La bioenergia nei gusci di noce Teach article

Tradotto dalla classe 4A LSSA – I.I.S. A.Badoni – A.S. 2019/2020. Gli scarti dei gusci di noce potrebbero rappresentare la prossima fonte di energia rinnovabile? Invitate i vostri studenti a scoprirlo usando la calorimetria.

Il mondo si sta accorgendo del danno causato dall’impiego dei combustibili fossili. Per questo motivo, molti paesi stanno passando ad alternative più ecocompatibili, come ad esempio l’energia derivante dalle biomassew1. Sebbene queste fonti siano generalmente considerate preferibili rispetto a quelle non rinnovabili, una questione centrale della maggior parte dei dibattiti sulla bioenergia è il fatto che i terreni agricoli vengono spesso convertiti alla produzione di queste biomasse, a discapito dell’approvvigionamento alimentare. Un modo ovvio per evitare questo ‘dilemma tra cibo e carburante’ (e ridurre le emissioni di carbonio nel processo) è quella di ricavare bioenergia dagli scarti.

Negli ultimi anni, un materiale che comunemente consideriamo una risorsa alimentare – la frutta secca – ha iniziato ad essere utilizzato come fonte di energia. Ad oggi vengono utilizzati i frutti interi, ma bruciare gli scarti dei gusci non potrebbe essere un modo più sostenibile per utilizzare questo materiale? E i gusci di scarto potrebbero aiutare ad andare incontro alle future esigenze energetiche? Nelle attività che seguono, proporremo agli studenti di scoprirlo.

Waste nutshells could provide a more sustainable alternative source of bioenergy.
Bruciare i gusci di scarto potrebbe fornire un’alternativa più sostenibile rispetto ad altre fonti di bioenergia.
Alexas_Fotos/pixabay.com, CC0
 

Utilizzando un calorimetro realizzato artigianalmente, gli studenti dai 14 ai 19 anni possono determinare la quantità di energia termica rilasciata da diversi tipi di gusci. Confrontando poi i loro risultati con i dati della letteratura scientifica, gli studenti stabiliscono se questi gusci possano rimpiazzare altre fonti di energia rinnovabile attualmente in uso.

Preparazione: costruire un calorimetro a combustione

La costruzione del calorimetro richiede circa una o due ore. Suggeriamo che gli studenti lavorino in gruppi di 2 o 3, e che costruiscano un calorimetro per ogni gruppo. Se la vostra scuola possiede già dei calorimetri che possono essere messi a contatto con una fiamma libera, si può saltare questa parte dell’attività e iniziare subito con l’esperimento.

Materiali

Per un calorimetro a combustione (figura 1):

  • Base in metallo o treppiede per sostenere il calorimetro
  • Tre pezzi grandi di polistirolo isolante
  • Becher da 50 ml con coperchio in polistirolo
  • Termometro
  • Reticella metallica con centro in materiale ceramico refrattario
  • Foglio di alluminio adesivo
  • Coltello multiuso
  • Raspa
Figure 1: Diagram showing a cross section of the homemade calorimeter
Figura 1: Diagramma che mostra una sezione trasversale del calorimetro artigianale
Papadopoulos Stavros/Nicola Graf
Thermometer: Termometro;
Polystyrene covered with aluminium foil: Polistirolo coperto con foglio di alluminio
Wire gauze mat: Reticella metallica refrattaria;
Metal base: Base in metallo;
Polystyrene lid: Coperchio in polistirolo;
Beaker with water: Becher con acqua;
Nutshells: Gusci di noce;
Candle: Candela

Procedimento

  1. Trovate una struttura di metallo adatta a fungere da base per il vostro calorimetro. I blocchi di polistirolo dovranno essere posizionati sopra questa base, così che la struttura crei uno spazio sottostante nel quale potrà essere posta la candela. Noi abbiamo usato una struttura che avevamo già disponibile nel nostro laboratorio scolastico (figura 2), ma si può ridurre la dimensione del calorimetro utilizzando un treppiede.
  2. La parte in polistirolo del dispositivo dovrà contenere il becher. Usando un coltello multiuso, tagliate i tre pezzi di polistirolo in modo tale da farli combaciare con le dimensioni della vostra base metallica o del treppiede. Tenete presente che uno dei pezzi di polistirolo (da posizionare sopra gli altri due) deve essere abbastanza spesso (per esempio 6 cm) da adattarsi all’interno del becher. Gli altri due pezzi possono essere più sottili (per esempio 3 cm).
  3. Nel centro di ciascuno dei blocchi di polistirolo, ritagliate un foro dal diametro uguale a quello del becher. Lisciate le pareti del foro utilizzando una raspa. Il becher deve starci perfettamente, in maniera tale da impedire il passaggio di aria.
  4. Usando un pezzo di polistirolo avanzato, ritagliate un coperchio per il becher, che fungerà da tappo. Praticate poi un piccolo foro nel coperchio nel quale possa passare il termometro (figura 3).

    A metal base for the calorimeter
    Figura 2: Una base metallica, come questa, funge da sostegno principale per il calorimetro.
    Papadopoulos Stavros 

    Figure 3: The beaker is sealed with a polystyrene lid, through which a thermometer passes.
    Figura 3: Il becher è sigillato con un coperchio in polistirolo, attraverso il quale passa un termometro.
    Papadopoulos Stavros 
     

    Figure 4: The wire gauze mat is sandwiched between the two thinner polystyrene pieces.
    Figura 4: La reticella metallica refrattaria è inserita tra i due pezzi di polistirolo più sottili.
    Papadopoulos Stavros
     

  5. Inserite la reticella metallica tra i due pezzi di polistirolo più sottili (figura 4) e posizionatevi sopra il pezzo di polistirolo più spesso.
  6. Avvolgete ciascuno dei tre pezzi di polistirolo nel foglio di alluminio, ripiegando le estremità del foglio nel buco per il becher. Assicuratevi che il polistirolo sia completamente coperto dalla lamina, poiché ciò assicurerà che il polistirolo non prenda fuoco.
  7. Posizionate il becher (completo di coperchio e termometro) nella parte superiore del calorimetro (figura 5).
     ​

    Figura 5: Il calorimetro completato è pronto per procedere all’esperimento.
    Papadopoulos Stavros 

Esperimento: bruciare la biomassa

Sempre negli stessi gruppi, gli studenti bruciano vari tipi di gusci e noccioli utilizzando il loro calorimetro e calcolano la quantità di energia termica che viene trasferita dal nocciolo, o dal guscio, all’acqua presente nel becher. Sebbene lo scopo dell’esperimento sia quello di determinare la quantità di energia termica rilasciata dai gusci (e non dai noccioli), gli studenti hanno bisogno di bruciare anche questi ultimi per confrontare i loro risultati con i valori pubblicati in letteratura, dato che questi valori sono più ampiamente disponibili rispetto a quelli dei soli gusci.

Per i calcoli, gli studenti utilizzano la seguente equazione:

Q = m x c x ΔΤ

Dove:

Q = energia termica trasferita (J)

M = massa dell’acqua (kg)

C = calore specifico dell’acqua (4200 J kg-1 K-1)

ΔT = variazione della temperatura (K)

Suggeriamo che gli studenti brucino i noccioli e i gusci di quattro tipi di frutta secca diversi, e così facendo l’intero esperimento richiederà approssimativamente 2 ore, includendo calcoli e ripetizioni.

Materiali

  • Calorimetro
  • Frutta secca, es. noci, nocciole, mandorle, pistacchi
  • Mortaio e pestello
  • Bilancia elettronica di precisione (sensibilità di 0.1 g o meno)
  • Termometro
  • Schiaccianoci
  • Pinzette
  • 50 ml di acqua
  • Candela, es. scaldavivande (e fiammiferi)

Nota di sicurezza

Questa attività non dovrebbe essere eseguita se qualche studente o membro del personale fosse allergico alla frutta secca. Ricordate che i residui potrebbero rimanere nell’aria dopo la macinazione o la combustione della frutta a guscio, il che potrebbe nuocere a persone con gravi allergie che dovessero utilizzare la stessa stanza in seguito.

Dovrebbero essere utilizzati gli occhiali di protezione e dovrebbe essere fatta particolare attenzione alle fiamme libere.

Procedimento

  1. Utilizzando uno schiaccianoci, rompete i vari tipi di noci e separate i semi dai gusci. Macinate delicatamente ogni campione (semi/gherigli e gusci separatamente) con un mortaio con pestello.
  2. Pesate 0.2 g di ogni campione utilizzando la bilancia elettronica di precisione. Questo quantitativo, quando viene bruciato, è sufficiente per causare una variazione misurabile della temperatura dell’acqua.
  3. Rimuovete il pezzo superiore di polistirolo e posizionate il primo campione macinato sulla reticella metallica.
  4. Aggiungete 50 ml di acqua al becher e chiudetelo bene con il coperchio di polistirolo. Assicuratevi che il termometro sia in contatto con l’acqua. Annotate la temperatura iniziale.
  5. Accendete la candela e posizionatela sotto la reticella di refrattario per dare fuoco al campione.
  6. Appena il campione prende fuoco, rimuovete la candela per evitare che la sua fiamma riscaldi l’acqua. Quindi rimettete in posizione il pezzo superiore di polistirolo (con il becher).
  7. Osservate attentamente il campione in fiamme dalla parte inferiore del calorimetro. Non appena smette di bruciare, leggete e annotate nuovamente la temperatura dell’acqua.
  8. Calcolate la variazione di temperatura dell’acqua e quindi determinate la quantità di calore che il campione ha ceduto bruciando, usando l’equazione Q = m x c x ΔΤ. Ricordate che 1 ml di acqua pesa 1g.
  9. Ripetete i passaggi per ogni campione di frutta secca almeno tre volte, cambiando l’acqua nel becher per ciascun campione.
  10. Calcolate il potere calorifico medio per chilogrammo di ogni tipo di materiale (tabella 1). Osservate che i valori pubblicati in letteratura per semi e gherigli sono rappresentati nella tabella 2. 
Tabella 1: I risultati sperimentali ottenuti dagli studenti forniscono il potere calorifico medio di semi e gusci di vari tipi di frutta secca
  Potere calorifico medio per kg (x 104 kJ/kg)
Tipo di frutto a guscio Gheriglio o seme Guscio
Noce 1.4595 0.5320
Nocciola 1.4175 0.5285
Mandorla 1.1690 1.0745
Pistacchio 0.6685 0.5180

Determinazione dell’affidabilità

Gli studenti dovrebbero confrontare i risultati da loro ottenuti con i valori che sono ampiamente disponibili in letteratura. Questo permette loro di accertare l’affidabilità dei loro risultati per i gusci. Gli studenti possono cercare loro stessi le pubblicazioni, oppure possono utilizzare i valori forniti nella tabella 2. I nostri studenti hanno constatato che i loro valori sperimentali per i semi differivano all’incirca del 50% dai valori pubblicati (Brufau et al., 2006). Questa grande differenza offre l’occasione per discutere le ragioni per le quali l’apparato e il procedimento sperimentali possano aver causato tale discrepanza. Successivamente, gli studenti calcoleranno un fattore di correzione che permetterà loro di correggere i dati ottenuti. Ci sono numerose fonti di errore che possono essere discusse, ad esempio:

  • All’inizio dell’esperimento, gli studenti pesano 0.2 g dei vari tipi di frutta secca usando una bilancia elettronica di precisione. Questa misura potrebbe introdurre degli errori che dipendono dalla leggibilità della bilancia.
  • Per controllare che i campioni abbiano finito di bruciare, gli studenti potrebbero aver bisogno di rimuovere il becher e il polistirolo per poter vedere il campione, cosa che potrebbe causare une perdita di calore dal calorimetro, e influire sulla temperatura finale dell’acqua.
  • Quando il materiale smette di bruciare, gli studenti possono essere certi che tutto il campione sia bruciato, oppure la combustione potrebbe essere incompleta? Ad esempio,  le ceneri residue o pezzetti  di noci incombuste, potrebbero aumentare l’errore. 

Nel complesso, tuttavia, la più grande fonte di errore nella calorimetria è costituita dalla perdita di calore nell’ambiente. Per tenerne conto, gli studenti hanno bisogno di calibrare il calorimetro. Nella prossima attività, lo faranno misurando l’energia di combustione di una candela di paraffina di massa determinata.

Tabella 2: Valori di energia termica dei semi di frutta secca ottenuti dagli esperimenti svolti in classe (con e senza calibrazione), comparati con i valori trovati in letteratura (Brufau et al., 2006).
  Potere calorifico medio per kg (x 104 kJ/kg)
Tipo di seme di frutta da guscio Valori sperimentali senza calibrazione Valori sperimentali con calibrazione Valori pubblicati
Noce 1.460 2.840 2.735
Nocciola 1.418 2.757 2.679
Mandorla 1.169 2.274 2.302
Pistacchio 0.669 1.300 1.147

Calibrazione: migliorare la precisione

Gli studenti calcolano la quantità di energia termica che l’acqua nel becher ha assorbito dal calore della candela, e lo confrontano con la quantità di energia termica emessa dalla candela. Confrontando i due valori, gli studenti possono determinare la quantità di calore perso e l’errore nelle loro misurazioni. Questa operazione richiede all’incirca un’ora considerando anche le ripetizioni.

Materiali 

  • Calorimetro
  • 50 ml di acqua
  • Candela, es. scaldavivande (e fiammiferi)
  • Bilancia elettronica di precisione (con sensibilità di 0.1 grammi o meno)
  • Cronometro

Procedimento

  1. Pesate la candela con la bilancia di precisione e annotate il valore ottenuto.
  2. Rimuovete il pezzo superiore di polistirolo e posizionate la candela sopra la reticella metallica.
  3. Aggiungete 50 ml di acqua al becher, chiudetelo con il tappo di polistirene e annotate la temperatura dell’acqua come nella prima esperienza.
  4. Accendete la candela usando un fiammifero e riposizionate velocemente il pezzo superiore di polistirolo (contenente il becher).
  5. Utilizzando il cronometro per misurare il tempo, lasciate bruciare la candela per 10 minuti prima di spegnerla. Annotate la temperatura dell’acqua e determinatene la variazione.
  6. Pesate di nuovo la candela e calcolatene la variazione in massa.
  7. Calcolate la quantità di calore trasferita all’acqua utilizzando l’equazione Q = m x c x ΔΤ.
  8. Ripetete la procedura almeno tre volte e calcolate il calore medio di combustione  della cera di paraffina dividendo la quantità di calore (Q) per la massa della candela. Nel nostro caso, il calore medio di combustione della cera, determinato sperimentalmente, è stato di 2.1589 x 104 kJ/kg. Si sa che il calore di combustione della cera di paraffina è pari a 4.2 x 104 kJ/kg (Seager et al., 2011). 
  9. Usando questi due valori, determinate un fattore di correzione (D) calcolandone il rapporto. Usando i due valori sopra riportati:

D = 4.2 x 10/ 2.1589 x 104

   = 1.945

  1. Moltiplicate i vostri valori sperimentali per il fattore di correzione, che tiene conto dell’energia termica dispersa nell’ambiente. I vostri dati sperimentali dovrebbero essere ora più strettamente in accordo con i valori ottenuti dalla letteratura scientifica (tabella 2). Tuttavia, potrebbero esistere ancora degli scostamenti, che evidenziano l’importanza di valutare tutte le fonti di errore nel corso della ricerca.

Trarre le conclusioni

Per la parte finale dell’attività, gli studenti valutano se i gusci possano sostituire altre fonti di energia rinnovabile. Per fare ciò, gli studenti possono ottenere i dati dalla letteratura scientifica che si occupa dell’energia rilasciata dalla combustione delle fonti esistenti di biomassa, come legno duro, pellets di legno o noccioli di olive, e confrontarli con i propri risultati sperimentali ottenuti con i gusci. In alternativa, gli studenti potrebbero usare i valori della tabella 3, che sono tratti dalla letteratura. Possono poi riportare queste informazioni in un grafico (figura 6).

Tabella 3: Valori di energia termica per gusci ottenuti dagli esperimenti della classe (con e senza calibrazione), comparati ai valori di altri biocarburanti solidi ottenuti dalla letteratura (Telmo & Lousada, 2011; Lee, 2015; Miranda et al., 2008)
  Potere calorifico medio per kg (x 104 kJ/kg)
Biomassa (gusci e altre fonti) Dati sperimentali senza calibrazione Dati sperimentali con calibrazione Valori pubblicati
Noce 0.5321 1.0349
Nocciola 0.5285 1.0279
Mandorla 1.0745 2.0899
Pistacchio 0.5180 1.0075
Legno duro 1.5823
Pellet di legno 1.9088
Nocciolo d’oliva 1.8944
Figure 6: Energy released by various nutshells (from students’ own calibrated results) compared to other renewable sources (taken from Telmo & Lousada, 2011; Lee, 2015; Miranda et al., 2008)
Figura 6: Energia rilasciata dai vari gusci  (dai risultati calibrati degli studenti) comparata ad altre fonti rinnovabili (ricavate da   Telmo & Lousada, 2011; Lee, 2015; Miranda et al., 2008)
Papadopoulos Stavros
Heat energy per kg (x 104 kJ/kg) : Energia termica per Kg (x 104 kJ/kg);
Experimental values: Valori sperimentali;
Published values:  Valori pubblicati;
Walnut shells: Gusci di noce;
Hazelnut shells: Gusci di nocciole;
Almond shells: Gusci di mandorle;
Pistachio shells: Gusci di pistacchi;
Hard wood: Legno duro;
Wood pellet: Pellet di legno;
Olive stone: Noccioli d’oliva

Complessivamente, i nostri risultati hanno mostrato che l’energia rilasciata dalla combustione dei gusci era circa il 46% inferiore rispetto all’energia rilasciata da queste altre tre fonti rinnovabili. Tuttavia, si noti che il nostro valore energetico per i gusci di mandorle era effettivamente paragonabile a quello per il pellet di legno e persino migliore di quelli per il legno duro o per i noccioli d’oliva.

Qualora il tempo lo permettesse, gli studenti potrebbero eseguire gli esperimenti calorimetrici per queste altre fonti di biomassa, e confrontare i valori ottenuti per il legno duro, per esempio, con quelli ottenuti per i gusci di noce.

Per stabilire definitivamente se i gusci possano essere un’adeguata alternativa, gli studenti dovrebbero anche considerare i vantaggi e gli svantaggi dell’uso dei gusci per ottenere bioenergia. Ad esempio, il vantaggio principale è che i gusci costituiscono uno scarto, e quindi i costi di produzione sono molto bassi. Una riduzione dei costi di processo deriva anche dal fatto che i gusci di noce contengono pochissima umidità – al contrario (per esempio) dei pellet di legno – e quindi non richiedono un’ulteriore essicazione. Tuttavia, la quantità di energia prodotta da alcuni tipi di frutta a guscio è molto inferiore rispetto ad altre potenziali fonti, come dimostrano i risultati. Inoltre, usare i gusci di frutta secca come fonte bioenergetica è possibile solo nei paesi in cui la loro produzione – e in particolare quella delle mandorle – è elevata, come negli USA, in Spagna, Iran, Italia e Siriaw2

Nel complesso, i nostri studenti si sono resi conto dell’importanza dell’uso dei gusci di frutta secca come fonte di energia, e sono arrivati alla conclusione che l’uso dei gusci – che altrimenti andrebbero persi – per la produzione di bioenergia è una pratica innovativa e preziosa. A quali conclusioni arriveranno i vostri studenti?

Ringraziamenti

Gli autori ringraziano calorosamente i loro studenti, Giannis Charalambidis, Alexis Nikas e Giannis Mantzaridis, per il loro aiuto negli esperimenti descritti in questo articolo, scritto in memoria di Giannis Mantzaridis, venuto a mancare nel 2017.

I loro ringraziamenti vanno anche al dottor Georgios Memetzidis per le sue proficue discussioni sulla costruzione e la calibrazione del calorimetro. Gli autori vorrebbero anche esprimere la loro gratitudine al loro attuale preside, il dottor Konstantinos Keramidas, per il suo interesse e per il suo continuo supporto.

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References

Web References

Resources

  • Sul sito ‘Biomass Producer‘ troverete lo casi di studio che descrivono come i gusci vengono usati per produrre energia.

Author(s)

La Dr.ssa Claire Achilleos e il Dr. Stavros Papadopoulos sono insegnanti di scienze al primo Model Lyceum di Salonicco ‘Manolis Andronikos’ in Grecia. La Dr.ssa Achilleos ha un dottorato nei materiali magnetici e il Dr. Papadopoulos ne ha uno nella fisica del plasma.

Il Dottor Stylianos Friligkos ha un PhD in fisica dei solidi. È il preside del 2nd General Lyceum di Pylaia-Thessaloniki, Grecia, e ha precedentemente rivestito il ruolo di preside nel 1st Model Lyceum di Thessaloniki ‘Manolis Andronikos’.

Il Dottor Hariton Polatoglou è un professore di fisica e didattica all’università di Thessaloniki, Grecia, ed è il direttore del laboratorio per la didattica della fisica e tecnologia educativa.


Review

In questa stimolante ricerca, gli insegnanti sono stati forniti di informazioni per consentire agli studenti di realizzare il loro calorimetro. Questa potrebbe essere un’attività divertente da svolgere in un circolo scientifico o tecnologico al di fuori delle lezioni, tuttavia potrebbe essere possibile realizzarla anche durante una lezione avendo tutti i materiali già pronti all’uso.

Un altro aspetto innovativo della ricerca è lo studio dei gusci della frutta secca (che sono di solito considerati materiali di scarto) come potenziali biocarburanti. Questa ricerca si collega bene con la fisica e la chimica, dal momento che gli studenti hanno calcolato l’energia termica rilasciata, calibrato i loro calorimetri, accertato l’affidabilità dei dati ottenuti, applicato dei fattori di correzione e confrontato i valori finali con quelli pubblicati. Questi passaggi offrono molte occasioni per gli studenti per discutere le fonti di errore e come minimizzarle, un aspetto applicabile a tutte le branche della scienza. I concetti relativi alla bioenergia potrebbero anche collegarsi alla biologia, alle scienze ambientali, alla geografia ed economia.

Se problemi di sicurezza legati alle allergie alle noci o alla frutta secca dovessero rendere questa attività problematica, altri materiali, a loro volta considerati scarti, potrebbero essere utilizzati al loro posto. Questi materiali potrebbero essere i noccioli di frutti quali olive, prugne, pesche e avocado, e magari anche i semi d’uva.


Dr.ssa Sue Howarth, consulente per l’educazione scientifica e precedentemente professore associato di educazione scientifica, UK




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