Energia e Termodinamica

Perché esiste il problema energetico e perché è connesso ai problemi ambientaliIn base al primo principio della termodinamica il problema energeticonon dovrebbe esistere: l’energia può essere convertita da una forma all’altra ma si conserva

Esiste però il secondo principio! La perdita di qualità energetica connessa ad ogni trasformazione reale è rappresentata dall’aumento di entropia del sistema che compie la

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trasformazione. Il secondo principio introduce il concetto di qualità dell’energia. Una misura della qualità dell’energia termica, la più immediata, è data dalla sua temperatura Gli usi finali dell’energia e le fonti energetiche vengono normalmente classificati come:

 a bassa temperatura (sotto i 100°C), quali il riscaldamento di acqua

sanitaria ed ambienti;

 a media temperatura (150 - 250°C), richiesta da processi produttivi, sterilizzazioni, cottura di cibi, etc.;

 ad alta temperatura (1500 - 2000°C ed oltre) utilizzabile per produrre lavoro meccanico, dove il lavoro meccanico stesso e l’energia elettrica sono ascritti a questa ultima categoria.

Nel bilancio energetico nazionale italiano, gli usi finali a bassa temperatura, all’inizio degli anni '80, costituivano circa il 32% del totale. I soli usi finali cosiddetti "domestici", per la quasi totalità a bassa temperatura, costituivano un quarto della domanda totale di energia primaria. Ad essi vanno aggiunti gli usi terziari ed industriali sempre a bassa temperatura. Si evince, pertanto, che gli usi finali a bassa temperatura non sono affatto trascurabili da un punto di vista quantitativo. Tanto maggiore poi è la temperatura, tanto maggiore è la convertibilità in lavoro dell’energia disponibile a quella temperaturaMa non esiste solo il ciclo di Carnot: anche una differenza di pressione, di volume specifico o di energia potenziale o cinetica tra ingresso ed uscita in un sistema aperto, possono produrre lavoro.

È necessario generare energia senza grosse dispersioni in termini di entropia, o meglio, è necessario reimmettere l'energia nuovamente nel sistema invece che dissiparla sotto forma di calore. Bisogna quindi istituire processi che consentano di recuperare il calore prodotto dai cicli termodinamici (attualmente esistono i dispositivi cosiddetti energy

harvester).

Un indicatore più completo della qualità dell’energia è dato dalla grandezza exergia. Essa è definita come la frazione di una data quantità di energia utilizzabile in forma di lavoro. L'exergia quantifica il potenziale di energia e materia da disperdere nel corso della loro diffusione nell'ambiente, mentre l'entropia è il concetto che quantifica lo stato di dispersione e fino a che punto l'energia e la materia in questione vengono disperse. Il metodo dell'analisi exergetica, basato sulla combinazione della prima e della seconda

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legge della termodinamica, si presenta come l'anello mancante che serviva per raggiungere la comprensione e la visualizzazione dei flussi energetici. L'exergia di un sistema è il massimo lavoro meccanico che può essere estratto da tale sistema, quando lo si porta in equilibrio con l'ambiente di riferimento (che si ipotizza mantenga temperatura, pressione, composizione chimica costante durante il processo). Per il primo principio della termodinamica l'energia dell'universo rimane costante, pur passando da una forma all'altra. Tuttavia non tutte le forme di energia possono essere ugualmente sfruttate per produrre lavoro utile: il concetto di exergia è stato formulato proprio per fornire una valutazione qualitativa dell'energia. Al contrario dell'energia, l'exergia dell'universo non si conserva, bensì si riduce in ogni trasformazione irreversibile, in maniera direttamente proporzionale all'incremento di entropia dell'universo.

L'exergia di un sistema può essere così espressa:

𝐸_𝑥= 𝐸 − 𝑇_𝑎𝑆 (2.2)

dove: 𝐸_𝑥 è l'exergia, 𝐸 l'energia, 𝑇_𝑎 la temperatura ambiente ed 𝑆 l'entropia.

Per fare un esempio consideriamo una caldaia a metano: l'energia chimica contenuta nel metano potrebbe essere impiegata per produrre energia meccanica attraverso un motore, mentre la stessa quantità di energia chimica, una volta avvenuta la combustione e che si è trasformata in calore per scaldare l'acqua, potrà essere impiegata per produrre una minore quantità di energia meccanica. Evidentemente nella caldaia è avvenuta una "degradazione" dell'energia, ossia una riduzione di exergia ed un aumento di entropia. Nel valutare l’efficienza con cui avvengono le conversioni energetiche, è importante valutare l’exergia, e gli sprechi da evitare sono quei fenomeni di degrado rappresentati da riduzioni del valore di tale grandezza. Un criterio per valutare questa efficienza, o appropriatezza dell’uso delle risorse, è il calcolo del rendimento termodinamico del secondo ordine (rendimento isoentropico), definito come rapporto fra il lavoro ottenuto nella trasformazione reale in esame e lavoro ottenibile se la trasformazione in questione fosse ideale (priva di effetti dissipativi) o, ancora meglio, il rendimento exergetico del processo. Esso è definito come il rapporto tra l’exergia ottenuta alla fine del processo e l’exergia spesa/utilizzata/disponibile all’inizio dello stesso. È evidente che quando si impiega una fonte energetica ad alta temperatura, per un utilizzo che richiede una bassa temperatura, il rendimento exergetico è basso. A parità di energia termica fornita, una

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sorgente più calda fornisce una maggiore quantità di exergia, come si evince dall'espressione:

𝐸_𝑥 = 𝑄 (1 − 𝑇𝑎

𝑇_{𝑠𝑜𝑟𝑔𝑒𝑛𝑡𝑒}) (2.3)

La domanda di energia è costituita dagli usi finali della stessa (calore, energia meccanica, luminosa) mentre l’offerta è costituita dalle fonti. Entrambe possono essere classificate in base alla qualità dell’energia.

Adeguare qualitativamente l’offerta alla domanda significa eseguire interventi di razionalizzazione energetica, dove per razionalizzazione si intende l’adeguamento delle forme di energia disponibili agli utilizzi finali più idonei, ed il suo scopo è la conservazione della qualità dell’energia. Questo si traduce generalmente in una minor domanda di energia primaria, in particolare di quella fornita da fonti non rinnovabili.