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18-04-2016

Posted by in Chimica, Prima Pagina, Società, Tecnologia | 1 Comment

Idrogeno: il vet­tore ener­getico del futuro?

La sfida per la soprav­vivenza della nos­tra civiltà passa sicu­ra­mente attra­verso la sfida dell’ener­gia: non è pos­si­bile man­tenere i mod­erni stan­dard di vita e le mod­erne tec­nolo­gie senza abbon­danti fonti di ener­gia disponi­bili all’uso in maniera comoda ed effi­ciente.
Per poter ren­dere l’energia disponi­bile a tutti però c’è bisogno di un vet­tore ener­getico, ovvero di un mezzo con cui portare l’energia dalla fonte fino a dove ce n’è bisogno. Un vet­tore ener­getico molto usato è la sem­plice elet­tric­ità, ma questa non basta per dare ener­gia a molti sis­temi che non pos­sono rimanere con­nessi a una presa tutto il tempo, come le auto­mo­bili, oppure dotati di fun­zion­a­mento par­ti­co­lare, come le cal­daie per i riscal­da­menti.

Un pos­si­bile futuro vet­tore ener­getico su larga scala è l’idrogeno, di cui in questi anni si parla spesso.

La produzione di idrogeno

L’idrogeno attual­mente viene spesso rica­vato da giaci­menti nat­u­rali sot­ter­ranei, assieme ad altri com­bustibili fos­sili come petro­lio e gas. Esiste anche un sis­tema per pro­durlo dal car­bone, sfrut­tando la sua reazione con l’acqua ad alta tem­per­atura: il risul­tato è anidride car­bon­ica e idrogeno. Questi sis­temi però sono ovvi­a­mente lim­i­tati dalla durata dei giaci­menti fos­sili e quindi non pos­sono cos­ti­tuire una soluzione per­ma­nente.

Un sis­tema alter­na­tivo è la pro­duzione a par­tire dalle bio­masse: i rifiuti organici pos­sono essere soggetti al processo di pirolisi, ovvero il riscal­da­mento ad alte tem­per­a­ture (1000°C) in assenza di ossigeno, cau­sando il rilas­cio di idrogeno mol­e­co­lare. E’ anche pos­si­bile uti­liz­zare micror­gan­ismi o alghe che con­sum­ino i mate­ri­ali organici per il pro­prio sos­ten­ta­mento e pro­d­u­cano idrogeno come “scarto”, tec­nica che sarebbe estrema­mente utile ad esem­pio per trattare i liquami prove­ni­enti dalle città, elim­i­nan­doli e rica­vando ener­gia pulita. Queste strate­gie non sono ancora attua­bili a liv­ello indus­tri­ale, ma la ricerca è in corso e si prevede un loro effet­tivo uti­lizzo nel medio ter­mine.

batteriBat­teri osser­vati al micro­sco­pio elet­tron­ico

Un altro sis­tema è la pro­duzione di idrogeno dall’acqua uti­liz­zando l’elettrolisi, ovvero la scis­sione della mol­e­cola d’acqua uti­liz­zando una cor­rente e pro­ducendo quindi idrogeno e ossigeno. La reazione può essere aiu­tata aumen­tando la tem­per­atura, ren­dendo così nec­es­saria meno ener­gia elet­trica. Un’ottima strate­gia per una sim­ile pro­duzione è abbinare una cen­trale di elet­trolisi con cen­trali ad ener­gia rin­nov­abile, come solare o termo-solare (di cui abbi­amo par­lato qui). Il grande prob­lema di questa soluzione è però il costo, essendo nec­es­sari grandi impianti che sfrut­tano questi pro­cessi ad effi­cienza non molto ele­vata.

Il trasporto di idrogeno

Il trasporto dell’idrogeno non è par­ti­co­lar­mente prob­lem­atico in sè, essendo la soci­età abit­u­ata a maneg­giare gas peri­colosi come il metano o il GPL. L’idrogeno è più reat­tivo di entrambi e può dare prob­lemi se per esem­pio con­tenuto nelle autovet­ture. Il metodo più uti­liz­zato per lo stoccag­gio è infatti la bom­bola con­te­nente gas sotto pres­sione, che quindi va man­tenuta in sicurezza, anche in caso di inci­dente. Un’alternativa è man­tenere liq­uido l’idrogeno, ma questo costa una grande quan­tità di ener­gia, dovendo rag­giun­gere e man­tenere quasi lo zero asso­luto per ottenere la sua liq­ue­fazione.

idrogeno auto

Viste queste dif­fi­coltà, sono in costante via di sviluppo metodi alter­na­tivi in cui l’idrogeno è con­tenuto in qualche mate­ri­ale nanos­trut­turato. Met­alli sin­ter­iz­zati e micro­p­orosi sono uti­liz­zati per lo stoccag­gio in quanto l’idrogeno si può attac­care elet­tro­sta­ti­ca­mente alle pareti di cav­ità micro o nano­met­riche di cui il mate­ri­ale è pieno. In questo modo l’idrogeno è molto più sta­bile e fughe di gas sono molto improb­a­bili. Lo svan­tag­gio è ovvi­a­mente il mag­giore costo rispetto alle bom­bole e il peso del sis­tema, che quindi garan­tisce meno autono­mia.

L’uso dell’idrogeno

L’energia può essere estratta dall’idrogeno in due modi: tramite la com­bus­tione diretta o usando celle a com­bustibile.
La com­bus­tione è molto sem­plice, ed è il metodo attual­mente uti­liz­zato per tutti i com­bustibili fos­sili: si intro­duce il com­bustibile in una cam­era con suf­fi­ciente ossigeno e si for­nisce ener­gia (spesso una scar­ica elet­trica) per poi uti­liz­zare l’espansione del gas (motore a scop­pio, tur­bine) e/o il calore svilup­pato. E’ ad esem­pio allo stu­dio negli USA una mis­cela 85% di metano e 15% di idrogeno per autove­icoli, chia­mata idrometano.

Un metodo più com­p­lesso ma molto con­sid­er­ato per future appli­cazioni su larga scala è la cella a com­bustibile. Questa si fonda sulla reat­tiv­ità chim­ica tra idrogeno e ossigeno per pro­durre acqua. Questa reazione scam­bia elet­troni, che ven­gono uti­liz­zati in un cir­cuito elet­trico che dà ener­gia ad un motore piut­tosto che a un dis­pos­i­tivo elet­tron­ico come un cel­lu­lare. Esiste una classe di sot­tomarini, in uso in Ger­ma­nia e in Italia, che fun­ziona a celle a com­bustibile. Il loro van­tag­gio è la silen­ziosità del motore, visto che non è a scop­pio come molti altri, ma diret­ta­mente elet­trico.
Le celle a com­bustibile quindi por­tano numerosi van­taggi, prima di tutto l’effi­cienza che può rag­giun­gere il 60%. Altri van­taggi sono il basso impatto ambi­en­tale e la pos­si­bil­ità di cogen­er­azione, ad esem­pio elet­tric­ità e calore.

cella combustibile idrogeno

I motivi per cui l’idrogeno ancora non viene uti­liz­zato come vet­tore ener­getico di massa sono quindi chiari: gli alti costi di pro­duzione, di ges­tione e di impiego lo ren­dono ancora proibitivo, ma la ricerca sci­en­tifica è molto promet­tente e sono pre­visti sviluppi impor­tanti nei prossimi anni gra­zie al con­tinuo aumento di impor­tanza nel dibat­tito pub­blico di imp­ie­gare energie rin­nov­abili per il nos­tro sos­ten­ta­mento :)

 

  • http://www.fabiomarsole.altervista.org Tiberio Simon­etti

    Buon­giorno, saluto tutti gli utenti del blog, ed inserisco una mia relazione che parla di come possa essere pos­si­bile pro­durre ener­gia usando come vet­tore ener­getico aria liq­uida avendo invece come apporto ener­getico esterno solo ener­gia ter­mica a tem­per­atura ambi­ente.

    INTRODUZIONE AL PROGETTO DI UN IMPIANTO PER LA PRODUZIONE DI ENERGIA MECCANICA CHE HA COME APPORTO ENERGETICO SOLO ACQUA O ARIA A TEMPERATURA AMBIENTE (con­ces­sione brevetto UIBM N° 0001383773) Si vuole prima di tutto evi­den­ziare le poten­zial­ità del flu­ido acqua a tem­per­atura ambi­ente. Ad esem­pio, è pos­si­bile con­sid­er­are una tem­per­atura media annua intorno ai 20 °C se il liq­uido riem­pie una vasca munita di oppor­tuni assor­bitori mon­tati verso l’esterno.Ora un kg d’acqua a 20 °C può cedere all’impianto (il sis­tema ha all’interno come flu­ido vet­tore aria liq­uida a 130 Kelvin) 15 Kcalo­rie, (dimin­uzione di tem­per­atura da 20 a 5 ° C ) che cor­rispon­dono grosso modo a 63 KJoul / sec, ed è come se un impianto Solare ter­mod­i­nam­ico con­cen­trasse la bellezza di 63 spec­chi di 1,2 metri qua­drati ognuno (per un totale di 63 kw) su un vol­ume di 1 dm cubo, sapendo che il Sole irra­dia 1000 w / sec su un metro quadrato di super­fi­cie. In questo modo il rice­vi­tore mon­tato nella zona del fuoco par­a­bol­ico fonderebbe nel giro di pochi sec­ondi. La nos­tra mente, purtroppo,abituata allo stu­dio ed al fun­zion­a­mento degli impianti a car­bone, gas o petro­lio mal inter­preta un’idea che basa la sua teo­ria sull’uso dell’energia prodotta assor­bendo ener­gia ter­mica ambi­ente. Vor­rei fare un paragone adesso, tra un impianto a vapore ed un impianto ad aria liq­uida. Nel vapore il flu­ido vet­tore è appunto l’acqua che deve essere prima vapor­iz­zata e poi sur­riscal­data ad una tem­per­atura almeno di 400 ° C per ren­derla sim­ile ad un gas. Per poter oper­are in questo modo sono nec­es­sari alti val­ori ener­getici prel­e­van­doli dal car­bone. Ora è vero che se scegliamo come flu­ido vet­tore l’acqua che ha una tem­per­atura CRITICA di 374 ° C è nec­es­sario per forza usare car­bone, men­tre tutta questa ener­gia potrebbe non essere nec­es­saria se al posto dell’acqua venisse usata ARIA LIQUIDA. Quest’ultima infatti ha TEMPERATURA CRITICA pari a 132,7 Kelvin ( circa 140 °C sot­tozero) ed una even­tuale pas­sag­gio di stato da liq­uido a gas potrebbe essere effet­tuato usando solo esclu­si­va­mente ener­gia ter­mica ambi­ente (estraen­dola in questo caso dall’acqua o se si vuole anche dall’aria esterna).Il supera­mento della tem­per­atura crit­ica, ren­derebbe il flu­ido incom­prim­i­bile se rac­chiuso in uno spazio molto ristretto, (spazio prece­den­te­mente occu­pato allo stato liq­uido) svilup­pando pres­sioni tali da rompere il con­teni­tore metal­lico in cui è rac­chiuso, com­por­tan­dosi come una bomba ad orologe­ria. L’esempio adesso descritto è del tutto sim­ile ad un impianto Solare ter­mod­i­nam­ico ad alta con­cen­trazione in cui l’energia radi­ante con­verge su un punto e cede ener­gia al flu­ido all’interno del con­cen­tra­tore. Ma anche l’acqua (che ha assor­bito ener­gia dal Sole) cede ener­gia al flu­ido crio­genico, met­ten­dolo in con­dizioni di svilup­pare ener­gia di pres­sione per centi­naia di atmos­fere. Tor­nando allora all’acqua con­tenuta nella vasca è intu­ibile che la ces­sione di 15 kcal /sec ad un gas crio­genico liq­uido, è una potenza ril­e­vante se pro­porzion­ata al vol­ume in cui è con­tenuta (vol­ume di 1 kg di aria liq­uida = 1,14 dm cubi). Se poi, il rice­vi­tore crio­genico (che assorbe ener­gia scam­biando con l’acqua esterna) dell’impianto è a 143 °C sot­tozero e la cui tem­per­atura crit­ica vale ad esem­pio 132,7 Kelvin, pos­si­amo pro­gram­mare lo sviluppo di una pres­sione intorno alle 60 – 300 Atm ( ma se si vuole se ne pos­sono ottenere anche 600 senza alcuna spesa ener­get­ica, infatti lo sviluppo della pres­sione ad inizio ciclo viene decisa in base al vol­ume che il flu­ido occupa nello stato liq­uido quando ha già super­ato la bar­ri­era della valvola di non-ritorno) ed una espan­sione iso­bara, isoter­mica durante (a 293 Kelvin), ed infine adi­a­bat­ica, con pro­duzione di lavoro pos­i­tivo (con ener­gia assor­bita dall’ambiente) supe­ri­ore di ben 3 volte a tutta l’energia neg­a­tiva nec­es­saria affinchè il flu­ido vet­tore torni di nuovo allo stato liq­uido. Il prog­etto rispetta ampia­mente il II° prin­ci­pio ter­mod­i­nam­ico in quanto ha un gen­er­a­tore di ener­gia a tem­per­atura ambi­ente ed un pozzo a circa 153° C sot­tozero per­fet­ta­mente iso­lato in autososten­i­mento . Il gas infatti all’interno del pozzo assorbe prima l’energia di liq­ue­fazione (entalpia residua + ener­gia ed attriti della com­pres­sione isoter­mica, come in un nor­male con­den­satore di vapore nelle cen­trali a vapore) essendo questo ad una tem­per­atura iniziale di 120 Kelvin, e poi resti­tu­isce la quan­tità di calore all’aria, quando questa, essendo di nuovo entrata nel set­tore di inizio espan­sione, ha bisogno di ener­gia per espan­dere ( sis­tema ad autososten­i­mento). Il gas per fare questo, effet­tua prima una com­pres­sione adi­a­bat­ica-isoter­mica fino ad una tem­per­atura di 150 Kelvin CEDENDO UNA PARTE DELLENERGIA DI COMPRESSIONE ALLARIA LIQUIDA ed essendo questa ancora a 130 Kelvin (quindi più fredda rispetto al gas) ripren­derà tutto il calore ceduto nella liq­ue­fazione (sbalzo di tem­per­atura tra i 150 K del gas ed i 130 K dell’aria ). Il gas poi alla fine, effettuerà un’espansione adi­a­bat­ica (espan­sione su una turbina adi­a­bat­ica cre­ando lavoro pos­i­tivo e quindi un ulte­ri­ore raf­fred­da­mento del flu­ido) , restituendo parte dell’energia usata per la sua com­pres­sione, e ter­min­erà con una tem­per­atura di 2 / 3 Kelvin infe­ri­ore alla tem­per­atura di partenza. E’ sem­pre e solo una ques­tione di ENERGIA RADIANTE IN TRANSITO. Se batte sulla sab­bia del deserto è reir­ra­di­ata quasi istan­ta­nea­mente, se batte su un impianto foto­voltaico si trasforma subito in ener­gia elet­trica, men­tre se batte sull’acqua può essere trasfor­mata prima in ener­gia di pres­sione e poi in ener­gia mec­ca­nica con il movi­mento di una turbina ( l’acqua dovrà recu­per­are ener­gia ter­mica tor­nando in ambi­ente). Il conto ener­getico andrà alla pari, quando l’energia foto­voltaica o quella mec­ca­nica si saranno trasfor­mate di nuovo in ener­gia ter­mica ambi­ente che verrà espulsa verso gli strati più alti della nos­tra atmos­fera. Le mac­chine elet­triche, ali­men­tate dall’impianto, non faranno altro che cedere ener­gia in ambi­ente al posto dell’acqua. Per dare una pro­porzione tra potenza svilup­pata e vol­ume occu­pato è pos­si­bile fare un cal­colo di mas­sima : una stanza lunga 10 metri, alta 2 e larga 5 (ossia 100 metri cubi) può con­tenere un impianto da 100 kw / ora elet­trici. In sostanza ven­gono prodotti 1 kw elet­trico per ogni metro cubo di vol­ume occu­pato.

    Torno ancora a fare alcune con­sid­er­azioni in gen­erale sui con­cetti del II° Prin­ci­pio. Quì non ven­gono messi in dis­cus­sione min­i­ma­mente le fon­da­menta sulle quali tali prin­cipi si basano (ci mancherebbe altro). In sostanza l’energia radi­ante che con­tin­u­a­mente batte sulla zona esposta , immagazz­ina ener­gia ter­mica che viene dis­si­pata nel momento in cui la stessa zona entra in ombra nel peri­odo not­turno. Si è in pre­senza quindi, di ener­gia costan­te­mente in tran­sito nel peri­odo giorno-notte. Nel mer­ito , il liq­uido acqua trasforma in ener­gia ter­mica l’energia radi­ante durante il giorno e la elim­ina durante la notte. L’impianto allora non fa altro che accel­er­are la veloc­ità con cui avviene questo processo, e anzichè imp­ie­gare circa 12 ore sot­trae all’acqua, in 1 sec­ondo I 15 °C ( 20 K amb – 5 K finali )che invece se ne sareb­bero andati in ogni caso verso gli strati più alti della nos­tra atmos­fera. Lo sbalzo di tem­per­atura all’interno dell’impianto non ha come val­ore finale la T ambi­ente, ma il val­ore che il depos­ito crio­genico (imp. interno) ha e che è costan­te­mente a circa –180 °C. Questo depos­ito non va mai in sat­u­razione (ossia il pozzo non si riem­pie mai) per­chè l’azoto nel momento della risalita (cam­bio di stato liq­uido-gas) ha bisogno di ener­gia ter­mica per super­are lo stallo in cui si trova. Ecco che allora arriva in aiuto il cir­cuito interno il cui flu­ido dopo aver assor­bito ener­gia di liq­ue­fazione dall’azoto ( per­chè molto più freddo dell’azoto stesso)subisce una com­pres­sione in modo tale (aumento della tem­per­atura a circa 20 K sopra la T dell’azoto , ossia a circa 150 K ) che esso possa scari­care tutta l’energia di liq­ue­fazione (com­preso gli attriti) verso L’azoto , facen­dogli super­are il punto critico. Il flu­ido frig­orif­ero, scar­i­cata la “zavorra”, ed essendo stato com­presso ISOTERMICAMENTE ( per la pre­senza dell’azoto che con­tin­u­a­mente assorbe ener­gia ter­mica nello scam­bio) espan­derà di nuovo restituendo ener­gia mec­ca­nica POSITIVA , con una T finale di qualche Kelvin più bassa rispetto al punto di inizio ciclo. Il saldo ener­getico è net­ta­mente a favore dell’azoto in tutta la zona soggetta ad espan­sione, e questo è quello che è stato poi dimostrato nell’idea brevet­tata. (brevetto con­cesso nell’anno 2010 n° 0001383773)

    Per poter com­pren­dere l’idea, non è nec­es­saria una preparazione par­ti­co­lare, ma una pre­dis­po­sizione men­tale ad accettare il fatto che sia pos­si­bile pro­durre lavoro anche quando in un impianto ci sia, ad esem­pio, uno sbalzo di tem­per­atura tra ambi­ente e zero asso­luto e che provochi come con­seguenza (con i due flu­idi ) anche uno sbalzo di pres­sione. Ora per definizione si sa che un dis­pos­i­tivo è in grado di pro­durre lavoro quando ha un accu­mulo in ener­gia ter­mica, ed uno sbalzo tale, in cui una certa quan­tità di calore possa fluire da un punto più in alto verso un punto a più bassa tem­per­atura. Ora, non è detto che il punto finale debba essere nec­es­sari­a­mente un val­ore a tem­per­atura ambi­ente (20 °C), ma potrebbe essere una tem­per­atura finale ben al di sotto degli 0°C. Nel mer­ito uno sbalzo tra temp. ambi­ente e temp. aria liq­uida (non è una pic­cola diff. di temp. ma una diff di circa – 180 °C) è più che suf­fi­ciente per ottenere un ciclo pos­i­tivo tale che per­me­tta la costruzione di un impianto per estrarre ener­gia ter­mica ambi­ente e trasfor­marla in ener­gia di pres­sione e qundi in ener­gia mec­ca­nica. L’impianto , in sostanza ha 2 cir­cuiti, uno interno in bassa pres­sione (1–2 bar sem­pre sotto forma gi gas) che cicla con­tin­u­a­mente dal ser­ba­toio di liq­ue­fazione a quello di vapor­iz­zazione, ed un altro in alta pres­sione ( 10 – 45 – 60 bar max) che occupa lo stato liq­uido-vapore-gas in espan­sione, e poi lo stato gas-vapore-liq­uido nel ser­ba­toio di liq­ue­fazione. Quando il flu­ido esterno (aria) inizia il raf­fred­da­mento (espan­sione adi­a­bat­ica con ces­sione di ener­gia mec­ca­nica positiva)l’aria in pres­sione a circa 260 Kelvin viene raf­fred­data dal flu­ido del cir­cuito interno fino ad una tem­per­atura tale ( 100 K ) che la metta in con­dizioni di farla liq­ue­fare.

    Descrizione delle fasi più impor­tanti :

    L’impianto ha 2 cir­cuiti : quello esterno a media-alta pres­sione che ha il com­pito di pro­durre ener­gia pos­i­tiva men­tre quello interno (il cir­cuito frig­orif­ero) è sem­pre in bassa pres­sione ( 1 / 2 bar) ed è nello stato per­fetto (sem­pre sotto forma di gas tra i 90 e 100 Kelvin.

    Il cir­cuito esterno varia la sua pres­sione tra 10 e 60 bar , men­tre la sua tem­per­atura varia tra 100 e 300 Kelvin ( non più di 300 K altri­menti l’impianto interno (ossia quello frig­orif­ero) che ha il com­pito di assor­bire entalpia di liq­ue­fazione dal flu­ido esterno non rius­cirebbe a liq­ue­fare l’azoto (flu­ido esterno) in liq­ue­fazione.

    L’impianto frig­orif­ero assorbe ener­gia neg­a­tiva men­tre quello esterno pro­duce ener­gia pos­i­tiva.

    L’energia pos­i­tiva è data da un’espansione iso­bara all’inizio, ossia quando il flu­ido azoto è nella fase di vapore ( 130–175 Kelvin e 60 bar= cost), da un’espansione adi­a­bat­ica-isoter­mica ( 175–300 Kelvin e 60–15 bar), ed infine un’espansione tutta adi­a­bat­ica (15–10 bar 300–260 Kelvin)

    Per l’impianto esterno si pre­sume un depos­ito di aria o azoto liq­uido (pozzo crio­genico in autosten­i­mento). Il flu­ido liq­uido esce dal pozzo spinto da una pompa per liq­uidi. la pres­sione di spinta vale 60 bar ma il suo lavoro è molto pic­colo per­chè appunto è liq­uido. Quando il flu­ido ha super­ato la valvola di non ritorno è costretto a super­are la tem­per­atura crit­ica (cam­bio di stato) ed a iniziare la fase espan­siva.

    L’impianto frig­orif­ero assorbe un lavoro neg­a­tivo molto pic­colo rispetto a quello pos­i­tivo per­chè nella zona antecedente la liq­ue­fazione le forze attrat­tive (ener­gia poten­ziale) avvan­tag­giano forte­mente la ricom­bi­nazione delle mol­e­cole.

    Il flu­ido dell’impianto frig­orif­ero allora prende-assorbe tutti gli attriti, più l’entalpia di liq­ue­fazione (zavorra) dell’azoto e se li porta via. L’azoto (o l’aria) in quelle con­dizioni liq­uefa e si deposita nel pozzo crio­genico pronto a reiniziare il ciclo.

    Il flu­ido dell’impianto frig­orif­ero deve subito dopo scari­care la “zavorra” assor­bita un attimo prima ed essere di nuovo pronto per il ciclo suc­ces­sivo.

    Appena l’azoto , come detto prima , supera la valvola di non ritorno

    ( inizio ciclo espan­sione con azoto ancora liq­uido) incon­tra il flu­ido dell’impianto frig­orif­ero che gli resti­tu­isce la “zavorra” che prima gli aveva tolto ( e questo è il sis­tema del pozzo crio­genico ad autososten­i­mento ).

    ALCUNE RIFLESSIONI SULLE POMPE DI CALORE.

    Le pompe di calore ad esem­pio, assor­bono 1 in ener­gia elet­trica e resti­tu­is­cono 3,5 / 4 in ener­gia ter­mica con tutti gli attriti. Ora la mia domanda è questa : è pos­si­bile costru­ire un impianto (quindi una pompa di calore crio­genica ) in cui i 4 kjoul di ener­gia ter­mica pos­sano essere con­ver­titi in 1,5/ 2 di ener­gia elet­trica, oppure esiste una legge par­ti­co­lare che vieta questa pos­si­bil­ità? No, a me non risulta. Affinchè il dis­pos­i­tivo fun­zioni è nec­es­sario che ci sia uno sbalzo di tem­per­atura e di pres­sione affinche possa essere prodotto lavoro utile e non è nec­es­sario che il val­ore mas­simo di tem­per­atura sia per forza sopra gli ZERO °C, MA CHE SIA UN VALORE DI TEMPERATURA SOPRA LO ZERO ASSOLUTO . Ora il punto è dimostrare, se il depos­ito crio­genico in cui il flu­ido ter­mina il suo ciclo, si autosostiene oppure no. Il depos­ito crio­genico altro non è che un cir­cuito ( cir­cuito chiuso come d’altronde lo è anche l’altro, ossia quello che assorbe ener­gia dall’acqua a 8 /10 ° C in alta pres­sione interno all’impianto prin­ci­pale ) in cui ven­gono scar­i­cate le energie di liq­ue­fazione ( entalpia di liquf.) ed attriti con­tenute dal flu­ido (azoto) in uscita dopo l’ultima espan­sione adi­a­bat­ica. Ora si è dimostrato ( con­ces­sione uff. brevetti UIBM n° 0001383773) che l’energia nec­es­saria alla liq­ue­fazione è minore di quella guadag­nata nell’espansione. L’impianto in sostanza ha 2 cir­cuiti ( sem­pre con azoto ), quello in bassa pres­sione (sem­pre sot­to­forma di gas allo stato per­fetto e la cui tem­per­atura è la più bassa dell’intero impianto ) che assorbe l’energia ter­mica di scarto dal cir­cuito prin­ci­pale e l’altro cir­cuito (sem­pre chiuso a più alta tem­per­atura) che cede l’entalpia di liq­ue­fazione e gli attriti all’altro. Una volta liq­ue­fatto il flu­ido (azoto) può essere com­presso da una pompa per liq­uidi e spinto nel cir­cuito di vapor­iz­zazione. Il lavoro neg­a­tivo assor­bito dalla pompa è molto più pic­colo dell’intero guadagno pos­i­tivo ottenuto pro­prio per­chè spinge un liq­uido e non un gas ( stesso sis­tema già uti­liz­zato da molti anni negli impianti a vapore ). Adesso la “zavorra” ( scarto di liq­ue­fazione) che è sulle spalle del cir­cuito interno deve essere RESTITUITA al cir­cuito esterno affinchè lo stesso ( ossia il cir­cuito interno ) si autosostenga. Il sis­tema (brevet­tato) è quello di ricom­pri­menre ( ma non di molto , solo il nec­es­sario affinchè la tem­per­atura di com­pres­sione superi di circa 20 Kelvin la tem­per­atura dell’altra con­dotta ( impianto esterno) in modo tale che i 20 k si scarichino con­tin­u­a­mente sul flu­ido liq­uido facen­dolo ritornare nello stato di gas. Ora l’espansione che ne con­segue porta con se ( già prima del ritorno nello stato di gas) una pres­sione di circa 60 bar ( prove­ni­enti dalla pompa per liq­uidi) utili per l’espansione a tem­per­a­ture ambi­ente. Adesso il ritorno verso il PUNTO CRITICO ( circa 133 k per l’aria e l’azoto) creerà, una situ­azione di stasi del gas ad inizio espan­sione fin quando lo stesso non avrà rias­sor­bito l’intera ENERGIA POTENZIALE che gli com­pete ( L’energia poten­ziale è da non con­fondere con l’entalpia di liq­ue­fazione, dipende dalla pres­sione di inizio evap­o­razione e varia appunto con la tem­per­atura e con la pres­sione volute nell’impianto). LA SOMMA DELLENERGIA POTENZIALE E QUELLA DOVUTA ALLESPANSIONE DEL FLUIDO METTERANNO IN CONDIZIONI L’IMPIANTO INTERNO DI COMPRIMERE IL SUO FLUIDO (a circa 1,6 / 1,7 bar) CON UNA ISOTERMICA QUINDI CON T = COST IN QUANTO TUTTA L’ENERGIA VERRAASSORBITA DALLALTRO FLUIDO IN ESPANSIONE. Tutto questo sarà nec­es­sario al flu­ido interno ( che guadagna in pres­sione ma non in tem­per­atura) per espan­dere, resti­tuire una parte di ener­gia neg­a­tiva assor­bita nella com­pres­sione e finire la sua espan­sione con 1 / 2 Kelvin in meno rispetto al val­ore che aveva ad inizio ciclo. ( e questa è la con­dizione per autososten­ersi).

    RIFLESSIONI SUGLI IMPIANTI A VAPORE

    In un impianto a vapore l’acqua in partenza è liq­uida ed è intorno agli 80/ 90 °C. La pompa per liq­uidi che è posizion­ata nel punto più basso del con­den­satore di vapore aspira acqua e la invia nel gen­er­a­tore di vapore con una pres­sione un pò più alta della pres­sione mas­sima sop­porta­bile in turbina ( circa 245 bar e 520 °C). Ora il guadagno in turbina è di gran lunga più grande del lavoro effet­tuato dalla pompa dell’acqua pro­prio per­chè questa spinge un liq­uido e non un gas e diver­sa­mente non sarebbe stato con­ve­niente costru­ire l’intero impianto. Ora l’acqua per essere vapor­iz­zata ha bisogno di molta ener­gia e per essere con­sid­er­ata un gas deve addirit­tura super­are i 374 °C ( 647 Kelvin) richiedendo nel gen­er­a­tore di vapore una com­bus­tione ed emis­sione di CO2 in atmos­fera. E’ anche vero che ci sono altri flu­idi la cui ten­sione di vapore è molto più bassa dell’H2O, come ad esem­pio l’ammoniaca e la stessa CO2. La vapor­iz­zazione allora di alcuni flu­idi richiede ener­gia minore rispetto alla H2O , e la stessa cosa vale nel caso della gas­si­fi­cazione. Esten­dendo questo ragion­a­mento verso flu­idi che volatiliz­zano a pres­sione ordi­naria ( 1 bar ) e tem­per­a­ture sem­pre più basse ( ben al di sotto degli 0°C) è intu­ibile che ci sia bisogno sem­pre di meno ener­gia gen­er­ata da una com­bus­tione (o comunque una con­cen­trazione ener­get­ica supe­ri­ore alla tem­per­atura ambi­ente) per gas­si­fi­care il flu­ido vet­tore. L’aria ad esem­pio (meglio però l’azoto) ha una tem­per­atura crit­ica di circa 132,7 Kelvin ( circa –170 °C) ed è ancora liq­uida se la sua pres­sione vale 38 bar. Adesso io sostengo che è pos­si­bile dimostrare (come in effetti ho fatto) la fun­zion­al­ità e fat­tibil­ità di un impianto in cui sia pos­si­bile assor­bire ener­gia ter­mica esterna a tem­per­atura ambi­ente e trasfor­marla in ener­gia di pres­sione poi in ener­gia mec­ca­nica e quindi in elet­trica. Il sis­tema in sostanza, (ricol­le­gan­domi all’esempio fatto all’inizio) è del tutto sim­ile ad un impianto a vapore (in cui ci sono nat­u­ral­mente perdite mec­ca­niche e dis­per­sive ) dove una pompa mec­ca­nica assorbe ener­gia dall’esterno ( e quindi neg­a­tiva), dove gli attriti e le perdite di por­tata diminuis­cono il guadagno netto ma che è comunque ben supe­ri­ore ai costi nec­es­sari alla riliq­ue­fazione del flu­ido aria.
    Saluti
    Tiberio Simon­etti