G.P.L., una sigla densa di significati

Marco Signorelli
Presidente A.P.I.M.

La larghissima diffusione delle bombole di GPL per uso familiare e per piccoli e medi insediamenti privati ha permesso di diffondere i benefici dell'uso dei combustibili gassosi anche a località non servite dalla distribuzione del metano.

Questa immediatezza di intervento ha grandemente favorito il benessere di famiglie ed industrie su tutto il territorio ed i vantaggi offerti, la semplicità dell'uso e la comodità conseguente potrebbero ben figurare a paragone con i cambiamenti sociali da addebitare a telefono e televisione.

A mio parere esistono comunque aspetti del GPL da approfondire non per criticarne l'utilizzo, ma per meglio valorizzarne la qualità. Infatti questo combustibile forse a torto viene spesso considerato un succedaneo del metano od un prodotto non perfettamente definito.

La legge italiana definisce con la sigla GPL il gas di petrolio liquefatto.
Questo inquadramento è troppo generico e suscettibile di gravi equivoci da parte di alcuni fornitori.

I gas liquefatti possono provenire da distillati di petrolio derivati dalla stabilizzazione dei grezzi dopo condensazione e raffinazione con miscele di idrocarburi saturi della serie alcani od in alternativa, dalla lavorazione dei grezzi con distillazione primaria, craking e reforming catalitico con la produzione di alcheni.

Le variabili in gioco sono significative per la densità, il punto di liquefazione ed il potere calorifico, elementi la cui importanza sarà considerata successivamente.

Nella produzione di alcani troviamo propano, butano, iso - butano, n - butano, composti questi ultimi che differiscono nel potere calorifico e nella temperatura di liquefazione.

Comunemente oggi si parla di GPL come gas propano liquefatto, grazie alla normalizzazione della distribuzione voluta dai maggiori distributori che hanno concordato uno standard sulle forniture di questo prodotto con due opzioni:
1. utilizzo di le bombole per uso familiare caricate con due sostanze differenti: propano e butano rispettivamente con il rapporto del 75% e del 25%;
2. fornitura di propano commerciale costituito da propano all'85% e da propeni al 10%.

Mentre il metano, di composizione nota, viene erogato allo stato di gas, il GPL viene consegnato all'utente sotto forma di liquido con densità e caratteristiche completamente differenti.
Le unità di misura adottate per il pagamento del consumo sono litro per GPL e Stm3 per metano.
È interessante considerare il potere calorifico di ciascun prodotto riportato alla stessa unità di misura: il chilogrammo.

KCal/kg
Metano Propano Butano
CH4 C3H8 C4H10
13.533 11.112 10.944

Tale comparazione non è arbitraria ma applica la legge di Avogadro in base alla quale volumi eguali di gas contengono lo stesso numero di molecole (grammomole).

Il metano (CH4) ha un peso molare di 16 g.
Il propano (C3 H8) ha un peso molare di 44 g.
Il butano (C4 H10) ha un peso molare di 58 g.

Il metano ha un valore energetico nettamente superiore agli altri prodotti.
Aumentando il peso molecolare diminuisce il potere calorifico e la tensione di vapore, ovvero la facilità del fluido ad evaporare, obbligando di conseguenza ad integrare il calore di vaporizzazione con elementi esterni di preriscaldo.

La tabella allegata riassume le caratteristiche note dei principali gas in esame:

Combustibile P.C.S. P.C.I. Densità Temp. accen-
kCal/Stm3 kCal/Stm3 Kg/Stm3 sione °C

CH4 Metano 9.020 8.120 0,68 530
C2H6 Etano 15.900 14.540 1,28 530
C3H8 Propano 22.850 21.020 1,89 510
C4 H10 Butano 30.000 27.800 2,54 490
C2H2 Acetilene 13.100 12.670 1,12 310
CO2 1,87
CO 2.860 2.860 1,18
Gasolio

Anche la temperatura gioca un ruolo ragguardevole variando la densità in funzione delle condizioni climatiche. Per tale motivo in fase di erogazione viene applicato come unità di misura il litro standard a temperatura predefinita indipendentemente dalla temperatura misurabile all'atto della carica.

Propano Butano Metano
commerciale commerciale

Temp. Liquido kg/l Vapore Liquido kg/l Vapore Gas m3
-30 0,58 2,25
-20 0,56 2,15
-10 0,54 2,1
0 0,53 2 0,6 2,5 0,68
10 0,51 1,8 0,59 2,5
20 0,50 1,7 0,58 2,4
30 0,48 1,6 0,57 2,3

Con questa tabella possiamo riscontrare la maggior densità del butano del 26% rispetto al propano, valore che convalida il diverso potere calorifico.

A questo punto l'utilizzatore potrebbe domandarsi costa stia usando, che potere calorifico abbia la miscela di gas acquistata e quanto costi questo prodotto.

Supponendo di acquistare il GPL od il metano a 1000 lire unità di volume litro /m3

Propano Butano Metano
Costo a litro 1000 1000 -
Costo a kg 2000 1724 1470
Costo a m3 3258 4378 1000

In base alla densità ed al peso da cui deriva il potere calorifico, elemento fondamentale per la valutazione del costo economico, si possono trarre le seguenti considerazioni:
Propano Butano Metano

Travaso. Vendita Vapore Vendita
liquido a°C a kg Stm3 a kg Stm3 Stm3

0 1886 1639
10 1941 1695
20 2000 3258 1724 4378 1360
30 2083 1760
40 2127 1801

Per produrre 100.000 kCal/h occorreranno di conseguenza:

KCal/Kg
Gas utilizzato Metano Propano Butano
CH4 C3H8 C4H10
13.533 11.112 10.944
7,3 Kg 8,9 9,1
10,6 m3 17,8 litri 15,7 litro
Costo da
addebitare Lire 10.600 17.800 15.688

Tale indicazione ha ora bisogno di essere approfondita.

La miscela comporta la presenza contemporanea di almeno due prodotti con due densità differenti e con due differenti punti di condensazione. Il butano avendo una densità maggiore, ha un costo inferiore rispetto al propano. Di conseguenza se la presenza di butano non è ben dichiarata, il venditore ha un guadagno aggiuntivo.

Prodotti con maggior densità o legami doppi di carbonio, (alcheni) hanno calore specifico ancora più ridotto e quindi minor valore economico.

Tale situazione collegata alla temperatura di liquefazione, viene compensata a spese dell'utente con l'inserimento di un vaporizzatore che facilita il cambiamento di stato da liquido a vapore anche del prodotto più denso. Oltre ad aver acquistato un prodotto di minor pregio bisogna anche maggiorare i costi con il consumo di energia elettrica.
Un sistema elettrico di preriscaldo per 5000 lt. di serbatoio nella zona di Milano ha raggiunto a consuntivo una maggiorazione di costo di almeno 45 - 60 lire a litro erogato.
(8 -10% del prezzo di vendita).

Le nostre ipotesi di lavoro sono sino ad ora basate sulla contemporanea presenza della miscela nel bruciatore. In effetti noi richiediamo al combustibile un cambiamento di stato che deve avvenire a parità di temperatura e volume solo variando la pressione esistente.
Se nel serbatoio abbiamo 10 bar, il solo propano è in grado di evaporare mentre il butano deve attendere la discesa della pressione per poter uscire dal serbatoio in fase vapore. Questo fenomeno estendibile anche agli altri prodotti esistenti nel GPL, permette di affermare che nella fase di combustione di GPL si presentano differenti condizioni di esercizio.

Diagramma tensione assoluta

Temperatura Propano Butano
-20 2,5 bar
-10 3,5 bar
0 4,8 bar
10 6,5 bar 1,8 bar
20 8,5 bar 2,2 bar
30 11 bar 3 bar

Il nostro bruciatore, che non ragiona in termini commerciali ma solo di volume di prodotto immesso, e la nostra caldaia che per rendere ha bisogno di calorie, si trova di conseguenza alimentata da due combustibili differenti, con una ulteriore differenza, l'indice di Wobbe (la quantità di gas combustibile defluente da un ugello qualora la sua pressione rimanga costante, è inversamente proporzionale alla radice della densità relativa).

Nei nostri casi riporto i valori desunti da Schuster - Gaswarm

Metano Propano Butano
Densità in 0,62 1,56 2,09
rapporto all'aria
Indice di Wobbe 12780 19460 22140

Possiamo rilevare che tra propano e butano esiste una differenza di oltre il 10%.
Questo indice serve per tenere sotto controllo i seguenti fattori:
1. assicurarsi che l'altezza del nucleo del cono fiamma resti invariato al cambiare il tipo di gas di alimentazione;
2. assicurarsi che la fiamma resti stabile;
3. assicurarsi che il rendimento della fiamma rimanga eguale;
4. assicurarsi che la combustione sia completa.

Questa differenza, per mantenere invariati i requisiti originari dovrebbe essere compensata da una variazione della pressione di alimentazione.

LE CARATTERISTICHE DELLA COMBUSTIONE
La combustione dei gas risponde alle seguenti regole:

Combustibile CO2 in % H2O Fumi
prodotti in m3
Metano CH4 1 2 10,52
Propano C3H8 3 4 25,8
Butano C4H10 4 3 33,4

Rispetto al metano, è di conseguenza presente un quantitativo doppio di CO2 e H2O nei fumi. Con il butano questi valori sono ancora ulteriormente ingigantiti.

Il vapore di acqua ed il CO2 sono gas altamente irraggianti e questa considerazione obbliga a constatare che in fase di modifica del combustibile gasolio - metano - GPL, molto raramente viene ridiscussa la geometria della superficie di scambio della caldaia stessa, elemento determinante per garantire quello scambio termico che le caratteristiche chimico fisiche del GPL permetterebbero di ottenere. La trasmissione di calore per irraggiamento è una funzione della temperatura elevata alla quarta potenza, secondo la teoria dell'irraggiamento di Lambert. Non è quindi sufficiente predisporre la semplice sostituzione di un ugello, per ottenere una efficienza ottimale di combustione.

La trasmissione di calore per irraggiamento dovuta alla contemporanea presenza di ossido di carbonio, acqua e particolato nella combustione di GPL raggiunge valori del 25% contro il 10% del gas naturale. Per un raffronto, il fattore irraggiamento dell'olio combustibile è 35%.

Sarebbe auspicabile disporre di generatori espressamente realizzati per questi gas, propano e butano, idonei a sopportare densità differenti, differenti poteri calorifici, variare le pressioni di combustione e recuperare il calore radiante prodotto dalla forte presenza di CO2 ed H20.
In molti casi oggi assistiamo alla semplice sostituzione di un ugello nel combustore, ed al tentativo di acquisire il GPL al costo minimo senza verifica dello standard di qualità.

I volumi in gioco in una caldaia da 100.000 kCal/h erogate diventeranno rispettivamente di

Produzione di Metano Propano Butano
100.000 kcal/h
Potere calorifico PCI 8.200 PCI 22.340 PCI 29.700
inferiore nm3/h nm3/h nm3/h
Consumo per aria 12,1 x 10,52 4,7 x 25,8 3,3 x 33,4
combustione
Valore aria 27 Stm3/h 121 Stm3/h 112 Stm3/h
al camino

Siamo anche obbligati a mantenere rapporti di combustione non controllati stechiometricamente nelle varie fasi poiché dipendenti dal potere calorifico del gas evaporato. Tarando al valore del metano avremmo una diluizione di oltre il 10% quando interviene il butano, l'eccesso di aria aumenta in funzione della diminuzione del potere calorifico. Il fatto che, peggiorando la qualità si peggiora la combustione, dovrebbe essere un efficace baluardo contro soluzioni facili od artigianali.

Un rilancio della distribuzione del GPL richiederebbe quanto segue:
1. le aziende fornitrici di GPL devono accompagnare la fornitura con certificazione della miscela consegnata o di periodiche analisi di controllo effettuate sulla fornitura;
2. le aziende fornitrici devono effettuare il controllo a cadenza annuale della superficie esterna del recipiente e della funzionalità degli accessori;
3. le aziende fornitrici devono effettuare la sostituzione almeno ogni 2 anni della valvola di sicurezza tarata a banco in presenza ISPESL;
4. i tradizionali bruciatori a metano e le camere di combustione devono essere riadattati a GPL;
5. l'utente dovrà mantenere il controllo del livello di liquido del serbatoio munendosi di manometri con i quali potrà conoscere la fase di butano ed intervenire con i differenti rapporti stechiometrici di combustione.
6. la presenza di preriscaldatori elettrici richiede la verifica biennale con modello C delle installazioni elettriche di alimentazione dei termostati contenute in cassette AD-PE poste sul vaporizzatore con capacità superiore a 500 kg.

Sarà sicuramente interessante conoscere proposte innovative per idonei impianti di combustione civile ed industriale.