L’evoluzione dei carburanti tradizionali

I carburanti sono sostanze combustibili solide, liquide o gassose capaci di formare una miscela infiammabile in unione con l’aria o altro gas comburente.  Sono largamente usati per alimentare motori a combustione interna (ad accensione comandata, a scoppio o ad accensione spontanea) o per turbine a gas.

Carburanti per motori ad accensione comandata

Caratteristiche

Il requisito essenziale di questi carburanti è quello di poter creare, una volta mescolati con aria, una miscela combustibile atta a poter creare lo scoppio interno e far funzionare il motore.

La temperatura della miscela ottenuta dipende dalla temperatura del motore, da quella dell’aria esterna e dalla quantità di calore assorbita dal carburante per poter evaporare (volatilità); quest’ultima deve essere abbastanza elevata per evitare un eccessivo consumo di calore e tuttavia non troppo alta, per evitare perdite o formazione di bolle di vapore nelle tubazioni.

Indicazioni sulla volatilità vengono date dalla curva di distillazione, la quale fornisce le percentuali di carburante che distillano alle varie temperature;
Per esempio nella comune benzina la temperatura iniziale di distillazione non deve essere minore di 30 °C e non superiore ai 190-210 °C.
Se il carburante risultasse troppo volatile, la miscela più ricca che i motori richiedono in fase di accelerazione, causerebbe una perdita di potenza e un funzionamento irregolare.
Se invece il carburante risultasse poco volatile, si avrebbe una combustione incompleta e i residui possono andare ad inquinare (o diluire) il lubrificante del motore.

Si ritiene quindi opportuno che per una benzina per automobile la temperatura a cui il carburante è distillato sia tra 200 e 235 °C nei climi caldi e tra 160 e 205 °C nei climi freddi.
Per i motori da aviazione occorrono invece benzine più volatili che vengano completamente vaporizzate. Altre indicazioni sulla volatilità di una benzina sono fornite dal valore della cosiddetta tensione di vapore Reid di cui una completa tabella può essere reperita qui:
Microsoft Word – tabelle_finale.doc (energiazero.org)
Ai fini della determinazione delle prestazioni ottenibili da un certo carburante interessano anche altri fattori:
– il potere calorifico che indica la quantità di energia che può sviluppare una data massa o un dato volume di carburante.
– il potenziale termico che indica in prima approssimazione, la potenza sviluppata da un motore. (La massa d’aria aspirata in un cilindro, a parità di condizioni, è tanto maggiore quanto più bassa è la temperatura della miscela ed il calore occorrente per l’evaporazione del carburante (tutti i carburanti liquidi attualmente adoperati hanno un potenziale termico all’incirca di 3800 kJ/m3 a 15 °C).
– il potere antidetonante che è la proprietà di non dar luogo a detonazioni indesiderate. E’ fra le più importanti caratteristiche dei carburanti ed i carburanti per autoveicoli sono appunto classificati in base a questo parametro. Il potere antidetonante dipende dal numero di ottano (N.O.) del carburante e dal rapporto volumetrico di compressione del motore. Aumentando quest’ultimo e per fare in modo che non si abbiano detonazioni involontarie, deve corrispondere un aumentato numero di ottano.

Ai fini pratici per un buon impiego dei carburanti, solitamente ai petrolieri interessano: il costo di produzione, la stabilità chimica, la tendenza a corrodere i metalli, la possibilità di miscelazione, la durata in immagazzinamento prolungato, la densità.
Personalmente aggiungerei (ma non interessa di certo ai produttori) il tasso di pericolosità per la vita biologica ed il coefficiente di tossicità successivo alla combustione.

Molti infatti sono gli additivi che, per vari motivi, vengono aggiunti ai carburanti.
Le benzine normalmente prodotte dalle raffinerie presentano un N.O. di circa 92, che per le super viene aumentato a 97-98 con l’aggiunta di piombotetraetile o (meno frequentemente) di piombotetrametile (che offre il vantaggio di possedere un punto di ebollizione più basso, 110 °C invece che 200 °C).
Il N.O. delle benzine normali potrebbe essere incrementato anche senza additivi modificando gli attuali sistemi di raffinazione con operazioni particolari (reforming catalitico, isomerizzazione, alchilazione ecc.) che però raramente vengono praticate perché comportano la modifica degli usuali cicli di lavorazione e per mancanza di  materie prime (olefine leggere, idrogeno).

Successivamente alle normative comunitarie che hanno imposto di eliminare totalmente gli additivi antidetonanti a base di piombo (perché provocava un importante inquinamento dell’atmosfera), ancora oggi non si son trovati composti paragonabili ai PTE in grado di ottenere così grandi prestazioni dai motori con piccolissime quantità additivanti aggiunte (di solito meno dello 0,1%).

Si è comunque passati alle benzine verdi che richiedono marmitte catalitiche ed emettono non pochi prodotti dannosi forse ancor più pericolosi dello stesso piombo (a partire dai particolati che sono significativamente più subdoli e cancerogeni).

Carburanti gassosi

Sono stati i primi carburanti usati per i motori ad accensione comandata. Hanno il vantaggio di una migliore facilità di carburazione, dato che essa avviene tra componenti omogenei; per contro, hanno l’inconveniente di richiedere contenitori di massa e ingombro generalmente non indifferenti se i motori sono montati su veicoli.
Nel caso di impianti mobili, il gas carburante può essere trasportato in sacchi di gomma o compresso ad alta pressione in bombole, o prodotto al momento di utilizzarlo nel motore, mediante un gassogeno, partendo da combustibili solidi, in qualche caso può essere trasportato liquefatto.

L’unico gas, a prescindere da prodotti liquefacibili come butano e propano, che abbia potenziale termico molto prossimo a quello delle benzine, è il metano: solo con esso si riesce pertanto ad avere una potenza del motore vicina a quella sviluppata con alimentazione a benzina.
La disparità di potenziale termico è però tanto più sentita in quanto, non essendovi evaporazione, non vi è il raffreddamento sufficiente che fa aumentare la massa di miscela introdotta nel cilindro.
I carburanti gassosi sono in genere molto resistenti alla detonazione ed anche il loro rendimento termico complessivo è generalmente migliore di quello dei carburanti liquidi, di contro hanno una combustione piuttosto rallentata con conseguente tendenza a surriscaldamento del motore. A parità di rendimento termico comunque, i consumi sono naturalmente proporzionali al potere calorifico.

L’uso di gas carburanti compressi è limitato ai gas con più elevato potere calorifico (quindi metano, idrogeno), altrimenti il peso morto delle bombole necessario ad assicurare una sufficiente autonomia diventerebbe proibitivo. Tali gas vengono generalmente trasportati in bombole speciali, compressi fino a 220 bar. Tali bombole sono diventate col tempo via via più leggere grazie all’adozione di nuove leghe speciali.

Carburanti liquidi

Tra i carburanti liquidi la benzina è tuttora di gran lunga il più diffuso; il petrolio, benché abbia un basso N.O. e scarsa volatilità, è usato per le particolari agevolazioni fiscali (uso agricolo).
A partire dagli anni 1970 la crisi petrolifera e il problema della eliminazione del piombo dai carburanti hanno reso di grande interesse l’impiego di prodotti organici ossigenati suscettibili di sostituire la benzina parzialmente o totalmente (quest’ultima soluzione appare di attuazione meno facile e meno pronta).
Rientrano in questa categoria alcuni alcol ed eteri. Gli alcol metilico ed etilico possono essere miscelati alla benzina in percentuali del 10-20%, senza creare particolari problemi dal punto di vista motoristico.
Il metanolo può essere prodotto per sintesi partendo da miscele di ossido di carbonio e idrogeno provenienti dalla gassificazione di combustibili solidi anche poveri (ligniti ecc.).
L’etanolo può essere ottenuto per fermentazione alcolica di materie prime naturali zuccherine, cellulosiche o amidacee, cioè a partire da prodotti o sottoprodotti agricoli; per le sostanze a base di cellulosa o di amido, la fermentazione alcolica deve essere preceduta da un processo di saccarificazione.
Il ciclo di produzione prevede poi la distillazione della miscela acqua-etanolo prodotta dalla fermentazione al fine di ottenere alcol praticamente anidro, come è richiesto per l’impiego come carburante in miscela con benzina.
I sottoprodotti agricoli potenzialmente utilizzabili per produrre etanolo sono i residui di lavorazioni forestali, la paglia, i tutoli di granoturco, i residui di lavorazioni delle industrie agrarie (fettucce di barbabietole esauste, acqua di vegetazione di olive ecc.).
Fra i prodotti agricoli da usare come materia prima per la produzione di etanolo notevoli prospettive sembrano avere le barbabietole e la canna da zucchero.

Carburanti per aviazione (o carburante avio)

Per il particolare impiego, oltre al potere antidetonante devono presentare alta stabilità (onde evitare il pericolo di formazione di gomme nel sistema di alimentazione) e caratteristiche di volatilità tali da impedire la formazione di tappi di vapore alle pressioni basse (nel volo ad alta quota). Il potere antidetonante degli attuali carburanti avio è misurato da un numero d’ottano, determinato con motore CFR secondo date norme e da un ‘numero di prestazione’, corrispondente al rapporto, moltiplicato per 100, tra la potenza ottenibile in un motore sovralimentato con il carburante in esame e quella ottenibile con isoottano.

Carburanti per motori Diesel

Requisito essenziale è che possano accendersi prontamente e spontaneamente quando, finemente polverizzati, vengono iniettati nell’aria sufficientemente calda: un carburante Diesel sarà tanto più pregiato quanto più breve sarà il ritardo di accensione, cioè il tempo intercorrente tra l’inizio dell’introduzione del carburante nel cilindro e quello dell’accensione delle prime parti di esso. Infatti un ritardo di accensione più lungo del necessario altera il ciclo di funzionamento provocando una certa rudezza nella marcia del motore.

Le caratteristiche di accensione di un carburante Diesel, vengono classificate con il numero di cetano. Per aumentare il numero di cetano, si ricorre ad additivi costituiti da nitrati e nitriti alchilici e da perossidi organici in soluzioni di gasolio per renderne più facile e meno rischiosa la manipolazione.
Altro parametro di largo uso indicante le qualità di accensione è l’indice-diesel, dato dal prodotto della densità per il punto di anilina diviso 100.
I carburanti Diesel debbono possedere una viscosità né troppo elevata né troppo bassa, al fine di assicurare una sufficiente lubrificazione dei pistoni della pompa di iniezione e, al tempo stesso, una conveniente polverizzazione e disseminazione delle goccioline nell’aria compressa nei cilindri.
Altre caratteristiche importanti sono il potere calorifico, il punto di scorrimento, il punto d’infiammabilità, la purezza, la tendenza a lasciare incrostazioni bruciando ecc.
Per i motori Diesel non ha invece interesse il potenziale termico in quanto, per una completa combustione del carburante, è sempre necessario un eccesso d’aria dipendente, più che dal carburante, dalla struttura della camera di combustione. Il punto di scorrimento, cioè la temperatura minima a cui il carburante scorre agevolmente, ha grande importanza ai fini di un regolare afflusso di carburante alle pompe di alimentazione.

Riduzione delle emissioni inquinanti

Per ridurre le emissioni inquinanti derivanti dalla motorizzazione dei motori ad accensione comandata, sempre maggiore attenzione viene data alla qualità del carburante e quindi alla riformulazione delle benzine, basata sulla modifica di alcune caratteristiche:
– limitazione della volatilità per ridurre l’emissione dei composti organici
– aggiunta di ossigeno per abbassare le emissioni di monossido di carbonio
– riduzione del contenuto di zolfo per diminuire l’emissione di anidride solforosa
– decremento del contenuto di benzene e di idrocarburi aromatici come antidetonanti.
Per i carburanti Diesel la riduzione delle emissioni inquinanti può essere ottenuta tramite la modifica della composizione del carburante indirizzata alla limitazione del contenuto di zolfo, all’aumento del numero di cetano e attraverso l’impiego dei carburanti ottenuti per trattamento di oli vegetali (biodiesel).

I carburanti (e propellenti) del futuro

Come già si suppone fin da ora, nel futuro non sarà solo l’elettricità a muovere le auto, ma conviveranno una serie di carburanti più vantaggiosi e alternativi a volte nemmeno immaginabili…

– Bio-carburanti
In primis e già ampiamente utilizzati rientrano tutti quei carburanti derivanti da qualche materiale o sostanza naturale. Si possono dividere in due grandi gruppi, gli oli (da olio di colza, palma o girasole) e gli alcool (dalla fermentazione di barbabietole, mais, frumento o zucchero) il vantaggio è di non appesantire il bilancio della CO2 nel senso che tanta ne assorbe la pianta in vita e tanta ne viene ridonata poi nella combustione.

– GPL
Il Gas di Petrolio Liquefatto (GPL) è, nonostante il nome, uno dei carburanti meno inquinanti a nostra disposizione. Vanta una lunga storia e impianti divenuti via via sempre più sofisticati: ora si riesce ad avere un rendimento (sia in termini di prestazioni che di consumi) quasi uguale alle vetture a benzina, con un costo alla pompa di meno della metà

– Elettricità
E’ sempre più usata nelle vetture come unica fonte di energia oppure in combinazione (nelle auto ibride) con i carburanti tradizionali, l’elettricità ha avuto uno sviluppo enorme negli ultimi anni, anche se la sua diffusione è ancora rallentata da costi iniziali piuttosto alti, dalla durata ed il costo delle batterie (non trascurabile), e dal fatto che tale energia viene comunque prodotta, in larga parte, da centrali a loro volta inquinanti (ad esclusione del raro idroelettrico)

– Metano
il Metano (detto anche Compressed Natural Gas – GNG) da noi ha raggiunto ormai una grande diffusione. E’ più conveniente del GPL e più pulito, ha però ancora differenze in termini di prestazioni sulle auto, anche per via del peso non indifferente dei serbatoi destinati all’accumulo.

– Aria Compressa
L’idea bizzarra di convertire l’aria compressa in lavoro non è nuova, ci fu già un tentativo di muovere una locomotiva nel 1820 (fallito miseramente). Al giorno d’oggi si riescono a produrre veicoli con autonomie di oltre 200 Km e con velocità massime di circa 60 Km/h ma anche qui il peso dei serbatoi sono molto influenti sul rendimento per non parlare che il sistema di ricarica dovrà fare giocoforza uso di impianti alimentati a combustibili fossili o elettricità.

– Idrogeno
Uno dei progetti più interessanti degli ultimi anni, ma che si è dovuto scontrare con il problema dello stoccaggio del combustibile, con la sicurezza dei serbatoi delle auto e con lo scarso rendimento per l’estrazione (dall’acqua o dal metano). In teoria, dato che è presente in quantità pressoché infinite sul nostro pianeta, una volta risolti questi problemi potremmo anche aver trovato il carburante ideale del futuro.

– Celle a combustibile
E’ una ambita variante alla propulsione ad idrogeno, eliminerebbe quasi totalmente il problema della sicurezza sui contenitori, ma avrebbe costi maggiori che delle batterie sia per la loro sostituzione che per manutenzione.

– Vapore
Il vapore è stata la forza motrice per eccellenza nei secoli scorsi e, benché sappia vagamente di passato e vintage, le applicazioni più moderne di questa tecnologia alle auto non sarebbero per nulla da sottovalutare, si parla di prototipi in grado di raggiungere anche i 240 Km/h inoltre offrirebbe rendimenti irraggiungibili dai motori termici.

– Propulsione muscolare
Ovviamente non è uno scherzo: la trazione animale (o umana) è tra i metodi di movimento più antichi ed ecologici che si siano mai inventati, come carburante serve solo un po’ di biada (o una bistecca) e non necessita di alcun filtro o marmitta. E’, al momento, il carburante più in voga dagli ambientalisti tanto vero che la UE finanzia tutti i comuni che realizzano viabilità ciclabile nei loro territori.

– Acqua di fonte
Sarebbe la soluzione energetica ideale; in fatto di costi dei carburanti sarebbe il sistema più economico, in fatto di inquinamento sarebbe assolutamente trasparente; consideriamo inoltre che i tre quarti del nostro pianeta sono coperti d’acqua.
Le applicazioni ad acqua presentate finora non sono state in grado di mantenere le promesse sbandierate in fase di progetto; benché qualcuno ci sia riuscito egregiamente (abbiamo già parlato di Stan Meyer), benché l’apparecchiatura di controllo e gestione era troppo complessa per utenti normali e comunque richiedeva un passeggero adibito al solo controllo del processo (oggi sarebbe diverso).

Combinazione di carburanti

Le tendenze del momento, in attesa di evoluzioni tecnologiche sconvolgenti, sono volte a ridurre il consumo di carburanti fossili ed aumentare i rendimenti riducendone i costi. E su questa mèta che alcuni ricercatori propongono soluzioni alternative combinando le vecchie benzine (o i gasoli) con altre tipologie di carburanti (sia liquidi che gassosi) di provenienza biologica.
Tali sottoinsiemi di carburanti sono ottenuti principalmente da digestione organica dei rifiuti (per ottenere gas metano), da produzione agricola (olio di colza o alcoli), ma non mancano soluzioni ben più futuriste quali la scissione dell’acqua nei suoi componenti base (idrogeno ed ossigeno o anche ossidrogeno) tramite processi elettrolitici o celle a combustibile.

Sono solitamente soluzioni un po’ forzate e quasi sempre poco vantaggiose (per via della tecnologia enormemente indietro nel settore) in taluni casi, e piuttosto difficili e pericolose dall’altra (vedi ossidrogeno che, se usato senza particolari cautele, può paragonarsi ad una vera e propria bomba innescata).

A peggiorare ulteriormente il panorama, laddove i ricercatori si sono quasi arresi (o hanno cambiato strada), intervengono allora piccoli sperimentatori che, combinando improbabili mix di tecnologie e carburanti, mostrano come ‘impianti fatti in “casa” applicati alle loro auto, possano permettere un buon risparmio e addirittura la riduzione di emissioni.

HHO + benzine

L’esempio dell’HHO combinato con le benzine è l’emblema più significativo di inutilità applicata.

Dall’elettrolisi dell’acqua tramite energia elettrica si ottiene un gas altamente esplosivo (HHO). Questo gas, micidiale se accumulato, può essere paragonato ad una bomba innescata, in quanto contiene, nella stessa miscela, sia il carburante (idrogeno) che il comburente (ossigeno).
Oltre al costante pericolo di viaggiare con una bomba, il progettista dovrà sempre scongiurare qualsiasi ritorno di fiamma dal motore e assicurarsi di far consumare tutto il gas prodotto dall’elettrolisi per evitare che le tubazioni ne rimangano sature.

Per far questo servirebbe un sistema di controllo piuttosto sofisticato che moduli la corrente di elettrolisi in modo da prevedere le future richieste del motore (altrimenti si avrebbe un ritardo in accelerazione e una risposta lenta alla decelerazione).

Ritardo in accelerazione significa far consumare solo benzina al motore nei momenti necessari e ritardo significa di consumare HHO in decelerazione quando non serve più carburante (quindi dove sarebbe il risparmio?).

Ma a parte le problematiche tecniche vi sono altri aspetti da prendere in considerazione che riteniamo altamente pericolosi, forse più del pericolo stesso di esplosione del gas incombusto: l’inquinamento.

Chi ha fatte queste sperimentazioni dichiara che un motore alimentato con miscela di benzina e HHO riduce i consumi del 30% così come l’emissione di CO2 e questo in realtà è vero, quello che non si dice è che, dopo una simile combustione, molte altre sostanze ben più pericolose e micidiali vengono generate e tutte queste ovviamente non vengono riconosciute da un comune analizzatore di CO2 (occhio non vede… cuore non duole).

Studi recenti hanno però focalizzato il problema e riconosciute tutte le sostanze che fuoriescono da tale innaturale combustione; starà a voi valutare se queste modifiche possano portare a qualche minimo traguardo!
Lo studio è stato eseguito su diversi tipi di carburanti tradizionali in combinazione con HHO.

Benzina, Gasolio, GPL, Metano, le aggregazioni molecolari variano in funzione delle strutture molecolari degli stessi, producendo altre sostanze tossiche non rilevate dai comuni strumenti di misurazione (rilevatori di C, CO, CO₂, ecc…).

Utilizzo dei materiali per Combustioni combinate sia a fiamma libera che in motori a scoppio:

Formule chimiche dei carburanti

denominazione	formula chimica
Ossidrogeno	HHO / H OH-
Benzina	C7H6O2
Gasolio(esadecano)	C16H34
GPL(Propano)	C3H8
Metano	CH4

L’unione di 2 o più carburanti sopraelencati nella combustione a fiamma libera o in motori a scoppio produce una serie di aggregati molecolari in varie percentuali. Tra i più significativi e temibili citiamo:

denominazione	formula chimica
Acido iponitroso	HNO
Acido nitroso	HNO2
Acido nitrico	HNO3
Acido formico	HCOOH
Ammoniaca	NH3

 

Le tipologie e le quantità emesse variano ovviamente  in funzione delle percentuali stechiometriche delle varie composizioni, ne consegue un diverso grado di tossicità a seconda dei composti e delle percentuali ottenute.

Concludendo: per poter ottenere una combustione pulita ed atossica si deve optare quindi per il solo idrogeno (H) o ossidrogeno (HHO) escludendo qualsiasi altra combinazione proveniente da fonti fossili compresi gli olii di lubrificazione che, pur in maniera minima, possono produrre dette sostanze.

 

_{parte del testo è tratto da enciclopedia treccani}