Nel campo dei motori a combustione esterna è facile farsi prendere dall'entusiasmo perdendo il contatto con la realtà dei fatti.
In questo post verranno proposte una serie di considerazioni di carattere generale per cercare di ampliare la visione d'insieme e accentuare le capacità critiche nei confronti dell'analisi teorica affrontata fino a questo punto.
Iniziamo col definire un motore di dimensioni ragionevoli di cui verrà valutato il lavoro risultante e il fabbisogno termico. Di quest'ultimo verrà data un'idea tangibile traducendolo in quantità di combustibile consumata.
DATI MOTORE
Diametro pistone: 110 mm
Diametro dislocatore: 200 mm
Scalda/Sfredda: 1,434
Corsa pistone: 50 mm
Cilindrata: 1571 cm3
CONDIZIONI OPERATIVE
Temperatura fredda: 50°C
Temperatura calda: 400°C
Pressurizzazione: 1 atm = 101.325 Pa
PRESTAZIONI
Lavoro utile per ciclo: 18,0 J
Energia termica assorbita per ciclo: 59,5 J
Rendimento teorico: 30,2%
Vogliamo a questo punto quantificare in modo più concreto a cosa corrispondono i 59,5J di energia termica assorbita convertendoli in massa di legna da ardere.
Il potere calorico della legna asciutta di buona qualità è di 14.600kJ/kg corrispondenti a circa 3.500kcal/kg.
Dalla combustione di 1 grammo di legna si liberano 14,6kJ=14.600J di energia termica sufficienti (almeno in teoria) a fare funzionare il motore per 14.600J/59,5J=245 cicli.
In questo blog è stato scelto di utilizzare il Joule (simbolo J) come unità di misura per il lavoro e per tutti i tipi di energia, compresa quella termica, in accordo con quanto stabilito dal Sistema Internazionale. La scelta potrebbe apparire insolita perchè è pratica molto comune esprimere l'energia termica in calorie (simbolo cal).
L'esistenza di diverse unità di misura per una stessa grandezza fisica è la regola e non l'eccezione. Il motivo della diversità ha origini storico/geografiche e solo il tempo permetterà l'unificazione delle unità di misura a ogni livello in tutto il mondo.
L'adozione di un'unità di misura comune per l'energia e per il lavoro trova motivazione anche nella volontà di esprimere la loro equivalenza evitando in questo modo anche le inutili complicazioni dovute alle conversioni fra le diverse unità.
Comunque, ove possibile, i risultati verranno riportati anche nelle unità di misura tradizionali per agevolare al massimo la comprensione.
Nella sezione "PRESTAZIONI" sono stati quantificati lavoro ed energia.
Stabilendo una frequenza di pulsazione, cioè il numero di cicli effettuati nell'unità di tempo, è possibile calcolare la potenza, cioè l'energia termica fornita e il lavoro prodotto nell'unità di tempo.
Anche in questo caso è stato scelto di seguire le disposizioni del Sistema Internazionale esprimendo la frequenza in hertz (simbolo Hz o anche s-1) anche se in ambito motoristico la regola sarebbe stata quella di utilizzare le rotazioni per minuto (simbolo rpm).
Il vantaggio di utilizzare l'hertz come unità di misura della frequenza e il Joule come unità di misura dell'energia e del lavoro appare lampante dalla semplicità della seguente relazione
Potenza = Lavoro o Energia * Frequenza
in cui la potenza risulta espressa in Watt (simbolo W) quando il lavoro o l'energia vengono espressi in Joule e la frequenza in hertz.
Ritornando all'esempio, a 1Hz (60rpm) il motore svilupperà una potenza meccanica di 18W con un assorbimento termico di 59,5W. A 10Hz (600rpm) le due grandezze saranno 10 volte maggiori.
Ricordiamo che pressurizzando è possibile ottenere potenze meccaniche maggiori a parità di rendimento teorico.
I motori a combustione esterna trovano applicazione soprattutto nell'ambito della cogenerazione elettrica.
Per il funzionamento del motore di Manson sono necessarie temperature facilmente raggiungibili con molti tipi di combustibile (legna, pellet, cippato, mais, granaglie, ...).
Ma la prima valutazione da fare è l'efficienza a cui l'impianto cogenerativo diventa economicamente vantaggioso.
L'energia elettrica della rete costa 0,15-0,20euro/kWh dove 1kWh = 3.600kJ.
Il prezzo della legna varia da 0,10 a 0,15 euro/kg con un potere calorico di 14.600kJ/kg = 4kWh/kg.
Dai dati sopra, nella migliore delle ipotesi è sufficiente un rendimento pari a
rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,10 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,20 euro/kWh ] = 0,125 (12,5%)
nell'ipotesi peggiore
rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,15 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,15 euro/kWh ] = 0,25 (25%)
Concludiamo con una considerazione che dovrebbe mettere in guardia da ingiustificati entusiasmi.
Anche se il motore di Manson free piston dell'esempio presenta un rendimento teorico del 30,2% quindi superiore a quello necessario per rendere il sistema economicamente vantaggioso, nella realtà il rendimento risulterà sicuramente sempre molto più basso a causa delle inevitabili perdite presenti nella situazione reale (inefficienza della caldaia, attriti, perdite fluidodinamiche, inefficienza del rigeneratore di calore, by-pass termici, inefficienza dell'alternatore, ...).
Nel conteggio si è intenzionalmente valutata solo la produzione di energia elettrica e in questo caso difficilmente sarà possibile ottenere un reale vantaggio economico se il combustibile ha il costo dichiarato (se invece costa meno o è addirittura gratis la situazione diventa molto più favorevole).
Ma allarghiamo la visione d'insieme per cogliere le reali possibilità offerte dalla combustione esterna.
La temperatura fredda operativa di 50°C adottata nell'esempio permette infatti anche la produzione di acqua calda per uso sanitario e per il riscaldamento.
In questo caso il vantaggio economico diventa subito apprezzabile e l'uso di un motore semplice ed essenziale come il motore di Manson può realmente costituire un'opportunità.
In questo post verranno proposte una serie di considerazioni di carattere generale per cercare di ampliare la visione d'insieme e accentuare le capacità critiche nei confronti dell'analisi teorica affrontata fino a questo punto.
Iniziamo col definire un motore di dimensioni ragionevoli di cui verrà valutato il lavoro risultante e il fabbisogno termico. Di quest'ultimo verrà data un'idea tangibile traducendolo in quantità di combustibile consumata.
DATI MOTORE
Diametro pistone: 110 mm
Diametro dislocatore: 200 mm
Scalda/Sfredda: 1,434
Corsa pistone: 50 mm
Cilindrata: 1571 cm3
CONDIZIONI OPERATIVE
Temperatura fredda: 50°C
Temperatura calda: 400°C
Pressurizzazione: 1 atm = 101.325 Pa
PRESTAZIONI
Lavoro utile per ciclo: 18,0 J
Energia termica assorbita per ciclo: 59,5 J
Rendimento teorico: 30,2%
Vogliamo a questo punto quantificare in modo più concreto a cosa corrispondono i 59,5J di energia termica assorbita convertendoli in massa di legna da ardere.
Il potere calorico della legna asciutta di buona qualità è di 14.600kJ/kg corrispondenti a circa 3.500kcal/kg.
Dalla combustione di 1 grammo di legna si liberano 14,6kJ=14.600J di energia termica sufficienti (almeno in teoria) a fare funzionare il motore per 14.600J/59,5J=245 cicli.
In questo blog è stato scelto di utilizzare il Joule (simbolo J) come unità di misura per il lavoro e per tutti i tipi di energia, compresa quella termica, in accordo con quanto stabilito dal Sistema Internazionale. La scelta potrebbe apparire insolita perchè è pratica molto comune esprimere l'energia termica in calorie (simbolo cal).
L'esistenza di diverse unità di misura per una stessa grandezza fisica è la regola e non l'eccezione. Il motivo della diversità ha origini storico/geografiche e solo il tempo permetterà l'unificazione delle unità di misura a ogni livello in tutto il mondo.
L'adozione di un'unità di misura comune per l'energia e per il lavoro trova motivazione anche nella volontà di esprimere la loro equivalenza evitando in questo modo anche le inutili complicazioni dovute alle conversioni fra le diverse unità.
Comunque, ove possibile, i risultati verranno riportati anche nelle unità di misura tradizionali per agevolare al massimo la comprensione.
Nella sezione "PRESTAZIONI" sono stati quantificati lavoro ed energia.
Stabilendo una frequenza di pulsazione, cioè il numero di cicli effettuati nell'unità di tempo, è possibile calcolare la potenza, cioè l'energia termica fornita e il lavoro prodotto nell'unità di tempo.
Anche in questo caso è stato scelto di seguire le disposizioni del Sistema Internazionale esprimendo la frequenza in hertz (simbolo Hz o anche s-1) anche se in ambito motoristico la regola sarebbe stata quella di utilizzare le rotazioni per minuto (simbolo rpm).
Il vantaggio di utilizzare l'hertz come unità di misura della frequenza e il Joule come unità di misura dell'energia e del lavoro appare lampante dalla semplicità della seguente relazione
Potenza = Lavoro o Energia * Frequenza
in cui la potenza risulta espressa in Watt (simbolo W) quando il lavoro o l'energia vengono espressi in Joule e la frequenza in hertz.
Ritornando all'esempio, a 1Hz (60rpm) il motore svilupperà una potenza meccanica di 18W con un assorbimento termico di 59,5W. A 10Hz (600rpm) le due grandezze saranno 10 volte maggiori.
Ricordiamo che pressurizzando è possibile ottenere potenze meccaniche maggiori a parità di rendimento teorico.
I motori a combustione esterna trovano applicazione soprattutto nell'ambito della cogenerazione elettrica.
Per il funzionamento del motore di Manson sono necessarie temperature facilmente raggiungibili con molti tipi di combustibile (legna, pellet, cippato, mais, granaglie, ...).
Ma la prima valutazione da fare è l'efficienza a cui l'impianto cogenerativo diventa economicamente vantaggioso.
L'energia elettrica della rete costa 0,15-0,20euro/kWh dove 1kWh = 3.600kJ.
Il prezzo della legna varia da 0,10 a 0,15 euro/kg con un potere calorico di 14.600kJ/kg = 4kWh/kg.
Dai dati sopra, nella migliore delle ipotesi è sufficiente un rendimento pari a
rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,10 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,20 euro/kWh ] = 0,125 (12,5%)
nell'ipotesi peggiore
rendimento per pareggio costi = prezzo combustibile / [ potere calorico * prezzo energia elettrica ] =
= 0,15 euro/kg / [ 4kWh/kg * 0,15 euro/kWh ] = 0,25 (25%)
Concludiamo con una considerazione che dovrebbe mettere in guardia da ingiustificati entusiasmi.
Anche se il motore di Manson free piston dell'esempio presenta un rendimento teorico del 30,2% quindi superiore a quello necessario per rendere il sistema economicamente vantaggioso, nella realtà il rendimento risulterà sicuramente sempre molto più basso a causa delle inevitabili perdite presenti nella situazione reale (inefficienza della caldaia, attriti, perdite fluidodinamiche, inefficienza del rigeneratore di calore, by-pass termici, inefficienza dell'alternatore, ...).
Nel conteggio si è intenzionalmente valutata solo la produzione di energia elettrica e in questo caso difficilmente sarà possibile ottenere un reale vantaggio economico se il combustibile ha il costo dichiarato (se invece costa meno o è addirittura gratis la situazione diventa molto più favorevole).
Ma allarghiamo la visione d'insieme per cogliere le reali possibilità offerte dalla combustione esterna.
La temperatura fredda operativa di 50°C adottata nell'esempio permette infatti anche la produzione di acqua calda per uso sanitario e per il riscaldamento.
In questo caso il vantaggio economico diventa subito apprezzabile e l'uso di un motore semplice ed essenziale come il motore di Manson può realmente costituire un'opportunità.
Caro Yuz, sono d'accordo: il rapporto tra costo-termico e costo-elettrico espresso in %, come hai fatto tu in questo post, indica con quale rendimento minimo un motore termico debba funzionare per raggiungere il pareggio economico.
RispondiEliminaE questo è un costo gestionale puro e semplice: ma anche il motore costa, abbisogna pure di una minima manutenzione e ha una durata di vita non illimitata.
Da qui la necessità di rivolgersi a soluzioni costruttive molto semplici e quindi economiche che garantiscano durate molto lunghe.
Probabilmente è questo l'aspetto da privilegiare nella scelta per una cogenerazione, altrimenti si rischia di non arrivare mai ad ammortizzare l'impianto, anche avendo il calore praticamente gratuito.
In questo senso, mi pare che il motore di Manson da te presentato corrisponda abbastanza ai canoni richiesti.
Il tuo intervento allarga la visione d'insieme e mette a fuoco uno degli aspetti che a mio parere ha impedito la diffusione dei motori a combustione esterna.
EliminaIl costo dell'impianto deve avere tempi di ammortamento ragionevoli.
Non ha senso costruire apparecchiature la cui durata non è nemmeno sufficiente per recuperare l'investimento.
L'obiettivo primario deve essere l'economicità del motore. Se il motore non può avere un costo ragionevole non ha neanche senso iniziare.
Il motore di Manson free piston è caratterizzato da una notevole semplicità costruttiva e potrebbe avere le carte in regola per soddisfare il requisito economico.
Encomio per aver utilizzato il sistema internazionale (applause!!!).
RispondiEliminaEffettivamente è l'ora di inizare a passare al mondo reale...purtroppo un 25% di rendimento credo sia davvero difficile, almeno in una realizzazione amatoriale (bruciatore:0.8 - alternatore lineare (!!!) 0.8, perdite meccaniche 0.9 ci ritroviamo già al 17.4%) anche se auspicabile.
-D-
Concordo con quello che scrivi.
EliminaScopo del post è proprio quello di mettere in guardia da falsi entusiasmi.
La magica formuletta, del resto molto semplice, può essere applicata per qualsiasi tipo di carburante e per ogni genere di motore, anche quello a combustione interna.
RispondiEliminaL'espressione del numero in % indica non il rendimento minimo del motore puro e semplice, ma di tutto l'apparato di conversione, compresa la dinamo ecc ecc.
Sarebbe interessante allestire una tabella che mostri i rendimenti minimi degli apparati di conversione termo-elettrica per arrivare al pareggio.
Ciao Rampa,
Eliminail tuo commento mi ha motivato a fare una ricerca sulle possibili fonti energetiche.
Ne ho ricavato una tabella che viene visualizzata a fianco del post in cui è riportato il costo indicativo al kWh.
Se tu o qualche lettore ne suggerite altre, le aggiungerò alla lista.
Il rendimento per il pareggio dei costi è dato dal rapporto fra il prezzo della fonte utilizzata e quello della corrente elettrica del proprio gestore.
Ciao Yuz, ho visto la tabella che hai preparato; è illuminante per certi versi:
RispondiEliminaIntanto ho notato che scaldarsi a pompa di calore (PDC) con COP di 4 usando energia elettrica, costa come bruciare legna nella stufa. Non è così intuitiva la cosa e non da tutti è accettata.
Ricordo che la PDC separa il calore, ne toglie cioè ad un fluido raffreddandolo/scartandolo e ne cede ad un altro riscaldandolo/utilizzandolo. La separazione avviene per poche decine di gradi, sufficienti però a rendere confortevole la nostra abitazione. Il procedimento è tanto più favorevole (scalda meglio) quanto più è elevata la temperatura del fluido da raffreddare/scartare, ovviamente.
La PDC in estate climatizzerà le nostre abitazioni con processo inverso e la resa sarà tanto migliore quanto più freddo è il fluido che dobbiamo riscaldare/scartare.
Lascio solo immaginare quali siano i vantaggi se si riuscisse a conservare il liquido di scarto freddo dell'inverno per riutilizzarlo in estate, e viceversa.
scaldarsi con una pompa di calore ha anche un altro vantaggio considerevole, che è l'ottima distribuzione del calore nell ambiente in modo omogeneo..
Eliminabruciare legna purtroppo fa si che il calore è troppo nell ambiente dove è situato il camino,(con uno spreco enorme) e le stanze distanti completamente fredde..
invece con una sistema PDC avendo gli split in ogni stanza, noi possiamo modulare e riscaldare in modo ottimale la temperatura che più ci aggrada in quel momento..
anche le stesse stufe a pellet così tanto di moda, hanno lo stesso problema, anche se hanno un rendimento superiore ad una semplice stufa a legna.. ma non facciamoci fuorviare da questo, perchè se uno sa giocare bene con le prese d'aria della stufa, questo divario cala drasticamente..
anche se la PDC avesse un cop di 3 comunque conviene alla legna, non dimentichiamoci che il focolare, và gestito in un certo modo per essere efficiente, e poi la fastidiosa manutenzione per pulizia cenere..
daikin propone PDC con cop addirittura di 4,4 dai costi spropositati però..
se si riuscisse a rendere costante il cop di una semplice PDC anche con temp ch e scendono sotto lo 0 sarebbe molto vantaggioso anche con inverni rigidi..
uno scambiatore ad acqua sarebbe l'ideale...