Cos'è ElectroYou | Login Iscriviti

ElectroYou - la comunità dei professionisti del mondo elettrico

8
voti

L'Exergia: non tutta l'Energia è uguale!

Questo articolo è un tentativo da parte mia di mettere in luce alcuni concetti prettamente di Ingegneria Energetica, molto specialistici, che molti dei Tecnici ed Ingegneri, magari diplomati e/o laureati in tempi passati, non hanno trattato nella loro carriera di studio e, difficilmente, hanno trovato poi nella vita lavorativa. Cosa tratterò? Ovviamente non tutto quello che in un corso specialistico universitario si tratta, ma almeno gli argomenti principali riguardanti la definizione e l'applicazione di Exergia e dell'Analisi Exergetica, che spesso obbliga a scelte ed azioni in contraddizione con quelle che verrebbero assunte da Tecnici che non hanno mai sentito questa espressione, che troppo spesso si scandalizzano tanto (per nulla) sulle scelte energetiche di Tecnici di più ATTUALE competenza.


Andiamo con ordine, in quanto il tema è abbastanza complesso, ma molto affascinante.
Prima di tutto, dare una definizione etimologica di Exergia, come si potrebbe fare per l'energia, poco serve, e penso non ci sia neppure; Exergia ed Analisi Exergetica non hanno troppa letteratura alle spalle, ma molta applicazione sperimentazione, il che rende difficile studiar la materia e collocarla nel giusto ambito, problematica tipica delle tecniche nate "sul campo" e non "sui libri".
Ma non scoraggiamoci; la definizione più comune è: l'exergia di un sistema è il massimo lavoro ottenibile dall'interazione sistema-ambiente circostante.
La definizione vuol dire tutto e niente, anzi, ahimè ho visto che rischia di essere dannosa per chi non ne sa nulla; indi per cui non mi soffermo su questa definizione, che è esatta ma cruda.

Indice

CONSIDERAZIONI INIZIALI


Provocazione: che differenza c'è tra un kWh usato da un apparecchio elettrico domestico e lo stesso scambiato in uno scambiatore di calore?
Be', nessuno in termini quantitativi, ma in termini qualitativi sì, e molta!
Ma cosa c'è realmente di diverso tra questi due stessi quantitativi di energia? Distinguiamo dapprima la diversa natura della forma energetica scambiata, una elettrica e l'altra termica.
Quindi,vediamo le varie forme energetiche ( dilemma da sempre quello di classificarle TUTTE e COMPLETAMENTE )
Forme in cui si manifesta l'Energia:

  • MECCANICA [macroscopica] cinetica e potenziale
  • CHIMICA [microscopica: Energia Interna]
  • TERMICA [quanti di energia: fononi]
  • NUCLEARE
  • ELETTROMAGNETICA [Elettrostatica e Magnetica]
  • RADIANTE [quanti di energia: fotoni]

Questo è un elenco delle più importanti forme di Energia presenti in natura, o meglio, quelle più usate e conosciute dall'Uomo.
Ben altro paio di maniche è la classificazione delle FONTI di energia, ossia delle sostanze o situazioni in cui si trovano oggetti inanimati o meno, dove è possibile riscontrare la presenza di energia, nelle forme elencate sopra; qui una classificazione.

In natura riscontriamo che le Rinnovabili sono forme meccaniche (idraulica ed eolico), termiche (geotermia , solare termico e termodinamico) , radiante (solare FV), mentre le Non-Rinnovabili sono chimiche (fossili) e nucleare.
Altra importate considerazione da fare è quella relativa ai processi di trasformazione da una forma all'altra o alla stessa forma trasmessa tra sistemi. Il concetto che sta sotto è quello di DEGRADAZIONE DELL'ENERGIA.
Ma prima di tutto andrebbe fatta una distinzione qualitativa tra tutte queste forme elencate ( si possono trovare in letteratura anche altre classificazioni, soprattutto per gli aspetti matematici e fisici dell'energia ): si possono distinguere due diverse forme:

  • ENERGIA ORGANIZZATA
  • ENERGIA DISORGANIZZATA


L'ENERGIA ORGANIZZATA è a sua volta quella:

  • Potenziale : cioè tutta quella dove è possibile individuare un potenziale, sia esso elettrico, magnetico, gravitazionale ed altri ancora, magari ancora da scoprire.
  • Cinetica ORGANIZZATA : quella di un flusso di particelle ipoteticamente organizzate in moto uniforme, con velocità relativa pari a zero.

Punti cruciali di queste forme energetiche:

  • Qualsiasi trasformazione tra una e l'altra si realizza a rendimento unitario.
  • Ogni trasformazione tra due sistemi di energia organizzata avviene solo attraverso scambio alla frontiera di lavoro.
  • I trasferimenti di energia organizzata avvengono senza modifica dell'Entropia dei sistemi che interagiscono.



L'ENERGIA DISORGANIZZATA è quella interna di sistemi materiali, l'energia Termica (o meglio RADIANTE TERMICA), quella chimica e associata a fenomeni turbolenti.
Punti cruciali di queste forme energetiche:

  • Esiste un limite superiore di conversione tra forma disorganizzata ed organizzata, dipendente dalle variabili termodinamiche del sistema in conversione.
  • Necessariamente, la conversione di energie disorganizzate coinvolgono l'aumento entropico dei sistemi in esame.

REVERSIBILITÁ ED IRREVERSIBILITÁ


Ancora dobbiamo aggiungere la definizione, prettamente Termodinamica, ma estendibile anche ad ambiti diversi, di processo Reversibile ed Irreversibile.
In realtà, il concetto va esteso a qualunque applicazione fisica, in merito, ricordo, un bellissimo libro che lessi, "Che cos'è l'Entropia" di Vittorio Silvestrini, che veramente fa luce sul tema.
La nascita del concetto, così come lo conosciamo, ovvero puramente Termodinamico, non deve trarre in inganno. Nel mondo, nei sistemi gravitazionali, tutto è Entropico, ovvero ha un verso ben definito di come si evolvono spontaneamente o MENO (!!) i sistemi. Vediamo il concetto ai suoi albori, ahimè spiegato non con definizione ma attraverso un elenco di caratteristiche.
Dicasi processo Reversibile, un processo che:

  • Non può mai essere totalmente realizzato.
  • NON ESISTE ( nei sistemi gravitazionali entropici ) ma fa da limite, per confronto con i reali processi.
  • Rappresenta un'astrazione matematico-filosofica che fa da base delle definizioni dei processi reali che si allontanano dal Reversibile a causa dei fenomeni entropici gravitazionali (meglio chiamati come Irreversibilità, ossia isteresi, attriti, turbolenza, miscelamenti, anisotropie macro/microscopiche ecc...).

Dicasi processo Irreversibile, un processo che:

  • Rappresenta i reali processi in natura.
  • Intrinsecamente apporta un aumento dell'Entropia (intesa come variabile termodinamica e non generale).

A sua volta classificabili sono i fenomeni entropici:

  • Perdita di lavoro meccanico diretta: attriti, isteresi, resistenze ohmiche, turbolenza ( erosione dell'acqua di un ruscello sulle rocce, lenta usura del filamento di Tungsteno di una lampadina..).
  • Spontaneità direzionale degli eventi: reazioni chimiche libere, diffusioni/espansioni libere, ritorno allo standard ambientali di variabili e caratteristiche di situazioni e sostanze ( caduta di massi in montagne per liberarsi della loro energia potenziale, equalizzazione della temperatura della tazza di caffè bollente con quella ambientale...).

Il calcolo delle Irreversibilità, spesso è un ricorso alla misura della differenza tra la variabile studiata in teoria e quella misurata nella realtà, ovvero, si ritiene che tutto quello che produce irreversibilità è contenuto nella frazione differenziale tra il Reversibile teorico ed il reale. Tutto questo (sfido qualcuno a dimostrarmi il contrario..) è sempre positivo.

250px-Efficiency diagram by Zureks svg

250px-Efficiency diagram by Zureks svg

Esempio: Impianti Idroelettrico.


A disposizione la potenza:

 P_d = \rho \cdot g \cdot Q \cdot H_d


dove:

  • ρ = densità dell'acqua 1000 [kg/m3] )
  • g = costante gravitazionale ( 9.81 [m/s2] )
  • Q = portata d'acqua [m3]/s]
  • H = altezza utile [m]

Mentre otteniamo solo la potenza elettrica all'alternatore Pe.
Tutto ciò che differisce tra le due sono perdite (nella condotta, nella macchina, nell'alternatore):

Pr = PdPe


Questo è un caso dove tutte le perdite (a parte quelle termiche dell'alternatore) sono della prima natura, ovvero perdite di lavoro meccanico dirette.
Questo esempio è utile perchè mette in luce come sia veritiero, ed estendibile a tutto, il postulato dell'Entropia:
l'Entropia di un sistema isolato aumenta sempre.
Termodinamicamente si esprime la potenza persa per lavoro in produzione entropica con la seguente:

Wr = T0(SfSi)

Inseriamo le perdite di forma termica, che sono date dall'entropia generata nei vari scambi di potenza termica, alle varie temperature a cui si sviluppano, e vengono sommate; (ricordo che Q = S*T) :

 \sum_{r=1}^N Q_r/T_r

Risulta quindi:

 P_r = (S_f - S_i) - \sum_{r=1}^N Q_r/T_r > 0

Se sono moltiplicate le grandezze per la portata massica, risulta Potenza come unità di misura. Questa formula è comune per il solo uso termodinamico e non per tutte le altre vicende su cui l'Entropia può essere utilizzata, soprattutto per i sistemi termo-meccanici, macchine a fluido, ecc...

EXERGIA E CALCOLI EXERGETICI


Vediamo il Primo Principio della Termodinamica. Non è altro che un bilancio in-out di una regione di controllo dell'energia. La scrittura migliore a mio avviso è questa:

 dE \ = dQ \ - dW \

Vediamo il Secondo Principio della Termodinamica. Estende il Primo Principio, non all'Energia, ma all'Entropia.

 dS \ > 0

Formula generale dell'Exergia:

ENERGIA = EXERGIA + ANERGIA



Il contributo Anergetico, è la parte Energetica NON utilizzabile, quindi, secondo la cruda definizione riportata all'inizio, non fa parte dell'Exergia. Il contributo Anergetico è lo STATO BASE DEL CONTENUTO ENERGETICO, e per sapere se è ESTRAIBILE del lavoro MECCANICO da quel sistema, quel sistema deve possedere un'aliquota exergetica.

Esempio: aria in pressione a 200 [atm], aria di composizione standard, a temperatura ambiente ( 15[C°] ), FERMA (!!),ad un'altezza di 0 [m] (sul riferimento geodetico), possiede l'Exergia, ovvero energia convertibile in lavoro meccanico per 199 [atm] di espansione (non centra NULLA il Rendimento della macchina dove avviene l'espansione (!!), stiamo parlando di ipotetico lavoro meccanico estraibile).
Ovviamente non può espandere fino a pressione (ASSOLUTA) pari a 0 [atm], in quanto quest'aria "vive" in un ambiente gravitazionale entropico che è (ripeto è!!) a pressione ambiente di 1 [atm], quindi la pressione REALMENTE utilizzabile e DECURTATA della parte ambientale, che è quella ANERGETICA. SULLA LUNA AVREBBE ESPANSO FINO A 0 [atm], IN QUANTO L'AMBIENTE LUNARE è (!!) A PRESSIONE 0 [atm].


Definiamo le forme di Exergia legate alla natura in cui si manifesta l'Energia stessa, come di seguito.

EXERGIA TERMICA
Legando il primo ed il secondo principio della termodinamica, risulta la definizione di Exergia termica (non si trattano tutte le formule di passaggio)

Bq = Qr(1 − T0 / Tr)

Deriva dal fatto che lo scambio di calore possiede exergia, cioè è utilizzabile solo se è a temperatura diversa da quella ambientale. Si intuisce che maggiore è la temperatura a cui si scambia calore, maggiore è l'Exergia, cioè la QUALITà dell'Energia posseduta. Scambiare calore a temperatura ambiente è buttar via energia totalmente per nulla, significa aumentare l'Entropia del sistema.
Esempio: il riscaldamento degli ambienti domestici; tutta energia buttata, o meglio, l'exergia finale è zero!

EXERGIA MECCANICA ED ELETTRICA
L'exergia meccanica è PER DEFINIZIONE Exergia pura al 100%.

Bm = W

Purtroppo sento dire che quella elettrica sia più pura. Non è così, in quanto l'Energia elettrica e di natura duale a quella magnetica, che è intrinsecamente legata a movimenti di cariche nel tempo; movimento significa intrinsecamente riportare la propria energia a quella cinetica, che è meccanica quindi pura. Tutto questo appena descritto è una CONVERSIONE, (intrinseca, all'interno dei fenomeni elettrici), e quindi, come ogni conversione, porta a perdite intrinseche; in questo caso, il fatto stesso che si CREI un campo magnetico, ne è sintomo di perdita. Il punto di vista di questo vale solo in ambito energetico, ed è spesso in contraddizione con altri concetti della fisica. Non è altresì corretto dire che l'Energia Elettrica sia di maggior qualità di quella Meccanica, perché a sua volta prodotta dalla Meccanica; questo ragionamento va bene solo per i sistemi energetici di produzione dove si fa Analisi Exergetica. Il fattore di qualità dell'Energia Elettrica è di circa 1,05. Qualitativamente, queste perdite pesano abbastanza poco sulla natura dell'Exergia Elettrica.

Be = W / 1.05


EXERGIA CHIMICA
L'Exergia chimica, è rapportata alla situazione Standard ambientale. Si è definito che l'ambiente di riferimento è composto dal seguente sistema, riportato in tabella.

oil wells

oil wells

Sostanza Exergia chimica [kJ/kmol] Entalpia di formazione [kJ/kmol] Massa molare standard [kg/kmol]
H2O 11710 241818 18,015
CO 275430 -110525 28,01
H2 238490 0 2,016
O2 3970 0 31,999
N2 720 0 28,014
CO2 20140 -393509 44,01
CH4 836510 -74520 16,043


L'Exergia Chimica è la somma di due componenti, una di miscelazione delle speci e l'altra del quantitativo energetico delle stesse in relazione alle concentrazioni e tipologie di sostanze presenti. La tabella riporta gli elementi che vengono standardizzati come "AMBIENTE" di riferimento. Ad esempio il metano CH4 contiene exergia perchè un suo qualsiasi quantitativo rispetto all'aria possiede energia chimica di formazione del metano, convertibile in lavoro.
La formula è coerente e ben spiegata così:

 B_k = \sum_{i=1}^N [x_i R_0 T_0 ln (x_i) + x_i Ek_i]


EXERGIA FISICA
Niente di diverso fisicamente da quello appena esposto. Un artifizio per lo studio dei sistemi, prettamente Energetici, che serve a determinare perti di Exergia meccanica.

Bf = hh0T0(SS0)

con h entalpia e S entropia.

BILANCI EXERGETICI ED APPLICAZIONI


Il bilancio di exergia per un qualsiasi sistema è:

Be + Bi = Bu + Bd + Bp

con:

  • Be = Exergia entrante (nel mio volume di controllo);
  • Bi = Exergia immagazzinata ("acchiappata e mantenuta" dal mio volume di controllo;
  • Bu = Exergia utile (riscontrabile nella definizione dell'utilità del componente studiato);
  • Bd = Exergia distrutta (parte anergetica intrinseca della trasformazione);
  • Bp = Exergia persa (parte ancora utilizzabile ma non utilizzata);

Vediamone alcune applicazioni ai SISTEMI ENERGIVORI:
Automobile:

  • Exergia entrante Be = exergia chimica del combustibile;
  • Exergia immagazzinata Bi = nessuna (nemmeno quella termica, perchè quando la spegniamo si raffredda (unica parte: eventuali incrostazioni d'olio/combustibile, residue nelle pareti, ancora con componenti exergetiche chimiche) );
  • Exergia utile Bu = Flusso di potenza meccanica che vince le perdite per attrito che si oppongono al moto, più il flusso degli ausiliari (intesi come necessari al processo e/o desiderati dal conducente);
  • Exergia distrutta Bd = attriti del cilindro, e tutti quelli interni nella conversione chimico termo-meccanica ((trasferimento alla componete anergetica);
  • Exergia persa Bp = fumi caldi (ancora utilizzabili, ma non utilizzati);


Entra Exergia pregiata come quella di un prodotto non solo esauribile, ma trattato in raffineria, che si trascina con se il contenuto exergetico delle operazioni che lo hanno prodotto ed esce solo energia per vincere delle perdite.


Condensatore di vapore:

  • Exergia entrante Be = quantità energetica termica e di pressione (la pressione è al di sotto di quella ambientale, quindi è diversa dallo standard, quindi esiste lavoro meccanico estraibile ( un'ipotetico sistema che espande l'ambiente a pressione ambiente all'interno del condensatore che si trova a più bassa pressione)) ed il contributo cinetico;
  • Exergia immagazzinata Bi = nessuna (quando si spegne non resta nulla);
  • Exergia utile Bu = calore latente ceduto all'acqua (in questo caso è bene definire lo scopo del condensatore, quello di far condensare, cioè far perdere energia al flusso di vapore fino a condensarlo; potrebbe esser strano che la funzione di un organo sia quello di perdere energia, ma è alla base della trasformazione fisica che avviene in esso);
  • Exergia distrutta Bd = vortici interni creati dall'iterazione tubazioni, flusso di vapore entrante;
  • Exergia persa Bp = difficilmente riscontrabile. Potrebbe essere quella del non completo cambio di fase, ma sostanzialmente questo non avviene, visto che si estrae liquido saturo;


Vediamone alcune applicazioni ai SISTEMI ENERGETICI:
FV:

  • Exergia entrante Be = exergia radiante della luce nella suo COMPLETO spettro, in forma elettromagnetica (diviso 1,05 cioè NON pura);
  • Exergia immagazzinata Bi =residue cariche non passanti la banda di valenza (trascurabile);
  • Exergia utile Bu = exergia elettrica uscente (quella continua);
  • Exergia distrutta Bd = quella convertita in termica, anzichè elettrica nella conversione fotovoltaica;
  • Exergia persa Bp = piccole perdite nei cavi, ma trascurabili, e la riflessione ai raggi solari, del pannello;

Impianto nucleare BWR


  • Exergia entrante Be = exergia combustibile nucleare;
  • Exergia immagazzinata Bi = nessuna;
  • Exergia utile Bu = potenza ai morsetti (elettrica);
  • Exergia distrutta Bd = quella del ciclo termico (a volte il 55% dell'entrante);
  • Exergia persa Bp = quella del raffreddamento vapore ( % bassissima in quanto va persa ad una temperatura bassa quindi di scarsa qualità);

Da notare sul diagramma la diversa entità dei flussi energetici ed exergetici, in questo caso di un termoelettrico Tradizionale. L'analisi exergetica ci dice come non sia il condensatore la maggior causa di spreco ma la caldaia. Ecco perchè si lavora sulle combustioni ancora tanto.

CONCLUSIONI (PER ORA)


L'Analisi Exergetica, è uno strumento molto importate in Energetica ed Economia. Ho elencato, per motivi tempistico logistici, solo alcune applicazioni e solo alcune definizioni. Lo scopo principale era quello di illustrare alcuni concetti importati molto poco conosciuti, o peggio, conosciuti male. Questo approccio, non solo discrimina l'Energia, ma anche l'uso della stessa, e la pianificazione della produzione. Sono dell'idea che questo debba essere il corretto modo di vedere l'uso e la produzione energetica applicabile sia su scala locale che su quella nazionale. Ringrazio.

12

Commenti e note

Inserisci un commento

di ,

Effettivamente caro Giuseppe è l'invenzione dell'acqua calda poichè si sa benissimo che l'energia meccanica si può accumulare utilizzando un sistema di volani più o meno complesso, credo che il sistema KDS sia già stato brevettato sicuramente da qualche casa automobilistica. La frase "il peso di moltiplica" non è commentabile :-) .

Rispondi

di ,

Ecco, dimenticavo... L'analisi Exergetica, ti permette di non credere agli ufo come fanno questi quì ... ogni volta che vedo questo video, provo tanto sconforto, ma poi me la rido... appena lo faranno, spariranno del tutto... ;) Sentite come inizia il video... " il peso si MOLTIPLICA.." http://www.youtube.com/watch?v=8dAUY0U-D5M

Rispondi

di ,

Concordo con LucaB82, i progetti , soprattutto Termotecnici, escludono l'applicazione Exergetica. Io non la feci a Fisica Tecnica (Dipartimento di Ingegneria Meccancia Unipd 2008), ma a Sistemi Energetici e poi ad Impianti Energetici..(specialistica di Energetica). Il mio comunque, era più che altro un articolo-rassegna delle applicazioni e delle definizioni. Vedo che questa analisi, sia sul lavoro, che nello studio dei sistemi energetici ed ENERGIVORI (!!), è il passo in più che ho, ed hanno chi la conosce, rispetto ai Progettisti (laureati e non) che non la usano magari perchè di meno attuale competenza.. Ci vorrebbero molte altre sparti da ampliare, chissà se scriverò ancora qualcosa su questo tema... vedo (non solo su EY) che nessuno ne parla tanto...eppure, a mio parere è una chiave di conoscenza importante. Grazie ancora!

Rispondi

di ,

Per la cronaca ho sostenuto l'esame di Fisica Tecnica il giorno 18/11/2003 presso il dipartimento di Ingegneria Meccanica dell'Università di Padova con il bravissimo professor Mariotti.

Rispondi

di ,

Carissimi colleghi è vero l'exergia che ampiamente il mio corso di Fisica Tecnica prevedeva probabilmente come dice Giuseppe riguarda la parte termica, io ricordo specificatamente la differenza tra sistemi aperti e sistemi chiusi termodinamicamente parlando e le conseguenze sulle equazioni che danno le perdite per irreversibilità. Ho visto di sfuggita anch'io l'applicazione del concetto di exergia allargato alle forme di energia e quindi all'analisi economica come dice Giuseppe. Bravo campo molto interessante. In ogni caso dubito che anche un perito ante riforma sappia cosa siano tali argomentazioni in quanto sono appunto prettamente universitarie (giustamente). Pertanto penso che le scelte progettuali dal punto di vista termodinamico spinto debbano tenere conto per forza del rendimento exergetico di un sistema aperto e dubito che molti progettisti specialmente non laureati ne tengano conto anche attualmente. Nel mondo del lavoro la maggior parte dei progettisti non laureati nel campo termotecnico non hanno la minima idea di cosa sia il rendimento exergetico di un sistema aperto tanto che per esperienza personale tutte le progettazioni viste molto di recente tengono conto solamente del rendimento di primo principio di un sistema termodinamico (caldaie, pompe di calore, trigenerazione, ecc....), quindi siamo ancora nel medioevo dal punto di vista termodinamico.

Rispondi

di ,

Grazie a Tutti.. Cmq a Fisica Tecnica fanno "solo" l'Exergia termica... dell'estensione alle altre forme e lo studio dei sistemi energetici, anche basico, non viene fatto.. Non so se è stato chiaro; questo approccio, viene usato in forma decisionale dagli Energy Manager (come il sottoscritto), per gestire le forme energetiche di un'azienda, e per discriminarne le applicazioni. In "tempi di guerra", come l'attuale, il risparmio si basa molto sulle scelte, anche a livello comunitario e nazionale.

Rispondi

di ,

purtroppo l'exergia è stata argomento dell'unica domanda sulla quale ho esitato all'orale di fisica tecnica... se l'avessi trovato prima un articolo così...

Rispondi

di ,

Interessante. Bravo Gisueppe.

Rispondi

di ,

Confermo! Neanche il mio programma di Fisica Tecnica accennava minimamente all'Exergia...

Rispondi

di ,

Caro LucaB82, ci credi se Ti dico che il mio esame di Fisica Tecnica NON prevedeva l'Exergia nel programma? :-) P.S. Unipd ed ho 28 anni... Per sentire di Exergia ho sostenuto altri esami della specialistica.. non so come siano adesso le cose, speriamo meglio.. ;-) Grazie a Tutti,l'articolo è solo parziale ed andrebbe approfondito; se ci sono critiche ed imprecisioni, scannatemi! :-)

Rispondi

di ,

Caro Giuseppe chi ha sostenuto l'esame di fisica tecnica sa cos'è l'exergia e ovviamente chi non non l'ha sostenuto no! Complimenti per l'articolo comunque ;-) .

Rispondi

di ,

Non è il mio campo ma l'ho letto con molto piacere ed interesse! Complimenti :)

Rispondi

Inserisci un commento

Per inserire commenti è necessario iscriversi ad ElectroYou. Se sei già iscritto, effettua il login.