anaerobica
l’impiego di frazioni organiche di rifiuti urbani (FORSU) – digestione anaerobica
l’impiego di effluenti zootecnici assieme a scarti organici – codigestione anaerobica

Biogas da acque reflue civili

Il caso di Didcot nell’Oxfordshire in Inghilterra

Grazie agli incentivi messi a disposizione dal governo inglese per la produzione di biogas da fonti totalmente rinnovabili, tre società (Thames Water, British Gas, Scotia Gas Networks) si sono alleate per realizzare un intelligente progetto che vede lo sfruttamento delle acque reflue domestiche come reagente iniziale per la produzione di gas metano da fornire a circa 200 abitazioni presenti nella contea di Didcot. Dalle acque reflue viene recuperata la parte solida che va ad alimentare dei digestori altamente specializzati. Un processo di assimilazione anaerobica permette di ottenere biogas il quale è sottoposto ad un processo di depurazione conforme ai più elevati standard normativi che lo rendono sicuro ed immediatamente utilizzabile lungo le reti di distribuzione domestica.

Il processo schematizzato nella figura sotto è così riassunto:

1. Produzione di acque reflue tramite gabinetti, lavandini, lavatrici, lavastoviglie.
2. Separazione del refluo in parte solida e acqua.
3. Trattamento di pulizia dell’acqua.
4. La parte solida viene inviata ai digestori e riscaldata, il riscaldamento attiva il naturale processo di digestione anaerobica dove appositi batteri demoliscono le sostanze organiche offrendo come risultato biomassa utilizzabile come fertilizzante e biogas ad alto contenuto di metano (dal 50% all’80%).
5. Il biogas viene incanalato in un apposito impianto di pulizia e depurazione.
6. Il biometano ricavato viene inviato alle abitazioni tramite la normale rete del gas.

 Ciclo di produzione del biogas da acque reflue domestiche - Il caso di Didcot nell'Oxfordshire in Inghilterra.

Ciclo di produzione del biogas da acque reflue domestiche – Il caso Didcot nell’Oxfordshire in Inghilterra.

Biogas da frazione organica dei rifiuti urbani e liquami zootecnici

Il caso della Michigan State University

L’Univesrsità dello stato del Michigan ha realizzato un impianto di cogenerazione (denominato SCAD ovvero South Campus Anaerobic Digester) che sfrutta un digestore anaerobico per la sua alimentazione. L’impianto è dotato di un silos completo di digestore anaerobico misto il quale utilizza circa 17.000 tonnellate all’anno di rifiuti organici (frazioni organiche, scarti alimentari, grassi e oli di scarto di ristoranti e sale di ristorazione universitarie) provenienti dall’MSU e dalla città di Lansing (capitale dello stato del Michigan), nonché il letame proveniente dall’allevamento di cui dispone il campus. Ciò permette di produrre qualcosa come 2.800.000 kWh di energia elettrica all’anno.

L’elettricità prodotta dall’impianto viene utilizzata per alimentare diversi edifici del campus. Le materie prime vengono depositate in due silos uno dei quali progettato appositamente per il letame e l’altro idoneo per diversi altri materiali (derrate alimentari, frazioni organiche, ecc.), successivamente vengono pompate in un silos di miscelazione dove i diversi materiali di partenza vengono omogeneizzati. Il preparato ottenuto, prima di raggiungere il digestore anaerobico, passa attraverso uno scambiatore di calore dove raggiunge la temperatura di 37,8°C.

Il digestore è un serbatoio fuori terra, realizzato in acciaio, il cui volume utile è pari a circa 1700 metri cubi. È progettato per un tempo di ritenzione idraulica di 25 giorni. Una membrana flessibile e apposite guarnizioni assicurano l’ermeticità del serbatoio impedendo sia l’ingresso dell’aria che la fuoriuscita di odori sgradevoli. Due miscelatori a immersione mantengono costantemente il preparato ben miscelato.

Il biogas prodotto dal digestore viene utilizzato per alimentare un cogeneratore da 450 kW che invia energia elettrica agli edifici del campus e impiega parte del calore prodotto per mantenere in temperatura lo scambiatore di calore dell’impianto e parte per riscaldare gli edifici stessi del campus. Il biogas in eccesso viene bruciato con apposite torce per evitare che il metano raggiunga l’atmosfera ove risulta 21 volte più dannoso per l’ozono rispetto all’anidride carbonica.

Una volta terminata la digestione, la miscela di solidi e liquidi rimanenti, denominata “digestato”, viene pompata verso un separatore solido-liquido. I solidi vengono decomposti ed una parte viene impiegata stagionalmente come fertilizzate ricco di carbonio. I liquidi invece raggiungono un serbatoio di stoccaggio specializzato il cui volume è leggermente superiore a 9000 metri cubi. Anche qui apposite tenute evitano la fuoriuscita di odori fastidiosi.

Viene quindi prodotta energia rinnovabile, si riduce l’impiego delle discariche e degli impianti di depurazione delle reti fognarie, si produce fertilizzante e sostanze nutritive per la terra.

Produzione di biogas da reflui zootecnici - Impianto realizzato da Michigan State University

 Ciclo di produzione del biogas da liquami zootecnici e frazione organica dei rifiuti
urbani – Il caso della Michigan State University

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Copia e incolla sul tuo browser il link al video che descrive l’impianto di produzione di biogas a partire dalle acque reflue civili, realizzato a Didcot nella contea di Oxfordshire in Inghilterra:
https://www.youtube.com/watch?v=O51iwIpeWEg

Copia e incolla sul tuo browser il link al video che descrive l’impianto di produzione di biogas a partire da liquami zootecnici e da frazione organica dei rifiuti urbani realizzato dalla Michigan State University:
http://ipf.msu.edu/construction/projects/anaerobic-digester.html

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

Mio zio, quando ero bambino, mi diceva: “Se sapessi che gli escrementi hanno un qualche valore, inizierei a metterne da parte a quintali adesso che non costano nulla…”. Ora, al di là del fatto che lui lo diceva in modo molto più colorito, riferendosi al fatto che è sempre molto difficile “azzeccare” gli investimenti giusti, il concetto (inconsapevolmente) non era poi così lontano dalla realtà. Eh già perchè forse non tutti sanno che è possibile alimentare un motore a combustione interna (con opportune modifiche e accorgimenti tecnici) con il gas ricavato dal riscaldamento o la digestione anaerobica delle biomasse (fanghi di depurazione provenienti dalle reti fognarie delle città, rifiuti organici urbani, liquami zootecnici, ecc.). Il risultato? La produzione di quantità non indifferenti di energia elettrica collegando al motore a combustione interna, alimentato con il biogas estratto, un generatore ed un sofisticato sistema di controllo elettronico dei carichi e del regime di rotazione. Ma andiamo con ordine…

Il gas naturale

Che cos’è il gas naturale?

Il gas naturale è una fonte non rinnovabile, si tratta di una miscela di idrocarburi gassosi che viene prodotta naturalmente in seguito alla decomposizione di materiale organico in assenza di ossigeno (decomposizione anaerobica) e di luce. Il gas naturale e il metano non devono essere confusi in quanto non sono esattamente la stessa cosa. Il metano infatti è uno dei costituenti (il più importante) del gas naturale assieme ad idrocarburi gassosi più pesanti quali l’etano, il propano, il butano e, in quantità meno incisive, pentano e azoto. Generalmente il gas naturale contiene anche dei contaminanti (solfuro di idrogeno e mercurio) che è fondamentale rimuovere prima dell’utilizzo. Da notare che per ragioni di sicurezza ambientale specifiche normative sanciscono il preciso contenuto che il gas naturale deve avere per poter essere venduto (ad es. in Italia: 99,5% metano, 0,1% etano e 0,4% azoto).

Dove si trova?

Vi sono grandissime quantità di gas naturale che si trovano in forma di idrati sotto l’Antartide, le piattaforme continentali e il permafrost, inoltre si trova anche all’interno di rocce sedimentarie, presenti nel sottosuolo o in fondo ai mari, che non lo hanno ancora espulso (metano-shale). Quest’ultima opzione pare che offra la possibilità di raddoppio delle riserve. Da non dimenticare che è possibile estrarre metano anche dai combustibili fossili in seguito alla raffinazione del petrolio.

E’ quindi possibile estrarre gas naturale da:

Sacche formatesi sotto la crosta terrestre.
Rocce sedimentarie (metano-shale) presenti nel sottosuolo.
Rocce sedimentarie (metano-shale) presenti su taluni fondali marini.
Combustibili fossili.

Come si ottiene?

Il gas naturale è un combustibile di origine fossile che, come il petrolio, si è formato per lenta decomposizione di sostanze di origine animale. Specifici batteri (per la cui analisi si rimanda a fonti di informazione mirate alla biologia), in ambienti privi di aria e luce, trasformano i resti degli organismi in idrocarburi dando luogo a gas naturale e petrolio. Si tratta di un processo che può richiedere decine di milioni di anni.
Per semplificare e velocizzare la produzione di miscele di gas simili al gas naturale oggi vengono utilizzati degli impianti dotati di “digestori” i quali provvedono a ricavare un gas (in questo caso prende il nome di biogas) che può contenere percentuali di metano comprese tra il 50% e l’80%, oltre ad anidride carbonica ed elementi contaminanti da filtrare. I paesi che hanno mostrato più interesse per questa tecnologia (Germania, Gran Bretagna, Ontario, Svezia e Svizzera) sono stati in grado di raggiungere produzioni di energia elettrica con tetti pari a 250MW (utili a soddisfare le esigenze di una piccola città) sfruttando esclusivamente il biogas ricavato dai liquami zootecnici e vari tipi di reflui (civili, agricoli e industriali).

Il biogas

Che cos’è il biogas?

Il biogas è una fonte rinnovabile, si tratta di un gas ottenuto grazie a gruppi di batteri che operano la decomposizione di materiale biogeno ovvero biomasse (scarti vegetali, rifiuti, residui, fanghi di depurazione, ecc.) in assenza di ossigeno all’interno di appositi impianti dotati di digestori. Il biogas è un vettore energetico rinnovabile il cui bilancio di CO2 è neutro. Esso è costituito essenzialmente da metano, la percentuale è generalmente compresa tra il 50% e l’80%. Tra gli altri costituenti del biogas troviamo principalmente anidride carbonica (fino al 30%) e quantità meno rilevanti di ammoniaca, azoto, idrogeno, idrogeno solforato, monossido di carbonio e ossigeno. E’ sempre più utilizzato sia come carburante per l’autotrazione che per il riscaldamento residenziale o la produzione di energia elettrica. Molti non sanno che viene introdotto nel gas naturale in percentuale, variabile da nazione a nazione, non inferiore al 10%. Una tonnellata di biomassa permette di ricavare un volume di biogas compreso tra i 105 ed i 130 metri cubi. Anche il biogas viene trattato al fine di rimuovere dei contaminanti che sono ecologicamente pericolosi sia nel caso venga utilizzato come carburante, sia nel caso venga immesso nella rete di distribuzione del gas naturale utilizzata per il riscaldamento delle abitazioni. E’ ormai noto ai più che il biogas è un ottimo carburante rinnovabile che offre un impatto ambientale inferiore rispetto a quello dei carburanti fossili. Quello che invece può sorprendere è il fatto che il suo impatto sull’ambiente sia inferiore a quello generato dai carburanti rinnovabili ottenuti a partire da materie prime appositamente coltivate (si veda lo studio “Ecobilancio di prodotti energetici – Analisi ecologica dei biocarburanti” pubblicato dall’EMPA nel 2007).

Dove si trova?

Ovunque vi siano biomasse (scarti vegetali, fanghi di depurazione, rifiuti, residui, prodotti della terra di largo consumo, piante energetiche coltivate ad hoc, ecc.) da poter trattare in assenza di ossigeno mediante appositi batteri. Da notare che la produzione di biogas a partire da derrate alimentari e piante energetiche appositamente coltivate non è incentivata a livello economico per prevenire danni all’ambiente.

E’ quindi possibile estrarre biogas da:

Scarti vegetali.
Derrate alimentari.
Fanghi di depurazione ricavati da acque reflue civili, agricole, industriali.
Decomposizione di rifiuti solidi urbani nelle discariche.
Piante energetiche appositamente coltivate.
Fonti naturali quali ad esempio le paludi, le foreste, i campi, le stalle.
Processo di digestione degli animali (liquami zootecnici).
Risaie.

Come si ottiene?

Il biogas è un vettore energetico rinnovabile prodotto in grande quantità dalle paludi, dalle foreste, dai campi, dalle risaie, dai liquami zootecnici, dalle discariche e dai fanghi di depurazione trattati al termine delle reti fognarie. Si ottiene attraverso il riscaldamento o la digestione anaerobica di biomasse in impianti dotati di digestori in grado, tra l’altro, di controllare le emissioni maleodoranti e di stabilizzare le biomasse prima del loro eventuale utilizzo agronomico. Il processo di digestione anaerobica parte dalla sostanza organica e si sviluppa attraverso tappe intermedie durante le quali si formano vari metaboliti per giungere poi alla produzione di metano, anidride carbonica, fanghi residui (i quali, se il processo è stato condotto a regola d’arte con la corretta flora batterica, i nutrienti da aggiungere alla reazione ed i sistemi di filtraggio di cui necessita l’impianto, rappresentano un ottimo fertilizzante a basso tenore di carbonio) e minime porzioni di gas contaminanti (precedentemente citati).

Trasporto del gas

Problematiche nettamente differenti

Il biogas è prodotto nello stesso posto in cui viene consumato, quindi non è soggetto a particolari problemi di trasporto. Può essere utilizzato per alimentare i veicoli di una fattoria o di un servizio di trasporti locale, oppure può essere impiegato per la produzione (sempre locale) di energia elettrica e riscaldamento e può persino intercettare gli impianti già esistenti del gas naturale di un centro abitato ed esservi miscelato dentro. Lo stesso non accade per il gas naturale il quale presenta delle difficoltà di trasporto che non passano inosservate. Il gas viene estratto e incanalato nei metanodotti da cui si ramifica una fitta rete di distribuzione. La spinta iniziale viene fornita dal gas stesso tuttavia, lungo la rete, necessita di stazioni di pompaggio che garantiscano il corretto servizio. In fondo si tratta di una rete semplice ed allo stesso tempo economica la quale però presenta anche qualche problema, l’impossibilità di attraversare oceani e territori di diverse nazioni senza generare dipendenza da quest’ultime. In alternativa si sta lavorando per trovare le migliori soluzioni che permettono di liquefare il gas e trasportarlo in navi appositamente attrezzate. Nonostante l’indipendenza garantita da tale soluzione vi è il risvolto dei costi più elevati nonché qualche problema di sicurezza.

Gas to Liquid

Il gas naturale che fuoriesce durante l’estrazione del petrolio può essere reiniettato nel giacimento al fine di mantenere alta la pressione e permettere l’estrazione di una maggiore quantità di petrolio, oppure può subire un processo di trasformazione in combustibile liquido (prevalentemente gasolio) denominato GTL che sta per Gas To Liquids. La trasformazione GTL sfrutta una tecnica tedesca (Fischer-Tropsch) che, durante la seconda guerra mondiale, permetteva di portare il carbone allo stato gassoso e, successivamente, a quello liquido al fine di alimentare i mezzi militari. Tale tecnica faceva uso di catalizzatori a base di cobalto o di ferro utili a produrre condensati e cera a partire dal gas naturale trattato.

Continua…

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Produzione di biogas da reflui zootecnici - Impianto realizzato da Michigan State University

Impianto di produzione di biogas da frazione organica dei rifiuti urbani e reflui
zootecnici realizzato da Michigan State University. L’impianto dispone di un sistema
di cogenerazione (energia elettrica e riscaldamento) che viene sfruttato in loco.
Image’s copyright: Michigan State University
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Il percorso di studi più azzeccato verso il mondo dell’Automotive

Rubrica: Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Il percorso di studi più azzeccato verso il mondo dell’Automotive
Rispondendo a: Andrea S.

Andrea scrive: Salve, sono un studente di ingegneria industriale al terzo anno con la passione dei motori. Non nascondo il desiderio e l’ambizione di voler un giorno lavorare per una casa automobilistica o comunque nel mondo dei motori e del motorsport. Trovo molto utile e ricco di informazioni il Suo sito, completo da ogni punto di vista! Essendo Lei del settore, potrebbe illustrarmi quale laurea magistrale potrebbe aprirmi, più di altre, le porte dell’industria motoristica e automobilistica? Ingegneria del veicolo oppure ingegneria meccanica? Grazie mille e buon lavoro!

Sinceramente l’ingresso nell’industria automobilistica dovrebbe essere agevolato da una Laurea in Ingegneria del Veicolo, tuttavia una Laurea in Ingegneria Meccanica è più completa e ti permette teoricamente di entrare a far parte di molti più settori nel caso uno dei tanti andasse in crisi (ciclicamente succede a tutti i settori). Volendo, una Laurea in Ing. Meccanica, può essere completata con dei Master dedicati qualora si desiderasse orientare la propria specializzazione in una specifica direzione. Una Laurea in Ingegneria del Veicolo può darti un accesso più agevolato ad inizio carriera ma potrebbe negarti in futuro la possibilità di effettuare delle variazioni. Ovvio che se sei estremamente appassionato di quest’unico settore la cosa non ti crea problemi a condizione che non vengano meno le offerte di lavoro.
Per evitare delusioni però è opportuno rendersi conto che l’ingresso in un settore è frutto di tanti fattori che in un determinato istante coesistono, bisogna infatti vedere come un dato settore sia competitivo nell’istante considerato, è necessario valutare le capacità individuali (preparazione, professionalità, capacità di concretizzare, capacità di lavorare in gruppo, capacità di far fronte a situazioni di stress, sollecitazioni e problemi, esperienze maturate extra-studio) e, non lo nascondo, avere anche un po’ di buona sorte.
Io personalmente sono studente in Ing. Meccanica ma sto ritardando la conclusione degli esami perchè ho iniziato con le tue stesse intenzioni e poi, durante gli studi, a seguito anche di diverse esperienze extra-studio, mi sono ritrovato a desiderare cose diverse dal principio, generalmente più complesse. Così, se una volta non vedevo altro che motori e sostenevo che non mi interessassero telai, sospensioni e quant’altro, oggi mi ritrovo ad iniziare le prime esperienze di progettazione di veicoli destinati a puri test di cui, guarda un po’, l’unica cosa che non seguo (in questo progetto) sono proprio i motori i quali, per semplicità progettuale, prevedo di prendere pronti da terzi.
Insomma la scelta è ovviamente personale, tuttavia prova a fare dellle ipotesi circa il futuro. La Laurea in Ing. del Veicolo è sicuramente più adatta se non intendi effettuare dei cambiamenti futuri e se cogli le occasioni giuste, la Laurea in Ing. Meccanica, invece, è più adatta se intendi lasciare diverse porte aperte verso il futuro in ambito meccanico ma potrebbe rendere un po’ più difficile il tuo accesso al mondo dell’Automotive. Prendi comunque quanto ti ho scritto come un modesto pensiero personale, un parere assolutamente non definitivo.

Bozzetto vettura formula

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Se un corpo estraneo entra in un pneumatico…

Rubrica: Le domande dei lettori
Titolo o argomento: Ipotesi dei danni provocati dall’ingresso accidentale di un corpo estraneo in un pneumatico in fase di montaggio
Rispondendo a: Franco e amici dalla Svizzera

Se ad esempio dovesse entrare accidentalmente un bullone in un pneumatico durante la fase di montaggio dal gommista, cosa succederebbe? Si potrebbe bucare o deformare il pneumatico dall’interno? Durante la fase di bilanciamento ci si accorgerebbe del corpo estraneo?

Risposta

Premesso che un corpo estraneo, il quale inavvertitamente entra all’interno di un pneumatico in fase di montaggio, non può avere dimensioni e massa elevate (altrimenti sarebbe chiaramente visibile all’operatore oppure non riuscirebbe a passare), le ipotesi che seguono fanno riferimento all’ingresso inavvertito di un bullone (vite + dado) oppure di un oggetto di simili proporzioni e forma irregolare all’interno dell’insieme cerchione-pneumatico durante la fase di montaggio di quest’ultimo.

Il fatto è che la massa di un bullone, accelerato all’interno di un pneumatico, temo non sia sufficiente per poter deformare il pneumatico stesso dall’interno. L’armatura metallica che costituisce la carcassa molto probabilmente reggerebbe. Inoltre la spinta da parte del bullone difficilmente potrebbe essere concentrata in un punto e, molto probabilmente, il bullone non starebbe mai fermo anche se si procedesse di moto rettilineo uniforme in quanto le irregolarità della strada lo farebbero comunque oscillare e cambiare di posizione. Pensandoci poi meglio, gli strumenti per l’equilibratura possono rilevare uno squilibrio solo nel caso il bullone sia fissato sul cerchione o sul copertone. In alternativa probabilmente lo strumento potrebbe dare un segnale di errore e chiedere di ripetere l’analisi, oppure approssimare l’esito come se il bullone non fosse presente. Si può inoltre ipotizzare che il conducente non rilevi vibrazioni provenienti dal pneumatico bensì un tintinnio simile ad un sasso che sbatte in un contenitore messo in rotazione. Gli urti contro il pneumatico sarebbero attutiti mentre quelli contro il cerchione, in particolar modo quando si riduce la velocità periferica della ruota, sarebbero facilmente avvertibili e piuttosto evidenti. Si avrebbe forse la sensazione di un importante guasto al cuscinetto ruota o al cerchione stesso però la marcia proseguirebbe regolarmente. Quello che poi può succedere insistendo nella marcia, è tutto da testare. I continui urti del bullone all’interno della ruota potrebbero danneggiare il cerchione innescando pericolose cricche che potrebbero portare ad una perdita di pressione. Forse alla lunga l’interno del copertone accuserebbe lacerazioni e tagli dovuti ad eventuali spigoli accentuati del bullone inteso come insieme vite+dado. Se si considera il solo dado, invece, penso si potrebbe prolungare la marcia prima di accusare un danno non trascurabile. Gli effetti diminuiscono quanto minore è la massa di un dado e quanto più smussate sono le sue superfici. Se si arriva ad ipotizzare un corpo sferico, caduto accidentalmente all’interno del pneumatico in fase di montaggio e non rilevato dalla macchina per l’equilibratura, si potrebbe avere un largo margine in cui non si presentano danni ma si avverte un rumore “effetto sassolini” fastidioso e allo stesso tempo preoccupante.

La simulazione

Nelle immagini che seguono vediamo degli screenshot raffiguranti 5 fasi di una simulazione fisica che abbiamo effettuato con Algodoo (Vedi l’articolo: “Simulare la fisica con Algodoo“). Nella scena sono compresi la carcassa semplificata di un pneumatico e un oggetto metallico dalla forma irregolare, per entrambi vengono simulati i relativi materiali con le rispettive caratteristiche fisiche (massa, densità, attrito…). Fa inoltre parte della simulazione la forza di gravità, le forze di attrito in gioco, la presenza dell’aria e, ovviamente, la rotazione del pneumatico con momenti a moto costante, altri a moto accelerato ed altri ancora in cui il pneumatico è soggetto a vibrazioni assimilabili a quelle provocate da un fondo irregolare quale è il manto stradale. Per evidenziare il percorso abbiamo dotato il corpo estraneo di un “tracer” ovvero di un tracciante dotato di dissolvenza utile a capire dove si trovava l’oggetto stesso pochi istanti prima.

Ad un basso numero di giri (Fig. 1), con velocità periferica costante, l’oggetto metallico dalla forma irregolare tende ad essere trascinato nella rotazione dal pneumatico tuttavia, raggiunta una certa pendenza, la forza di gravità tende a riportarlo verso il basso in quanto la forza normale agente sul corpo è molto piccola e la forza tangenziale vince l’attrito. Non appena la quota raggiunta dall’oggetto diminuisce, cala la pendenza e nuovamente l’attrito vince sulla forza tangenziale riportando più in alto l’oggetto. Ad un basso numero di giri questo fenomeno si ripete in modo alterno con possibilità di danni di carattere abrasivo piuttosto limitati in quanto, anche se l’oggetto presentasse forma irregolare e spigoli taglienti, le forze in gioco sono contenute e, data la resistenza di un pneumatico ordinario, non innescano particolari fenomeni critici.

Aumentando il numero di giri (Fig. 2), il moto diventa accelerato, le forze in gioco variano continuamente direzione, verso e intensità in quanto si ripresenta il fenomeno precedente ma con un effetto amplificato che si traduce in urti e rimbalzi. Quest’ultimi non permettono una stabile alternanza di saliscendi come nel primo caso. Nel caso l’oggetto abbia una superficie irregolare e spigoli taglienti la possibilità di danni è comunque contenuta per via della massa ridotta che può avere un piccolo oggetto accidentalmente introdotto all’interno del pneumatico duranta la fase di montaggio. Con una massa ridotta, per arrivare a fenomeni rilevanti, è necessario sottoporre l’oggetto ad accelerazioni molto elevate. Inoltre è opportuno notare che l’oggetto difficilmente colpirà ripetutamente il medesimo punto e, anche se ciò accadesse, non avrebbe una massa e un’accelerazione tali da riuscire a perforarlo attraversandolo ed uscendo all’esterno.

Quando la velocità periferica si fa consistente (Fig. 3) il corpo estraneo aderisce alla parete interna del pneumatico rimanendo fermo in un punto di equilibrio in quanto la forza normale al punto di contatto oggetto-pneumatico diventa prevalente. Tuttavia l’oggetto rimane fermo in un punto solo se il moto circolare del pneumatico è costante (o subisce minime variazioni) e se il fondo stradale è rappresentato da un piano perfetto. Ovviamente si tratta di condizioni ideali. Simulando alcune sconnessioni del manto stradale (Fig. 4) il corpo estraneo ricomincia i suoi rimbalzi con una frequenza proporzionale alle irregolarità della strada.

Infine, durante una frenata (Fig. 5), è possibile osservare come il corpo estraneo si distacchi dalla parete interna del pneumatico e il suo moto, prima del nuovo contatto contro un altro punto della parete stessa, diventi parabolico come quello di un proiettile. Senza entrare troppo nello specifico, anche questa situazione mostra come sia difficile che un corpo estraneo entrato accidentalmente all’interno del pneumatico (in fase di montaggio) possa rimaner fermo a lungo nello stesso punto.

Figura 1 Figura 2 Figura 3 Figura 4 Figura 5

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Grandezze fotometriche: gli strumenti di misura

Rubrica: Energia – Lighting

Titolo o argomento: Le grandezze della luce

Le grandezze introdotte nell’articolo “Grandezze fotometriche” possono ovviamente essere misurate. Di seguito si riportano gli strumenti necessari per operare tali misure. La maggior parte di questi strumenti è generalmente sconosciuta ai più mentre, uno in particolare, il luxmetro, sta diventando di uso sempre più comune per via della forte espansione* che ha conosciuto il mercato delle reflex digitali. La misura di una grandezza fotometrica relativa ad una sorgente di luce qualsiasi consiste essenzialmente nel confronto con la stessa grandezza prodotta da un campione luminoso standard.

*Espansione che ha avvicinato alla fotografia molti fotografi non professionisti che amano cimentarsi nella ricerca dello scatto perfetto acquistando ogni genere di accessorio.

Strumenti

Goniofotometro – Flusso luminoso – Φ, Lumen (lm)

La misura del flusso luminoso si effettua rilevando l’intensità luminosa emessa dalla sorgente in prova (vedi voce seguente) in tutto lo spazio che la circonda. Questa operazione è possibile grazie al goniofotometro il quale è corredato di una testa fotometrica capace di orbitare su una superficie sferica immaginaria al cui centro si trova la sorgente luminosa in prova. Questo strumento, come vedremo per i successivi, si tara con una lampada campione.

Goniofotometro

Goniofotometro Photometric Solutions International Pty Ltd
per rilievi su illuminazione d’ambienti.
Image’s copyright: photometricsolutions.com

Fotometro – Intensità luminosa – I, Candela (lm/sterad)

Per effettuare la misura dell’intensità luminosa si utilizza uno strumento denominato fotometro, esso consiste essenzialmente in un banco con riferimento graduato (banco fotometrico) sul quale sono disposti la sorgente di luce in prova, la sorgente campione ed il rivelatore fisico (testa fotometrica). Quando le distanze relative tra ciascuna sorgente ed il rivelatore sono uguali, quest’ultimo produce segnali elettrici proporzionali agli illuminamenti ricevuti e quindi alle intensità delle due sorgenti (il rapporto tra i segnali elettrici è uguale al rapporto tra l’intensità nota della sorgente campione e l’intensità luminosa della sorgente in prova).

 Banco fotometrico Instrument Systems per rilievi su moduli LED

Banco fotometrico Instrument Systems
per rilievi su moduli LED.
Image’s copyright: instrumentsystems.com

Luxmetro (esposimetro) – Illuminamento – E, Lux (lm/m2)

La misura dell’illuminamento viene effettuata tramite un rivelatore fisico detto luxmetro. L’operazione si effettua tenendo conto dell’angolo di incidenza del fascio luminoso che lo illumina, in tal modo il segnale prodotto varia in funzione del coseno dell’angolo. Il luxmetro si tara al banco fotometrico.

Luxmetro

Luxmetro HT
per rilievi su sorgenti standard e LED.
Image’s copyright: ht-instruments.com

Luminanzometro – Luminanza – L, Nit (cd/m2)

La misura della luminanza viene effettuata mediante uno strumento chiamato luminanzometro il quale determina l’intensità luminosa di una sorgente estesa, o di una superficie illuminata, solidalmente alla sua area apparente. Lo strumento consiste in un sistema ottico che focalizza l’immagine della sorgente sulla superficie di un rivelatore tarato. Il segnale che si ottiene è direttamente proporzionale alla luminanza.

Fonti:
Lezioni e appunti universitari di Fisica Tecnica.
Enciclopedia UTET.
Strumenti utilizzati dall’autore per prove di laboratorio.

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Grandezze fotometriche
Grandezze fotometriche: note di illuminotecnica
Grandezze fotometriche: gli strumenti di misura
Grandezze radiometriche (Link in preparazione)
Grandezze radiometriche: note sulla radiazione solare (Link in preparazione)
Grandezze radiometriche: le misurazioni (Link in preparazione)