Air economy 2

21.05.2021

Compressore eolico di Edoardo Piacentini

Con il rivoluzionario compressore eolico ALYSEO, Teseo si impegna sul fronte dell'energy-saving anche per quanto riguarda l'aria compressa. Come l'elettricità, è anch'essa un veicolo di trasporto dell'energia, ma molto più costosa - fino a dieci volte di più. Il compressore eolico ALYSEO permette a qualsiasi azienda di reintegrare l'aria compressa che viene persa nei cicli di produzione, senza consumare elettricità. Questa innovativa soluzione offre importantissimi vantaggi: utilizza energia pulita da fonte rinnovabile e a costo zero; è costituita da un'apparecchiatura molto semplice e poco costosa; non è condizionata dalla direzione del vento e produce energia anche con vento leggero grazie al nuovo design delle pale e al loro profilo ottimale; permette di immagazzinare nei serbatoi energia sotto forma di aria compressa; tutto l'impianto è realizzato in alluminio, materiale riciclabile al 90%.



Vista in sezione di una pila a bottone zinco-aria. A: separatore, B: anodo in polvere di zinco e elettrolita, C: rivestimento del comparto anodico, D: isolante, E: rivestimento del compartimento catodico, F: orifizio per l'aria, G: collettore di corrente e catalizzatore catodico, H: distributore dell'aria, I: membrana semipermeabile.
Vista in sezione di una pila a bottone zinco-aria. A: separatore, B: anodo in polvere di zinco e elettrolita, C: rivestimento del comparto anodico, D: isolante, E: rivestimento del compartimento catodico, F: orifizio per l'aria, G: collettore di corrente e catalizzatore catodico, H: distributore dell'aria, I: membrana semipermeabile.

La pila zinco-aria (o accumulatore zinco-aria) è una batteria ricaricabile che utilizza un catodo a ossigeno atmosferico (che riceve elettroni, riducendosi) e un anodo di zinco (che cede elettroni, ossidandosi); analogamente alle altre pile, il movimento di elettroni genera una differenza di potenziale e quindi una tensione elettrica che può servire per alimentare vari tipi di circuiti elettrici.


Caratteristiche

Le pile zinco-aria appartengono alla categoria delle celle a combustibile, dove lo zinco è il combustibile e l'ossigeno è il comburente. Quando le superfici degli elettrodi di zinco metallico si sono ossidate (diventando ossido di zinco), la batteria può considerarsi "scarica". La batteria non può essere ricaricata dall'utente ma deve essere sostituita "al volo" da un altro pacchetto di queste batterie nuove. Il vecchio pacchetto viene "ricaricato" a parte (in realtà il diossido di zinco viene "rigenerato", cioè con una procedura elettrochimica viene ridotto a zinco metallico) nell'industria o nella stazione di servizio automatizzata che si occuperà di questo ciclo industriale.

Un chilogrammo di batteria zinco-aria fornisce circa 110-200 wattora; questo è pari a circa 6,8-10,2 volte la densità energetica di un comune accumulatore piombo-acido (il più utilizzato nelle automobili). In teoria, in seguito a perfezionamenti tecnologici si potrebbe arrivare a densità energetiche fino a 1000 Wh/kg.[1]
Inoltre il costo di produzione è inferiore a quello degli accumulatori piombo-acido.


Vantaggi

  • Rispetto all'accumulatore nichel-cadmio, si hanno lievi vantaggi nel rapporto carica/peso, per la non presenza di metalli pesanti tossici da smaltire in discarica e per la totale inesistenza dell'effetto memoria.
  • Rispetto all'accumulatore litio-ione, si hanno enormi vantaggi nella durata (soprattutto ad alte temperature) e soprattutto nella sicurezza (non hanno alcuna tendenza ad incendiarsi se danneggiate).
  • Rispetto all'accumulatore piombo-acido, il vantaggio principale è quello del molto maggior rapporto carica/peso, del minor costo del metallo e dell'assenza di metalli pesanti da smaltire in discarica.


Svantaggi

  • Le pile zinco-aria risentono molto della bassa temperatura e dell'umidità e dell'inquinamento, che portano ad una riduzione della reattività dell'ossigeno atmosferico. In condizioni ideali, come luoghi caldi e desertici, si nota un aumento della potenza massima e dell'autonomia del veicolo (vedasi il test del 1997 in California). Esattamente il contrario avviene ad alta quota (dove cala la pressione parziale dell'ossigeno) ed in climi freddi ed umidi, come in caso di pioggia, che vedono ridursi sia la potenza massima che l'autonomia del veicolo.
  • Non è possibile ricaricare queste batterie in casa, né tantomeno impiegarle nel recupero dell'energia di frenata (circa il 15%), o collegarle ad un generatore alimentato da un motore a combustione interna, oppure ricaricarle con celle solari sulla carrozzeria, ecc. Associandole ad altri tipi di batteria, si potrebbe ricuperare una parte dell'energia frenante o quella solare incidente tramite celle foto-voltaiche.


Reazioni

Impiego automobilistico

Nel 1999, un veicolo (furgone Mercedes MB-410) equipaggiato con batterie zinco-aria è stato in grado di superare il tratto alpino dell'autostrada tra Torino e Lione, garantendo un'autonomia di circa 500 km.

Nel bilancio energetico complessivo (trasformazione dell'energia contenuta nel petrolio in energia meccanica disponibile al veicolo), il sistema tradizionale a benzina ha fornito rese del 13%, mentre quello che prevede la trasformazione dell'energia chimica del petrolio in energia elettrica, ed il suo successivo stoccaggio nella batteria zinco-aria ed impiego da parte di motori elettrici, ha fornito rese del 16%. Ovviamente, dal momento che si tratta di energia elettrica, nessuno vieta di produrla con centrali idroelettriche, con pannelli solari, con generatori eolici oppure con reattori nucleari, sempre collegandoli all'industria che "rigenera" la pila zinco-aria. Bisogna sottolineare che, dato che si usa un motore elettrico con una efficienza media del 90% invece di un motore a combustione con una efficienza media 30%, il costo per km risulta 3 volte inferiore.

Attualmente, vista la svantaggiosa durata dell'accumulatore litio-ione, che alla temperatura ambiente (25 °C) perde circa il 20% della sua capacità di carica ogni anno (la batteria Li-ion sembra più adatta ai climi freddi), in alcuni modelli di auto elettrica si stanno utilizzando le batterie zinco-aria come possibile alternativa conveniente, sia dal punto di vista economico, che del rapporto carica fornita/peso della batteria.


Principale vantaggio per gli autoveicoli: la sicurezza

La caratteristica principale è quella del non incendiarsi in nessuna condizione. La velocità di combustione dello zinco dipende principalmente dalla pressione atmosferica e dalla percentuale di ossigeno atmosferico (19 % costante), dalla temperatura, dall'umidità e dal tasso di ossidazione della batteria. Rispetto agli accumulatori piombo-acido solforico, ha il vantaggio di non liberare acidi ustionanti se la batteria venisse incautamente aperta o danneggiata in uno scontro.


L'ossigeno puro aumenta la potenza della pila zinco-aria

Una delle fonti di idrogeno proposte per l'economia dell'idrogeno è l'elettrolisi dell'acqua, grazie all'elettricità prodotta dall'energia eolica e dall'energia idroelettrica. Questa procedura, oltre all'idrogeno, porta ad ottenere anche ossigeno.

Alte pressioni di ossigeno, la presenza di ozono e l'alta temperatura sembrano aumentare le prestazioni, sia di picco di potenza che di capacità di erogazione totale di potenza, della pila zinco-aria. In questo caso, aggiungendo al sistema della batteria zinco-aria un misuratore-dosatore dell'afflusso di ossigeno con la possibilità di arricchire la miscela prelevandolo da una bombola, si potrebbe ottenere una specie di sovralimentazione della pila zinco-aria.

Sviluppo in Italia

In Italia queste batterie, nelle dimensioni, tipologia e voltaggio (~ 12 V) necessari per l'autotrazione, vengono studiate e costruite dalla Edison di Trofarello, in provincia di Torino.


Tipologie di pila Zn/aria per dispositivi acustici
Tipologie di pila Zn/aria per dispositivi acustici

Commercializzazione attuale

  • La batteria zinco-aria ad alto potere BA-8180/U viene commercializzata sin dal 2002 dalla Electric Fuel Battery Corporation di Auburn nello stato dell'Alabama, in USA.
  • Attualmente piccole pile a bottone zinco-aria vengono vantaggiosamente utilizzate per alimentare gli amplificatori nella protesi acustica.
  • La Powerzink di Shanghai in Cina produce batterie che si sono dimostrate molto efficaci in scooter elettrici e biciclette elettriche; vedasi: PDF.



In corso di sviluppo la batteria Zn/aria ricaricabile

Le prime batterie di questo tipo sono state descritte in un articolo della IEEE, del 1995.[2]

Al giorno d'oggi le batterie zinco-aria ricaricabili non sono disponibili in commercio. I progetti in corso di sviluppo hanno un'energia specifica che va da 100 a 150 Wh/kg, raggiunta con componenti a basso costo. Attualmente le ricerche eseguite nel Paul Scherrer Institute - Laboratory for Electrochemistry, in collaborazione con enti svizzeri e stranieri, hanno portato allo sviluppo, come dimostratore tecnologico, di una batteria ricaricabile con un'energia specifica superiore ai 100 Wh/kg. Dal momento che i componenti della batteria Zn/aria sono di basso costo ed i sistemi acquosi in genere sono più economici da produrre rispetto a quelli inglobati in un polimero (batterie litio-ione), si pensa che si possa produrre questa batteria a prezzi competitivi.

La principale difficoltà nella costruzione di batterie zinco-aria ricaricabili elettricamente si riscontra nella stabilità degli elettrodi a zinco e degli elettrodi porosi per la diffusione di ossigeno (che attualmente sono fatti in carbonio). Nell'elettrodo in carbonio l'ossigeno viene liberato (per riduzione dello zinco) per assorbimento di elettroni della corrente elettrica) durante la ricarica, e invece viene riassorbito dallo zinco durante la scarica (lo zinco si ossida). Il gruppo di ricerca del PSI è riuscito a sviluppare elettrodi di entrambi i tipi a superficie porosa super-rugosa, per assemblarli come moduli di una batteria dimostrativa, all'apparenza una tradizionale batteria per auto, ma molto più leggera, da 12 Volt, con capacità di erogare un'intensità di 20 ampereora.[3][4]

È in corso di valutazione, quali catalizzatore della riduzione dell'ossigeno, un composto appartenente al gruppo delle perovskiti.[5]


Note

  1. ^ Energy Storm - Full size zinc-air battery, articolo di J.R. Goldstein e B. Koretz Archiviato il 5 marzo 2016 in Internet Archive.
  2. ^ A novel zinc-air battery for electric vehicles. Ross, P.N. Battery Conference on Applications and Advances, 1995., Proceedings of the Tenth Annual Volume, Issue, 10-13 Jan 1995 Page(s):131-133
  3. ^ Paul Scherrer Institute - Electrochemistry Laboratory - Technology Transfer
  4. ^ Rechargeable zinc-air battery technology implementations inportable electronics
  5. ^ Studies on the oxygen reduction catalyst for zinc-air in battery electrode, su cat.inist.fr. URL consultato il 5 settembre 2008 (archiviato dall'url originale il 7 dicembre 2008).


L'aria è una miscela di sostanze aeriformi (gas e vapori) che costituisce l'atmosfera terrestre.[2] È essenziale per la vita della maggior parte degli organismi animali e vegetali[4], in particolare per la vita umana, per cui la sua salvaguardia è fondamentale ed è regolata da apposite norme legislative. Tale miscela gassosa trova molte applicazioni nell'ambito industriale e nell'uso quotidiano, in particolare sotto forma di aria compressa (cioè sottoposta a pressione) e di aria liquida.

Nel contesto protoscientifico della tradizione filosofica, l'aria è uno dei quattro elementi primari (aria, acqua, terra e fuoco).


Etimologia

Il termine aria deriva dal latino āera, nominativo āer, dal greco ἀήρ, aér, di etimologia incerta, probabilmente correlato da una radice awer. La parola è associata nelle varie lingue indoeuropee al vento, alla luce e al cielo[5].
Correnti d'aria nel cielo
Correnti d'aria nel cielo

Cenni storici

Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria. Lo stesso argomento in dettaglio: Aria (elemento).
Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria.
Simbolo alchemico utilizzato per indicare l'aria.
Nel passato all'aria furono dati diversi significati religiosi: ad esempio fu considerata al pari di una divinità dai Babilonesi e dagli egiziani e come sede delle anime nell'Antica Grecia.[3]

L'analisi chimica dell'aria venne svolta per la prima volta nel 1772 da Antoine-Laurent de Lavoisier,[4] che chiamò "ossigeno" il componente dell'aria necessario agli esseri viventi e "azoto" il componente inerte.

Nel 1895 Carl von Linde riuscì a liquefare l'aria per la prima volta attraverso il cosiddetto "processo Linde".[4] Nel 1902 seguì il processo Claude (messo a punto da Georges Claude), che è un processo di liquefazione più complesso e più efficiente allo stesso tempo.

Composizione dell'aria

La composizione dell'aria è variabile a seconda della quota. Per una quota fissata, il rapporto tra la quantità di azoto e la quantità di ossigeno contenuti nell'aria rimane pressoché costante grazie all'equilibrio tra il consumo e l'apporto continuo di tali elementi associati al ciclo dell'ossigeno e al ciclo dell'azoto;[3] invece le concentrazioni di vapore acqueo e di anidride carbonica sono variabili.[3] Per tale motivo si indicano spesso le proprietà dell'aria privata dal vapore acqueo, che viene detta "aria secca", mentre in caso contrario si parla di "aria umida".

L'aria secca al suolo è composta all'incirca per il 78,09% di azoto (N2), per il 20,9% di ossigeno (O2), per lo 0,93% di argon (Ar) e per lo 0,04% di anidride carbonica (CO2),[6] più altri componenti in quantità minori, tra cui anche particelle solide in sospensione, che costituiscono il cosiddetto "pulviscolo atmosferico".[2][3]

L'aria umida può contenere fino al 7% in volume di vapore acqueo; la percentuale di vapore acqueo nell'aria corrisponde al tasso di umidità relativa dell'aria e dipende dalla temperatura. Il valore massimo di vapore acqueo che l'aria può contenere in condizioni di equilibrio è quello corrispondente alle condizioni di saturazione; al di sopra di tale valore massimo, il vapore acqueo tende spontaneamente a condensare. Tale valore massimo dipende dalla temperatura e varia da valori prossimi allo 0% (per una temperatura pari a −40 °C), a circa 0,5% (a 0 °C), fino al 5-7% (intorno ai 40 °C).

Il tasso di anidride carbonica risulta molto variabile a seconda del periodo temporale considerato. In particolare le attività umane (industria, inquinamento, combustione e deforestazione) hanno prodotto nell'ultimo secolo un grosso incremento di questa percentuale, passata da circa 280 ppm nel 1900 a 315 ppm nel 1970 e a 350 ppm (0,035%) negli ultimi anni. La concentrazione di tale componente sembra essere (insieme a quella del metano ed altri gas) uno dei responsabili principali dell'effetto serra.

Infine, mentre la pressione dell'aria cambia fortemente con l'altitudine (si riduce al 50% a circa ~5,5 km, al 10% a 16 km e all'1% a 32 km), la composizione percentuale dei principali costituenti (azoto, ossigeno e gas rari) non subisce variazioni fino a 80-100 km. Questo perché esistono turbolenze su larga scala che ne provocano un continuo rimescolamento. Al di sopra di tale quota la radiazione solare provoca una dissociazione dei gas, che passano dallo stato molecolare a quello atomico, e varie reazioni chimiche fanno variare considerevolmente la sua composizione.[7]

Sostanze inquinanti

La qualità dell'aria ha un impatto notevole sull'ecosistema e sulla salute umana. Il fattore più importante per determinare la qualità dell'aria è la sua composizione. In particolare la percentuale di azoto e ossigeno presenti nell'aria sono praticamente costanti e corrispondono insieme al 99% della composizione dell'aria secca, per cui gli inquinanti presenti nell'aria sono presenti in piccole quantità, misurabili in termini di parti per milione (ppm) o parti per miliardo (ppb).[9] Tra questi inquinanti si annoverano:

Caratteristiche e proprietà fisiche dell'aria secca

Uccelli in volo nell'aria
Uccelli in volo nell'aria

Alcune delle proprietà dell'aria secca sono:[10]

Il peso molecolare medio dell'aria secca si può valutare come media pesata dei gas componenti. Limitandoci infatti ai suoi componenti principali (Azoto, Ossigeno, Argon) si ottiene:

N2 (78%) + O2 (21%) + Ar (1%) = 21,84 + 6,72 + 0,40 = 28,96 g/mol

Per il calcolo della costante del gas aria basta rapportare la costante universale dei gas con il peso molecolare medio, appena ricavato, ottenendo

Ru⁄Pm = 8,314⁄28,96 = 0,287 J/(g·K) = 287 J/(kg·K)

Nelle condizioni ambientali di temperatura e pressione, l'aria segue la legge dei gas perfetti, cui si può fare ricorso per valutare la densità dell'aria:

d = P⁄Ra·T

A titolo di esempio si voglia calcolare la densità dell'aria alla temperatura di 15 °C (288,15 K) e alla pressione di 1 atmosfera (101 325 Pa). Applicando la formula, si ha:

d = P⁄Ra·T = 101325⁄287 × 288,15 = 1,225 kg/m³

Sperimentalmente si osserva che i calori specifici dell'aria secca, sono funzioni della temperatura.

La seguente tabella mostra alcune proprietà fisiche dell'aria, in funzione della temperatura alla pressione di 1 atm.

Indice di rifrazione dell'aria

L'espressione per l'indice di rifrazione dell'aria alle condizioni standard è:

dove sigma è il reciproco della lunghezza d'onda in nanometri, ed è valida per aria secca con 0,03% di anidride carbonica ad una pressione di 101325 Pa e temperatura di 15 °C.

Esistono delle formule di correzione per ottenere l'indice di rifrazione a diverse temperature o pressioni.


Compressore d'aria, portatile.
Compressore d'aria, portatile.

Trattamenti dell'aria

Compressione

L'aria compressa (cioè aria portata ad elevata pressione) può essere realizzata attraverso ventilatori (per pressioni di poco superiori a quella atmosferica), soffianti (per pressioni moderate) e compressori (per pressioni elevate).[2]

Liquefazione

Lo stesso argomento in dettaglio: Liquefazione dell'aria.

Frazionamento

Lo stesso argomento in dettaglio: Frazionamento dell'aria.


Purificazione

Schema di un filtro HEPA per la purificazione dell'aria.
Schema di un filtro HEPA per la purificazione dell'aria.
Schema di un filtro HEPA per la purificazione dell'aria.

L'aria, oltre a essere costituita da componenti gassosi, contiene anche particelle solide e vapore acqueo. Quando viene utilizzata in ambito industriale, la percentuale di componenti solidi e liquidi nell'aria può aumentare considerevolmente, dunque è necessario ricorrere a operazioni di purificazione dell'aria per abbattere tali componenti, che possono avere conseguenze indesiderate per il processo industriale in esame (ad esempio nel caso in cui vadano a contaminare il prodotto, riducendone la purezza e il valore commerciale) e per l'ambiente circostante (ad esempio nel caso in cui i solidi o liquidi dispersi nell'aria siano sostanze inquinanti).[11]

Per lo svolgimento della purificazione dell'aria, possono essere utilizzate differenti apparecchiature, tra cui: cicloni, torri di lavaggio, filtri a maniche e precipitatori elettrostatici.[11]

Nel caso in cui invece le sostanze inquinanti presenti nell'aria siano gassose, la purificazione può avvenire tramite assorbimento gas-liquido,[11] adsorbimento,[11] oppure sottoponendo la corrente gassosa a reazioni chimiche che possono essere attivate per via termica (cioè riscaldando l'aria ad elevata temperatura) o catalitica (cioè facendo passare l'aria attraverso un catalizzatore).[11] In tali procedimenti possono essere accompagnati da processi biochimici, cioè può esserci l'intervento di microrganismi che sono in grado di metabolizzare le sostanze inquinanti convertendole in prodotti non inquinanti.[11]


Applicazioni

L'aria può essere utilizzata per il raffreddamento di dispositivi (raffreddamento ad aria), come isolante termico (ad esempio nei doppi vetri) e nello svolgimento di molti processi chimici (a causa del suo contenuto di ossigeno, che funge da reagente ad esempio nelle reazioni di ossidazione).

L'aria compressa viene utilizzata in una moltitudine di processi tecnologici, tra cui ad esempio la verniciatura, il trasporto pneumatico per la movimentazione delle merci, la frenatura dei veicoli ferroviari e l'azionamento di comandi a distanza.[2][4] Viene inoltre utilizzata per riempire bombole per applicazioni subacquee e camere d'aria di pneumatici e gommoni.

L'aria liquida viene utilizzata come refrigerante[2] e per ottenere azoto liquido, ossigeno liquido e gas rari attraverso il processo di frazionamento dell'aria.[2]

Inoltre l'aria calda è alla base del funzionamento della mongolfiera.


Percezione visiva della presenza dell'aria

Esempio di paesaggio in cui è possibile vedere gli effetti della prospettiva aerea e della prospettiva del colore associate alla presenza dell'aria.
Esempio di paesaggio in cui è possibile vedere gli effetti della prospettiva aerea e della prospettiva del colore associate alla presenza dell'aria.

Le prime descrizioni dell'aria in ambito pittorico si devono a Leonardo da Vinci, che sottolineò come a causa della presenza dell'aria gli oggetti più lontani di un paesaggio appaiono più sfumati e dai colori più tendenti all'azzurro rispetto agli oggetti più vicini. Inoltre siccome l'aria è più densa vicino al suolo, tale effetto è meno evidente nel caso di alture, per cui le cui cime delle alture presentano colori più nitidi e più accesi rispetto alla base. Tali effetti prendono il nome di "prospettiva aerea" e "prospettiva del colore".

In particolare il colore azzurro delle grandi masse d'aria non è associata all'azoto o all'ossigeno, che sono i maggiori componenti dell'aria, bensì ai gas rari, presenti in quantità assai minori: per tale motivo il colore azzurro è visibile solo nel caso di grandi masse di aria.


Note

  • [1] A tali componenti si aggiungono altri componenti gassosi, liquidi e solidi, come riportato in seguito nella voce.
  • [2] Aria, su Enciclopedia Treccani.it.
  • [3] aria, in Sapere.it, De Agostini.
  • [4] Aria, Enciclopedia Zanichelli. URL consultato il 2 giugno 2015 (archiviato dall'url originale il 17 maggio 2014).
  • [5] (EN) Online Etymology Dictionary, su etymonline.com.
  • [6] Sapere.it - "La composizione chimica dell'atmosfera"
  • [7] L'atmosfera e i suoi fenomeni, su istruzioneonline.it. URL consultato il 16 settembre 2009 (archiviato dall'url originale il 28 dicembre 2011).
  • [8] CO2 Now, su co2now.org..
  • [9] Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, cap. 1.
  • [10] Çengel..
  • [11] Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, cap. 7.
  • Bibliografia

    • Yunus A. Çengel, Termodinamica e trasmissione del calore, McGraw-Hill.
    • (EN) AAVV, "Air", Ullmann's Encyclopedia of Industrial Chemistry, Wiley-VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, 2002, DOI:10.1002/14356007.b07_403.
    Franco Malgarini
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