Diesel: composizione e ambiente

Il diesel è uno dei carburanti più utilizzati al mondo, soprattutto nel settore dei trasporti pesanti, agricoli e industriali. Derivato dalla raffinazione del petrolio greggio, il diesel si presenta come una miscela complessa di idrocarburi liquidi che possiede caratteristiche chimiche e fisiche peculiari.

A differenza della benzina, il diesel ha una maggiore densità energetica il che significa che a parità di volume fornisce più energia e viene impiegato in motori ad accensione per compressione, noti appunto come motori diesel.

La comprensione della sua composizione chimica e delle reazioni che avvengono durante la combustione è fondamentale per valutarne l’efficienza energetica, le emissioni inquinanti e le potenzialità di innovazione nel contesto della transizione energetica.

Composizione chimica del diesel

Il diesel è una miscela complessa di idrocarburi, principalmente composti da atomi di carbonio e idrogeno. A livello chimico, non esiste una formula univoca per il diesel, poiché la sua composizione varia in base alla fonte del petrolio e ai processi di raffinazione impiegati infatti generalmente bolle in un ampio intervallo di temperatura compreso tra 150 °C e 380 °C.

Tuttavia, il diesel commerciale contiene principalmente idrocarburi saturi paraffine lineari e ramificate, cicloparaffine (nafteni) e una percentuale variabile di idrocarburi aromatici. In genere, le molecole presenti nel diesel hanno un numero di atomi di carbonio compreso tra 10 e 20 (C₁₀–C₂₀).

Una formula chimica media spesso usata a fini indicativi è C₁₂H₂₆, che rappresenta una paraffina lineare. Questa formula riflette il carattere energetico del diesel e il suo comportamento alla combustione. Gli idrocarburi paraffinici sono preferiti nei carburanti diesel per l’elevato numero di cetano, che favorisce una combustione più regolare nei motori a compressione.

A livello molecolare, il diesel differisce dalla benzina non solo per la lunghezza delle catene carboniose con minor numero di atomi di carbonio rispetto alla benzina, ma anche per una maggiore presenza di composti a più alto peso molecolare e un contenuto aromatico mediamente più elevato, anche se regolato da normative ambientali.

In alcuni casi, soprattutto nei climi freddi, questo carburante può contenere additivi o componenti sintetici per migliorarne la fluidità e la stabilità. Inoltre, l’introduzione di biodiesel, prodotto da oli vegetali o grassi animali, ha portato alla presenza di esteri metilici di acidi grassi nella miscela, modificando parzialmente la composizione chimica del carburante finale.

Caratteristiche chimico-fisiche del diesel

Le proprietà chimico-fisiche di questo carburante ne determinano l’efficienza nei motori, la sicurezza d’uso e l’impatto ambientale. Tra le caratteristiche principali vi sono la densità, la viscosità, il punto di infiammabilità, il potere calorifico e l’indice di cetano.

Densità: il diesel ha una densità tipica compresa tra 820 e 860 kg/m³ a 15 °C. Rispetto alla benzina, è più denso, il che contribuisce alla sua maggiore densità energetica, ovvero una quantità maggiore di energia per unità di volume.

Viscosità: la viscosità del diesel è maggiore di quella della benzina, e si aggira intorno a 2–4 mm²/s a 40 °C. Questa proprietà influenza la capacità del carburante di lubrificare le parti mobili del motore e il modo in cui viene nebulizzato durante l’iniezione.

Punto di infiammabilità: il diesel ha un punto di infiammabilità superiore a 55 °C, il che lo rende meno volatile e più sicuro da maneggiare rispetto alla benzina. Tuttavia, richiede elevate pressioni per l’accensione nei motori diesel.

Potere calorifico: il diesel presenta un potere calorifico medio di circa 43 MJ/kg, leggermente superiore a quello della benzina. Questo valore indica la quantità di energia liberata durante la combustione completa e giustifica l’elevata efficienza energetica dei motori diesel.

Numero di cetano: è un parametro fondamentale per valutare la qualità di accensione del diesel. Un numero di cetano elevato indica una minore tendenza al ritardo di accensione e una combustione più regolare. Il diesel commerciale ha generalmente un indice di cetano compreso tra 45 e 55, ma i carburanti di qualità superiore possono superare questo valore.

Altre proprietà rilevanti includono la temperatura di solidificazione (influenzata dalla presenza di paraffine) e la composizione in zolfo, regolata da normative ambientali. Per usi in climi freddi,  può essere trattato chimicamente o miscelato con additivi per evitare la formazione di cristalli che ne ostacolerebbero il flusso.

Produzione

La sua produzione inizia con la raffinazione del petrolio greggio, una miscela naturale di idrocarburi che deve essere separata e trattata per ottenere carburanti utili. Il primo passaggio fondamentale è la distillazione frazionata, un processo fisico-chimico basato sulla diversa temperatura di ebollizione dei vari componenti del greggio. Viene poi raccolto nella frazione che bolle tra circa 200 °C e 350 °C, nota come gasolio.

Tuttavia, il prodotto ottenuto dalla sola distillazione non è sufficiente a soddisfare gli standard richiesti per l’uso nei motori. Per questo motivo, viene sottoposto a una serie di trattamenti chimici volti a migliorarne la qualità, la purezza e le proprietà funzionali. Tra i più rilevanti si annoverano:

Desolforazione catalitica (hydrodesulfurization, HDS): rimuove il contenuto di zolfo tramite reazioni con idrogeno in presenza di catalizzatori, riducendo la formazione di anidride solforosa (SO₂) durante la combustione.

Cracking catalitico: spezza molecole di idrocarburi più grandi e pesanti per ottenere frazioni più leggere.

Isomerizzazione: modifica la struttura molecolare degli idrocarburi lineari in ramificati, migliorando l’indice di cetano e le prestazioni del carburante.

Negli ultimi anni si è affermata anche la produzione di diesel sintetico, ottenuto tramite processi chimici come il processo Fischer-Tropsch, in cui gas di sintesi (CO e H₂) vengono convertiti in idrocarburi liquidi. Questo tipo di diesel, noto anche come gas-to-liquid (GTL) o coal-to-liquid (CTL), presenta una composizione più controllata e priva di zolfo o aromatici.

Un’altra variante è il biodiesel, prodotto chimicamente per transesterificazione di oli vegetali o grassi animali con alcol metilico, in presenza di un catalizzatore. Il risultato è una miscela di esteri metilici di acidi grassi compatibile con il diesel fossile e in grado di ridurre l’impronta ambientale del carburante.

Reazioni di combustione

La combustione di questo carburante è una reazione chimica che avviene nei motori ad accensione per compressione, in cui il carburante viene iniettato in una camera dove l’aria è stata precedentemente compressa e riscaldata. A contatto con l’aria calda, il diesel si accende spontaneamente, innescando una serie di reazioni esotermiche.

La combustione completa ideale del diesel può essere rappresentata dalla seguente reazione chimica semplificata, assumendo una molecola media del tipo C₁₂H₂₆:
2 C₁₂H₂₆ + 37 O₂ → 24 CO₂ + 26 H₂O

In questa reazione, gli atomi di carbonio e idrogeno del carburante reagiscono con l’ossigeno dell’aria per formare anidride carbonica (CO₂) e vapore acqueo (H₂O), liberando energia sotto forma di calore.

Tuttavia, nei motori reali la combustione non è mai perfettamente completa. A causa di condizioni di miscelazione non ideali e temperature variabili all’interno della camera di combustione, si formano anche sottoprodotti indesiderati:

Monossido di carbonio (CO): prodotto dalla combustione incompleta del carbonio.

Particolato (PM): minuscole particelle solide e liquide, costituite principalmente da carbonio incombusto e idrocarburi pesanti.

Ossidi dell’azoto (NOₓ): generati dalle alte temperature che causano la reazione tra l’azoto e l’ossigeno dell’aria. Il NOₓ comprende principalmente NO (monossido di azoto) e NO₂ (biossido di azoto).

Idrocarburi incombusti (HC): derivanti dalla parziale evaporazione o dalla combustione incompleta del diesel.

Anidride solforosa (SO₂): se il carburante contiene zolfo, questo reagisce con l’ossigeno formando SO₂, un gas tossico e precursore delle piogge acide.

Le emissioni nocive dipendono in larga misura dalla composizione chimica del diesel e dalla tecnologia del motore. Per questo motivo, negli ultimi anni si sono diffusi carburanti a basso contenuto di zolfo (ULSD – Ultra-Low Sulfur Diesel) e sistemi di post-trattamento come filtri antiparticolato e catalizzatori SCR per ridurre le emissioni inquinanti.

Impatto ambientale del diesel

L’impatto ambientale è strettamente connesso alla sua composizione chimica e ai prodotti generati durante la combustione. Sebbene questo carburante offra un’elevata efficienza energetica, le reazioni chimiche che avvengono nei motori diesel producono sostanze inquinanti che hanno effetti significativi sulla qualità dell’aria e sul clima.

Uno dei principali problemi ambientali è rappresentato dalle emissioni di ossidi dell’azoto formati a causa delle elevate temperature in camera di combustione. Questi composti contribuiscono alla formazione di smog fotochimico e di ozono troposferico, sostanze nocive per la salute umana e per la vegetazione.

Altro prodotto critico è il particolato fine (PM₁₀ e PM₂.₅), costituito da agglomerati di carbonio elementare, residui incombusti e composti organici. Il particolato diesel è tra gli inquinanti più pericolosi, poiché può penetrare profondamente nei polmoni e nel sistema circolatorio, provocando patologie respiratorie e cardiovascolari.

Anche l’anidride carbonica (CO₂), sebbene sia il risultato di una combustione completa, rappresenta un gas serra responsabile del riscaldamento globale. Il diesel, per via della sua maggiore densità energetica, produce generalmente meno CO₂ per chilometro percorso rispetto alla benzina, ma questo vantaggio viene compensato, in parte, dalle maggiori emissioni di altri inquinanti.

Il contenuto di zolfo nel diesel è un ulteriore fattore di impatto. Sebbene le normative abbiano imposto limiti sempre più stringenti, il diesel ad alto tenore di zolfo può generare anidride solforosa (SO₂), che contribuisce alla formazione di piogge acide.

Negli ultimi anni, per contenere questi effetti, sono stati introdotti:

-Carburanti a basso tenore di zolfo (ULSD).

-Filtri antiparticolato (DPF) per trattenere il particolato.

-Catalizzatori SCR (Selective Catalytic Reduction) che riducono i NOₓ trasformandoli in azoto e vapore acqueo.

-Normative ambientali europee (Euro 4, Euro 5, Euro 6) che fissano limiti precisi alle emissioni.

Questi interventi, insieme all’uso crescente di biodiesel e diesel sintetico, rappresentano tentativi concreti di mitigare gli effetti negativi del diesel sull’ambiente.

Prospettive future

Il futuro di questo carburante è oggetto di un intenso dibattito, sospeso tra le esigenze di efficienza energetica e le pressioni ambientali. Se da un lato esso continua a offrire vantaggi in termini di rendimento termico e autonomia, dall’altro la sua composizione chimica e le emissioni associate alla combustione pongono limiti sempre più stringenti al suo impiego, soprattutto nei contesti urbani e nei Paesi con normative ambientali avanzate.

Nel settore della ricerca chimica e tecnologica, una delle principali linee di sviluppo è rappresentata dalla transizione verso carburanti alternativi. Tra questi spiccano:

Biodiesel avanzato (di seconda generazione), ottenuto da scarti vegetali e rifiuti organici, che offre una composizione chimica più sostenibile e una drastica riduzione delle emissioni nette di CO₂.

Diesel sintetico, prodotto tramite processi come quello di Fischer-Tropsch a partire da gas naturale, biomassa o CO₂ catturata, che consente un controllo preciso sulla composizione molecolare e l’assenza quasi totale di zolfo e aromatici.

Miscele ibride, che combinano diesel tradizionale con esteri metilici o altri composti ossigenati per migliorare la combustione e ridurre i residui carboniosi.

Parallelamente, si stanno sviluppando motori più puliti, dotati di sofisticati sistemi di trattamento dei gas di scarico, in grado di ridurre significativamente le emissioni di NOₓ e particolato, mantenendo alte prestazioni. Tuttavia, questi sistemi sono complessi, costosi e richiedono una manutenzione accurata.

Le tendenze normative e industriali sembrano orientarsi verso una progressiva riduzione dell’uso di questo carburante nei veicoli leggeri e in ambito urbano, a favore di motorizzazioni elettriche e ibride. Il diesel potrebbe tuttavia mantenere un ruolo strategico nei trasporti pesanti, navali e ferroviari, e in settori dove la densità energetica rimane un requisito essenziale.

In questo scenario, la chimica continuerà a svolgere un ruolo cruciale: modificare la struttura molecolare del carburante, ridurre le emissioni alla fonte e sviluppare tecnologie compatibili con l’ambiente saranno le chiavi per un diesel “più pulito”, almeno nella fase di transizione energetica.

Normative

Nei principali Paesi industrializzati vi sono che limitano l’uso di questo carburante, in particolare nei settori del trasporto urbano e della mobilità privata, a causa dell’impatto ambientale associato alle sue emissioni.

Normative Europee

L’Unione Europea ha introdotto, a partire dal 1992, una serie di standard noti come norme Euro, che impongono limiti sempre più stringenti alle emissioni di autoveicoli diesel. Le più rilevanti:

-Euro 5 (2009): limitazione severa del particolato (PM).

-Euro 6 (2014): drastica riduzione dei NOₓ.

-Euro 7 (in arrivo tra il 2025-2027): integrazione dei limiti per tutte le condizioni di guida reali, anche per veicoli pesanti.

Zone a basse emissioni (LEZ e ZFE)

Molte città europee (come Parigi, Milano, Berlino, Londra) hanno istituito Zone a Basse Emissioni (Low Emission Zones) dove l’accesso ai veicoli diesel più vecchi è vietato o penalizzato. Alcune città hanno programmato un divieto totale di veicoli diesel entro il 2030 o prima.

Misure nazionali restrittive

Francia e Germania: limitazioni progressive alla vendita di auto diesel nuove; bonus per la rottamazione.

Italia: diverse regioni (Lombardia, Emilia-Romagna, Piemonte) hanno già introdotto limitazioni stagionali alla circolazione dei diesel Euro 4 e inferiori.

Regno Unito: ha introdotto le ULEZ (Ultra Low Emission Zones), in cui i diesel non conformi a Euro 6 pagano tariffe giornaliere elevate.

Cina e India: restrizioni all’uso di questo carburante in città con alti livelli di inquinamento.

Incentivi per la sostituzione

Molti governi hanno avviato programmi di incentivazione per la rottamazione dei diesel inquinanti, promuovendo il passaggio a veicoli elettrici o ibridi tramite bonus ambientali.

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