Voglio chiarire alcuni concetti relativi alla combustione che, dalle email che ricevo, risultano poco chiari a molte persone.
La combustione è una reazione chimica. In chimica esiste una legge importante chiamata legge di Lavoisier o legge della conservazione della massa che dice che la massa delle sostanze che reagiscono è uguale alla massa dei prodotti della reazione.
Nella combustione, i prodotti che reagiscono sono il combustibile (legna) e l'ossigeno contenuto nell'aria le cui masse si sommano per reagire e dare origine ai prodotti della combustione che sono fumi e ceneri le cui masse sommate sono uguali alle masse che hanno reagito.
L'aria è uno dei principali elementi che intervengono nella combustione. Essa è composta da Azoto per un buon 78% e da Ossigeno per un buon 20%. Il resto sono gas rari come l'Argon che, come l'Azoto, sono gas inerti e non intervengono nella combustione.
In chimica si fa riferimento al peso atomico o massa atomica degli elementi che è il peso di un elemento chimico in grado di combinarsi con un kg di idrogeno (H) il cui peso atomico è fatto uguale ad 1. L'ossigeno ha un peso atomico pari a 16 e peso molecolare pari a 32. La somma delle masse delle molecole a sinistra della reazione deve essere uguale alla somma delle masse delle molecole a destra della reazione chimica.
Ad esempio la reazione di combustione del carbonio in abbondanza di ossigeno è data dalla seguente formula:
C + O2 + 3,8N2 = CO2 + 3,8N2 + 406300kJ
Occorre tenere presente che per bruciare tutto il combustibile occorre una massa d'aria sufficiente, altrimenti se l'aria è in difetto, si ha una perdita di rendimento con spiacevoli conseguenze che comprendono reazioni indesiderate che possono portare alla formazione di ossido di carbono anziché di anidride carbonica.
Anche una quantità d'aria eccessiva determina una perdita di rendimento perché sviluppa una eccessiva quantità di fumi caldi che si disperdono inutilmente nel camino e nell'ambiente.
La giusta quantità d'aria affinché la reazione di combustione avvenga in modo perfetto si chiama aria teorica o stechiometrica. Nei combustibili solidi come la legna, è difficile calcolare la giusta dose d'aria per una combustione perfetta, per cui si preferisce bruciare con un eccesso d'aria di circa il 20%. Invece i combustibili gassosi come il metano si combinano facilmente con l'aria e possono essere bruciati con minimi eccessi d'aria, senza problemi.
Molti visitatori ci chiedono se i caminetti chiusi, le caldaie e le stufe ad alto rendimento o ad alta efficienza inquinano di meno rispetto ai semplici camini aperti e alle stufe a basso rendimento.
Per rispondere, occorre tenere presente che il termine efficienza energetica trae in inganno dal punto di vista dei prodotti della combustione. L'efficienza energetica è la capacità del caminetto chiuso di recuperare una quantità maggiore di calore e quindi di energia dalla combustione, impedendo che questa venga dispersa inutilmente nei fumi o nell'ambiente circostante. Praticamente l'efficienza energetica è il risultato di un rapporto tra la potenza in uscita e la potenza in entrata. Se tale rapporto è uguale a 1 ho la massima efficienza energetica, pari al 100%. Se invece tale rapporto è minore di 1, vuol dire che ho delle perdite di energia o di calore.
Tuttavia, ai fini dei prodotti della combustione, cambia poco. E' chiaro che se io
riesco a recuperare più calore dalla combustione, ricuperandolo dai fumi o impedendo che si disperda nell'ambiente circostante, brucio anche meno legna perché riesco a raggiungere la temperatura ideale in meno tempo. Bruciando meno legna, riduco anche i prodotti della combustione che sono inquinanti e quindi inquino di meno.
I prodotti della combustione nella stessa unità di tempo o per la stessa quantità di massa di legna sono più o meno gli stessi sia per camini aperti, sia per camini chiusi, ma vengono trasformati in modo diverso in base alla temperatura di combustione, perché la massa non si distrugge, ma si trasforma e vengono sempre e comunque dispersi nell'ambiente.
Un fattore importante da tenere presente in una combustione è anche il potere calorico superiore e inferiore del combustibile. Il potere calorico di un combustibile è la massima quantità di calore che un kg di combustibile può liberare bruciando in modo completo e viene chiamato anche potere calorico superiore o PCS.
Si chiama invece potere calorico inferiore o PCI la quantità di calore che può essere realmente sfruttata dal combustibile e che non tiene conto del calore di condensazione dell'acqua. Infatti, ogni combustibile contiene una certa quantità di acqua che occorre fare evaporare affinché la combustione avvenga. Per fare evaporare l'acqua occorre consumare una certa quantità di combustibile che va sprecato proprio per far evaporare l'acqua. E' quindi una forma di calore che va in vapore e si disperde se non lo si riesce a ricuperare attraverso la condensazione dell'acqua, come avviene nelle caldaie a condensazione.
Alcune cifre di paragone per la legna:
Legna umida:
Potere calorifico superiore PCS: 2600-2700 kcal/kh = 11.000 kJ/kg
Potere calorifico inferiore PCI: 2100-2200 kcal/kg = 9.000 kJ/kg
legna secca:
Potere calorifico superiore PCS: 15.000 kJ/kg
Potere calorifico inferiore PCI: 13.400 kj/kg
Metano:
Potere calorifico superiore PCS: 39.800 kJ/m3
Potere calorifico inferiore PCI: 34.000 kj/m3
In conclusione, i caminetti chiusi ad alto rendimento inquinano di meno rispetto ai caminetti aperti, perché hanno bisogno di minor combustibile per raggiungere la temperatura ideale. Tuttavia nessun caminetto, per quanto ad alta efficienza energetica, riesce a bruciare senza inquinare. Possiamo anche dire che nessuna combustione riesce ad avvenire senza generare i prodotti della combustione.
Anche la respirazione umana è una combustione chimica che genera prodotti comunque inquinanti.