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Gestione e sostenibilità in cantina: consumi idrici ed energetici
Prof. Riccardo Guidetti, dott. Roberto Beghi,
dott.ssa Valentina Giovenzana
Riccagioia, 11 febbraio 2014
Indice• Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità
• L’impiego dell’energia solare –applicazioni
• La pompa di calore –applicazioni
Indice• Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità
• L’impiego dell’energia solare –applicazioni
• La pompa di calore –applicazioni
Riccagioia, 11 febbraio 2014Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali
Area INGEGNERIA
sviluppo capace di soddisfare i bisogni del presente senza compromettere la capacità delle generazioni future di soddisfare i propri (WCED,
1987)
Il rapporto Brundtland (conosciuto anche come Our Common Future) è undocumento rilasciato nel 1987 dalla Commissione mondiale sull’ambiente e losviluppo (WCED) in cui, per la prima volta, viene introdotto il concetto disviluppo sostenibile. Il nome viene dato dalla coordinatrice Gro HaarlemBrundtland che in quell'anno era presidente del WCED ed avevacommissionato il rapporto.La definizione, come si può vedere, non parla propriamente dell'ambiente inquanto tale, quanto più ci si riferisce al benessere delle persone , e quindianche la qualità ambientale; mette in luce quindi un principale principio etico:la responsabilità da parte delle generazioni d'oggi nei confronti dellegenerazioni future, toccando quindi almeno due aspetti dell'ecosostenibilità:ovvero il mantenimento delle risorse e dell'equilibrio ambientale del nostropianeta.
Sviluppo Sostenibile: una definizione
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Sostenibilità
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Sostenibilità
Sostenibilità economica: intesa come capacità di generare redditoe lavoro per il sostentamento della popolazione.Sostenibilità sociale: intesa come capacità di garantire condizionidi benessere umano (sicurezza, salute, istruzione) equamentedistribuite per classi e genere.Sostenibilità ambientale: intesa come capacità di mantenerequalità e riproducibilità delle risorse naturali (velocità diproduzione adeguata; no effetto accumulo!)Sostenibilità istituzionale: intesa come capacità di assicurarecondizioni di stabilità, democrazia, partecipazione, giustizia.
L'area risultante dall'intersezione delle quattro componenti,coincide idealmente con lo sviluppo sostenibile.
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Il processo enologico….
• Anello ad alto valore aggiunto della filiera vitivinicola;
• Declinato secondo modalità diverse e diversamente complesse;
• Sede di fasi attive e importanti per rispettare un prodotto risultato di una tecnica ed una cultura centenaria;
• Sede di processi energivori (energia elettrica e termica);
• Sede di produzioni di rifiuti.
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La Cantina: una visione di sistema
CANTINA
UVA
VINOR
. aer
ifor.
Personale
Bott., Tappi, SO2, ecc.
EnergiaR
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R. s
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La Cantina: una visione di sistema
Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA
La gestione di unsistema complesso(diversi input edoutput) richiede unosforzo maggioreper mantenere unelevato livello disostenibilità
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Lo sviluppo sostenibile in Cantina: alcuni contributi
Il controllo dell’energia e dell’acqua come parametri riconducibili alla sostenibilità ambientale
L’automazione come supporto alla sostenibilità sociale e ambientale
Sostenibilità economica
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Perché risparmiare energia?
I problemi ambientali causati dalle emissioni ecces sive di gas serra avvenuti all’incirca negli ultimi trent’anni hanno causato gravi danni a ecosistemi, alla salute umana nonchè costi rilevanti per certi settori
maggiormente sensibili a condizioni climatiche
è per questi motivi che anche le cantine italiane sia piccole sia grandi devono risparmiare energia!
Dipendenza energetica estera e conseguente vulnerabi lità a seguito delle continue oscillazioni di prezzo sempre molto alte che
portano ad una riduzione di competitività industrial e sul mercato globale
•Forte produzione di energia elettrica da combustibil i fossili che si riflette negativamente su emissioni di inquinanti
kg di CO 2 emessa = energia elettrica consumata kWh * 0.485 kg CO2/kWh
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BAT Best Available TechniquesIspirati alle richieste della direttiva europea 96/61/EC
del 24 settembre 1996 in ambito di controllo e prevenzione integrata dell’inquinamento “IPPC Directive”
(Integrated Pollution Prevention and Control) aggiornata dalla direttiva europea 2008/01/EC del 15 gennaio 2008.
In particolare le BAT del settore alimentare: FOOD, DRINK AND MILK INDUSTRIES
le BAT
Un’analisi dell’efficienza energetica il piu’ possibile completa deve tenere conto di un insieme di dati, analizzati e rielaborati, confrontati con valori di riferimento continuamente aggiornati.
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L’energia come parametro della sostenibilità
L’energia è alla base del concetto di sostenibilità e ne riassume in pieno la definizione:
- Sostenibilità ambientale: in quanto la sua produzione impatta sull’ambiente;
- Sostenibilità sociale: l’energia è ormai una leva di controllo delle popolazioni che vi dipendono sempre di più;
- Sostenibilità economica: i costi dell’energia sono alla base dei mercati mondiali;
- Sostenibilità istituzionale: ormai ogni nazione deve programmare le proprie risorse energetiche con politiche adeguate ed appropriate.
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…Il settore enologico: qualche dato
L’elettricità …Considerando una produzione annua pari a 50 milioni di Hl ed unconsumo complessivo pari a circa 70 kWh/Hl, si arriva a stimare unconsumo di energia elettrica per tutto il comparto pari a 0,42 tep (1tep = 107 kcal).Si consideri che tutto il settore agroalimentare ha una richiesta annuapari a circa 3700 ktep e che il settore vino produce un fatturato che ècirca il 7÷7,5 % rispetto a tutto il comparto (dati ISMEA)
…e l’acquaSe si considera un dato medio pari a 10 LH2O /Lvino si ha unconsumo idrico di settore pari a circa 5000 milioni di litri di acqua.Il consumo medio europeo è pari a 180 L/persona, pertanto tutto ilsettore enologico consuma l’acqua necessaria per una media cittàitaliana (circa l’equivalente di 75.000 persone).
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I progetti di analisi di processo:
•Il progetto A-POWER ed il progetto CHANGE: progettifinalizzati ad identificare i consumi energetici delle principalifiliere agroalimentari.•Enti promotori : Camera di Commercio di Milano, ComunitàEuropea
Il progetto S.T.E.P. (Sustainable Technology for EconomicProcessing) : progetti finalizzati ad identificare i consumiidrici delle principali filiere agroalimentari.Enti promotori : Comunità Europea
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Dove si utilizza l’energia elettrica nell’industriaagroalimentare?
Energia Elettrica
Sistemi di refrigerazione60%
Funzionamento impianti40%
Energia Elettrica
Sistemi di refrigerazione90%
Funzionamento impianti10%
In generale :
Nel settore enologico :
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Come razionalizzare i consumi: il controllo
• Individuare i costi energetici delle singole fasi p roduttive• Valutare possibilità di risparmio e di recupero ene rgetico
Panoramica del contesto aziendale grazie alla disponibilità degli operatori
Misure e stime dei consumi (energia, potenza, tempo)
Diagramma di flusso
Identificazione e quantificazione degli ingressi di energia
Identificazione e quantificazione dell’ energia in uscita
Elaborazione dei risultati dei dati raccolti e valutazione dello stato energetico dell’azienda
Proposte concrete e realizzabili per un risparmio energetico
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Strumenti disponibili
ANALISITEORICOSPERIMENTALE
Valutazione dei dati di targae stima dei tempi di
funzionamento
EFFETTIVO IMPIEGO DEL COMPRESSORE DI UN FRIGORIFERO
6
8
10
12
14
16
18
genn
aio
febb
raio
mar
zo
aprile
mag
gio
giugn
o
luglio
agos
tose
ttem
bre
otto
bre
nove
mbr
edi
cem
bre
h/gi
orno
1) valutazione deitempi
2) valutazione dei consumi energetici
3) Livelli di potenza
ANALISISPERIMENTALE
consumo energetico elettrico kWh (Uboldi)
0
10000
20000
30000
40000
50000
Genna
ioFeb
braio
Mar
zoApr
ileM
aggio
Giugno
Lugli
oAgo
stoSet
tembr
eOtto
bre
Novem
bre
Dicem
bre
kWh
0
20
40
60
80
100
120livello di potenza kW (Uboldi)
kW
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Risultati: l’analisi
• Flow sheet di processo con i dati energetici (impianti di processo)
• Flussi energetici (processo e servizio)• Disequilibri energetici (punti critici)• Suddivisione dei consumi tra i reparti• Contabilizzazione del “valore energetico”
del prodotto.
Elemento di controllo: la bolletta energetica ed idrica
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Risultati: le proposte
Recupero flussi di calore: integrare le attrezzature
Uso più razionale delle macchine di processo e di servizio (studio delle curve di carico, impiego di tecnologie più
adeguate, ecc.)
Rispetto ed ottimizzazione dei contratti
Interventi sugli impianti (tecnologie sostenibili) e sulla struttura (contenimento termico)
Introdurre un Referente per l’energia (Energy Manager)
Recupero sostenibile degli scarti: gestione dei rifiuti
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Risultati: I consumi elettrici
La modellazione del processo
0
100
200
300
400
500
600
700
800
900
A B C
Pot
enza
(kW
)
Potenzamedia (kW)
Potenzavendemmia(kW)
40%
70%
39%
L’analisi delle potenze
020406080
100120140160180
1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12
mesi
Po
ten
za m
ax k
W
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Risultati: I consumi elettrici
I valori medi risultati dall’analisi
Per la produzione di un litro di vino servono circa 0,72 kWh/L
Suggerimenti:-Uso di sistemi frigoriferi con componenti ad alta efficienza;-Uso di sistemi di regolazione per la gestione dell’impianto frigorifero (inverter);-Uso di sistemi di filtrazione a basso consumo energetico;-Reimpiego delle biomasse (introduzione dei sistemi ad assorbimento);
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Risultati: I consumi idrici
FASI DILAVAGGIO
VOLUME CICLI
(n)
QUANTITA’ STIMATA
(m3)
CONSUMO ANNO (m3)
%
Cassette - 1 800 800 22,7
Vasche 1200 (l/uso) 3 - 980 27,8
Barriques 225 (l/uso) 2 - 324 9,2
Vasche(pre-tiraggio)
1000 (l/uso) 3 - 360 10,2
Pompe e Tubi 12 1055,25 1055,25 30
TOTALE 3518,25 100
Le fasi di lavaggio
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Risultati: I consumi idrici
I consumi idrici delle realtà oggetto di studio sono conformi al valore riportato dalle BAT:servono circa 10 L (5÷15 L) di acqua per produrre un litro di vino in cantina (cantine piccole tendono a consumare meno acqua rispetto alle grandi)
Il 50 % dei consumi sono imputabili al lavaggio dei vasi vinari;Il 20 % è dovuto al lavaggio delle cassette;L’80% dei consumi idrici è previsto nel semestre marzo/ottobre.
Suggerimenti:-Uso di sistemi di sanificazione a basso consumo idrico;-Uso di sistemi di regolazione idrica (chiusura automatica getti, ecc.)-Aumento della consapevolezza del consumo idrico;-Migliore gestione dell’acqua di ricircolo.
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L’automazione…..
OrdineAttributo sostituito
Esempio
0 Nessuno Utensili manuali
1 Energia Utensili motorizzati a controllo manuale (trapano hobby)
2 Destrezza Automazioni a ciclo singolo (pressa)
3 Diligenza Automazione a ciclo ripetuto (macchine transfer)
4 Giudizio Controllo a ciclo chiuso (controllo livello)
5 Valutazione Capacità di ottimizzazione del ciclo (macchine con logiche adattive)
6 Apprendimento Limitate capacità di auto-programmazione7 Ragionamento Capacità di ragionamento induttivo8 Creatività Capacità di creare manufatti originali
9 Dominio (macchine-uomo!?!?)
Amber e Amber ne "Il progresso dell'automazione" (1 962), hanno definito l'automazione come la tecnologia necessaria per realizzare macchi ne in grado di sostituire uno o più attributi dell'uomo nell'effettuare un lavoro.A seconda dell'attributo sostituito, abbiamo così nove differenti livelli di automazione:
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Il controllo automatico dei consumi elettrici
Acquisto sistema: 7.000 €(16 punti controllati)Installazione 3.000 €
Riduzione picchi: 6.875 €(35 %)
Riduzione consumi: 800 €
Pay Back: 1,3 anni
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Il controllo della temperatura…
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La gestione automatica in pressatura
Da F. Pezzi
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La gestione delle basse pressioni per ottimizzare l’estrazione
Da F. Pezzi
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……ed estrarre sottovuoto
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
L’automazione ha permesso di inertizzare e raffreddare
direttamente in pressa
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
Il controllo automatico ha portato a svilupparepresse continue ed ad
azione “delicata”
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
L’ultima novità: Il vecchio torchio
si rinnova
Da F. Pezzi
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Tecnologie speciali per l’estrazioneProcesso di disgregazione cellulare
Trattamento del pigiatodiraspato con gas inerte(CO2 o N2) a 10-18 bar per15-25 s
Decompressione istantaneacon espansione del gasdisciolto che lacera lemembrane cellulari
Fuoriuscita della faseliquida della polpa senzalacerazione delle bucce
Da F. Pezzi
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Tecnologie speciali per l’estrazioneTrattamento con azoto liquidoTecnologie speciali per l’estrazioneTrattamento con azoto liquido
Da F. Pezzi
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Una nuova proposta di macerazione pneumocarbonica
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
La termovinificazione: un esempio di controllo avanza to
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
La termovinificazione: un esempio di controllo avanza to
Da F. Pezzi
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Area INGEGNERIA
Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione
Da F. Pezzi
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Il controllo permette di limitare i coadivanti della filtrazione anche tramite
sistemi basati sulla centrifuga
Da F. Pezzi
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Dealcolazione in colonna a coni rotativi
•Recupero degli aromi del vino
•Produzione di distillati di alta qualità
•Desolforazioni di mosti•Eliminazioni di odori sgradevoli (mercaptani, aldeidi, acetato d’etile, ac. volatili)
•Concentrazione del vino per eliminazione d’acqua
Prodotti sino al 45% di solidi sospesi
Da F. Pezzi
Indice• Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità
• L’impiego dell’energia solare –applicazioni
• La pompa di calore –applicazioni
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70 W/m2 assorbiti dall’atmosfera
80 W/m2 riflessi e assorbiti dalle nuvole
L’energia solare è importante?
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Area INGEGNERIA
0
50
100
150
200
250
Gen Feb Mar Apr Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic
irra
ggiament
o or
izzo
ntale (W
/m2)
Monte Rosa 175 W/m2
Lampedusa 210 W/m2
Bergamo 142 W/m2
142 W/m2 valore medio
Quanta energia disponibile?
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Area INGEGNERIA
Es: Bergamo = 142 W/m2 o (J/s)/m2
Energia annuale per m2 = 142 W x secondi/anno (60*60*24*365)
= 4,5 109 J/m2 (4,7 107 J/m2 = 1kg di petrolio)
= 107 kg petrolio/m2
Fabbisogno energetico in Italia(agricoltura, industria, trasporti, servizi, residenziale)
Energia pro capite = 3,15 tep /anno
3150 kg petrolio107 kg petrolio/m2
<30 m2 di superficie irraggiata
(Energia al secondo per m2)
Quanta energia disponibile ?
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L’intero fabbisogno energetico nazionale corrisponde all’energia solare incidente su un’area di
36 km x 36 km
Quanta energia disponibile ?
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in energia elettrica mediante pannelli fotovoltaici
La conversione dell’energia solare
in calore mediantepannelli collettori
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I pannelli fotovoltaici producono elettricità
• La tecnologia fotovoltaica consente di trasformare direttamente l'energia solare inenergia elettrica attraverso l’effetto fotovoltaico, ossia la proprietà di alcuni materialisemiconduttori di generare elettricità se colpiti da radiazione luminosa.
• Il silicio, elemento molto diffuso in natura, è il materiale base per la cella fotovoltaica.
• La cella fotovoltaica è il dispositivo elementare in grado di produrre circa 1,5 Watt incorrente continua, normalmente insufficiente per gli usi comuni. Più celle sono collegateelettricamente e incapsulate in una struttura a formare il modulo.
• Il modulo è la componente base commercialmente disponibile. Più moduli, collegati in serie e inparallelo, formano le sezioni di un impianto, la cui potenza può arrivare a migliaia di kW.
• A valle dei moduli fotovoltaici è posto l’inverter, che trasforma la corrente continua generatadalle celle in corrente alternata, direttamente utilizzabile sul posto o riversabile in rete.
Fonte; GSE
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Polo positivo
Lacune
Radiazione solare
Fotoni
Corrente di elettroni
n-Si
p-Si
Corrente di ritorno Polo negativo Elettroni liberati
Energia elettrica
I pannelli fotovoltaici producono elettricità
• due sottili strati di semiconduttore (es. silicio) opportunamentetrattati formano un polo positivo e negativo
• la radiazione solare incide sulla cella e libera gli elettroniall’interno
• gli elettroni attratti dalla faccia positiva scorrono nel circuitoesterno generando elettricità
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Area INGEGNERIA
Si-policristallinorendimento 12%
Si-monocristallino rendimento 18%
Si-amorfo rendimento 6 %
CIGS rendimento 10%
Rendimenti massimi ottenuti in prototipi di laboratorio
12% Si-amorfo
18% CIGS
20% Si-policristallino
25% Si-monocristallino
26% InGaAs
39% Multigiunzione
Diversi tipi di pannelli fotovoltaici
Sistemi commerciali
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Diversi tipi di pannelli fotovoltaici
Si-policristallinorendimento 12%
Si-monocristallino rendimento 18%
Si-amorfo rendimento 6 %
CIGS rendimento 10%
• investimento necessario: 4000-6000 €/kW ;
durata: 25 anni
• produzione di Energia Elettrica accumulabile
mediante batterie o riversabile in rete
• integrazione/sostituzione fornitura elettricità
• forme di incentivazione a supporto
dell’investimento (ITALIA: “conto energia”)
• tempi di ritorno dell’investimento: 10-12 anni
circa
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Applicazioni in agricoltura
Elettrificazione di unità isolate (es. alpeggi)
Aziende a emissioni zero
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Area INGEGNERIA
Vantaggi e possibilita’ di impiego
VANTAGGI1) assenza di parti meccaniche in movimento (ridotta manutenzione, vita utile prolungata)2) fonte energetica gratuita, inesauribile e disponibile quasi ovunque3) estrema semplicità costruttiva (facilità di installazione e di impiego)4) assenza di qualsiasi forma di inquinamento (chimico, termico, acustico, radioattivo) 5) bilancio energetico terrestre inalterato
Istituto di Ingegneria Agraria - Milano
MASSIMO IRRAGGIAMENTO SOLARE
IMPIANTO FOTOVOLTAICOORIENTATO VERSO SUD,
con INCLINAZIONE DI CIRCA 30°°°°SULL’ORIZZONTALE
ORIENTAMENTO VERSO EST O OVEST: -10%
INCLINAZIONE VERTICALE (facciate fotovoltaiche)
ORIENTAMENTO A SUD: –30%ORIENTAMENTO A EST O OVEST: -45%
CAMPO FV
TETTO FV
Sovraccarico: 15 kg/m2
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Area INGEGNERIA
Fv integrato negli edifici
POTENZIALITA’ TEORICA FV IN ITALIA
TETTI : 370.000.000 m2
(orientati verso Sud, Est o Ovest)
Sulla base di un consumo annuo di energia elettrica per famiglia di
3500-4000 kWh/anno
FABBISOGNI SODDISFATTI PER
30 milioni di famiglie!
Istituto di Ingegneria Agraria - Milano
FACCIATE : 200.000.000 m2
(orientati verso Sud, Est o Ovest)
TETTO FV
FACCIATA FV
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Area INGEGNERIA
Classe 1 (1-3 kW)
Classe 2 (3-20 kW)
Classe 3(>20 kW)
Totale
Incremento % del numero di impianti 2008-2010
+ 170% + 241% + 114% + 198%
Incremento % della potenza installata 2008-2010
+ 180% + 220% + 275% + 251%
Incremento % del n°di impianti e della potenza installata nel periodo 2008-2010 in ItaliaTipologie impianti in esercizio.
Numero di impianti
6%
33%
61%
Integrati
Parzialmente integrati
Non Integrati
Tipologie impianti in esercizio.Potenza installata (MW)
38%30%
32%
Integrati
Parzialmente integrati
Non Integrati
Tipologie di impianti FV in esercizio [Fonte: GSE, dati al 30.09.2010]
Il fotovoltaico in Italia ha raggiunto 2800 MW di potenza installata a fine 2010. Ma solo 6 mesi dopo
sono stati raggiunti i 7000 MW! (giugno 2011)
Un po’ di storia recente…la diffusione
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Diffusione impianti e potenza installata a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013)
Un po’ di storia recente…la diffusione
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Area INGEGNERIA
Fonte; GSE
Nel 2012 la produzione degli impianti fotovoltaici in Italiaha raggiunto 18.862 GWh con un incremento del 75%rispetto all’anno precedente.In soli sei anni, la produzione è aumentata di circa 485volte. Oggi, tra le fonti rinnovabili, la fonte solare èseconda solamente alla fonte idraulica.
Un po’ di storia recente…la diffusione
Riccagioia, 11 febbraio 2014Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali
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Distribuzione regionale degli impianti a fine 2012. (Fonte: GSE, maggio 2013)
Un po’ di storia recente…la diffusione
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Riduzione prevista degli incentivi nel periodo2013-2016
Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffaonnicomprensiva e una tariffa “premio” perl’autoconsumo dell’energia prodotta con FV
Tariffe 2012. Riduzione tariffe rispetto al 2011
Il IV Conto Energia(entrata in vigore 1 giugno 2011)
Un po’ di storia recente…gli incentivi
ma poi…
Il quarto conto energia approvatoaveva rivisto le tariffeincentivanti, abbassandole, mamantenendole elevate per i piccoliimpianti.Tariffa incentivante riconosciutaper 20 anni.
Riccagioia, 11 febbraio 2014Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali
Area INGEGNERIA
…“Il Quinto Conto Energia cessa diapplicarsi decorsi 30 giorni solari dalladata di raggiungimento di un costoindicativo cumulato degli incentivi di 6,7miliardi di euro l’anno”…Limite raggiunto il 6 giugno 2013.
Riduzione prevista degli incentivi nel periodo2013-2016
Tariffe 2013. E’ stata introdotta una tariffaonnicomprensiva e una tariffa “premio” perl’autoconsumo dell’energia prodotta con FV
Il V Conto Energia(entrato in vigore il 27 agosto 2012… ma
estinto il 6 luglio 2013)
Un po’ di storia recente…gli incentivi
Fine incentivi per il fotovoltaico!
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…e ora…
• Costo dell’impianto: il costo si è ridotto notevolmente(70% in meno negli ultimi due anni; oggi un impianto costa1/6 rispetto al 2005)
• Detrazioni fiscali: non ci sono più incentivi sull’energiaprodotta ma detrazione fiscale del 50% sui costid’acquisto e installazione.
• Efficienza: l’efficienza dei moduli è aumentata neglianni, oggi con mini-inverter a servizio di singole zonedell’impianto l’efficienza può aumentare ancora di più.
• L’industria del FV è ormai abbastanza robusta e maturada non aver più bisogno di fare affidamento su sussidigovernativi per sopravvivere
Conviene ancora?
…sì conviene!
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Risparmio energetico azienda vitivinicola
Risparmio economico
Riduzione inquinamento atmosferico
Valore aggiunto al prodotto
ANALISI ENERGETICA
Strumento che permette di individuare i punti critici
energetici lungo la filiera produttiva aziendale
Applicazione_ obiettivo
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UtenzaP.
(kW)Ku
n°motori
P.
assorbita
(kW)
Ore/
giorno
Giorni/
mese
kWh/
mese%
Impianto
frigorifero13 0,8 4 41,6 10 30 12480 65
Scambiatore
di calore26,9 0,8 1 21,5 4 24 2064 10,8
Pompa travasi 5 0,7 2 7 4 24 672 3,5
Pompa lavaggi 3 0,7 1 2,1 3 20 126 0,7
Pigiadiraspatrice 10,5 0,8 1 8,4 4 24 806,4 4,2
Presse 6 0,7 2 8,4 6 24 1209,6 6,4
Agitatore 1 1 1 1 2 24 48 0,2
Illuminazione
esterna5 0,15 3 30 67,5 0,4
Climatizzatore 1 1 8 8 7 30 1680 8,8
Consumo calcolato energia elettrica 19202 100
Consumi utenze elettriche – settembre 2008
Applicazione_ analisi aziendale
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Valore aziendale calcolato
Valore di riferimento
Consumo specifico(kWh/bottiglia)
0,57 0,39-0,67
Indice di emissione specifico (kg CO2/bottiglia)
0,23 0,18-0,32
VALORI DI CONSUMO ED EMISSIONI SPECIFICHE NELLA NORMA
Consumi annuali Emissioni Bottiglie prodotte/anno
Consumo specifico
Emissioni CO2 specifiche
183903kWh
74,11t CO2 annuali
320000 0,57 kWh/bottiglia
0,23 kg CO2/bottiglia
SCHEMA RIASSUNTIVO DATI AZIENDALI
Applicazione_ analisi documentale
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� Copertura totale fabbisogno energetico annuo aziendale� Abbattimento del 100% (74 t) delle emissioni di CO2 da
elettricità� Beneficio netto annuo (BNA) di quasi € 50000 � Pay back period (PBP) poco meno di 10 anni
Incentivi statali: remunerazione dell’energia prodotta e consumata in loco (Conto Energia)
Applicazione_ Installazione impianto fotovoltaico parzialmente integrato su tetto a falda
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Applicazione: Esempio di realizzazione in vigneto
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copertura trasparente
uscitafluido
telaio
circuito di riscaldamento
lastra assorbimento
isolante termico
ingressofluido
Solare termico: i collettori solari producono calore
•la radiazione solare riscalda una lastra metallica di assorbimento
•il calore viene asportato dal fluido che scorre nel circuito riscaldandosi
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I collettori ad acqua
• investimento: 800-1.000 €/m2 ; durata: 20 anni
• produzione di Energia Termica (acqua calda) accumulabile per alcuni
giorni
• integrazione con caldaie a combustione/boiler elettrici che
intervengono solo quando necessario
• tempi di ritorno dell’investimento: 3-4 anni circa
Accumulo
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Olio diatermico
Acqua refrigerata7 - 12 °C
280 °C
Max 240 °C
Campo solare~ 50 m^2 per HP
Accumulatore di calore
Eventuale integrazione Caldaia metano
Min 200 °C
Presente e futuro della tecnologia Robur
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Indice• Innovazione in cantina come strumento per la sostenibilità
• L’impiego dell’energia solare –applicazioni
• La pompa di calore –applicazioni
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Cos’e’ la pompa di calore?
La pompa di calore è una macchina in grado di trasferire calore da un fluido a temperatura piùbassa (SORGENTE FREDDA) a un altro a temperatura più alta (SORGENTE CALDA)
SORGENTEFREDDA
SORGENTECALDA
POMPA IDRAULICA
TRASFERIMENTO DI CALORE
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una valvola di espansione,
regolatrice o laminatrice
un compressore
due scambiatori di calore
Fluido refrigerante o frigorigeno
Fluidi puri:R170 etano
R290 propano R600 butano
R500 miscele azeotropicheR400 miscele zeotropiche
Altri:R744 anidride carbonica
R717 ammoniacaBanditi:
CFC, HCFC
Da cosa è composta la pompa di calore?
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CALORE SPECIFICO : è la quantità di energia richiesta per aumentare di 1°C un’ unità di massa.
CALORE SENSIBILE : calore necessario per passare da una temperatura a un’altra.Q = Cs⋅m⋅∆T
dove:Q = calore (kcal);m = peso della sostanza (kg);Cs = calore specifico (kcal/kg⋅°C);∆T = variazione di temperatura (°C).
CALORE LATENTE : calore necessario perché avvenga il passaggio di stato.Nei calcoli termodinamici per calcolare la quantità di calore da trasmettere, se presente anche ilcalore latente, è:
Q = Cs⋅ m⋅∆T + mrdove “r “ rappresenta il calore latente (kcal/kg)
ENTALPIA : è la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l'ambiente(kcal/kg).
∆H = Cs⋅ ∆T
Concetti base
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Cs ghiaccio = 0,5 kcal/kg ⋅°CCs acqua = 1 kcal/kg ⋅ °C Cs vapore = 0,48 kcal/kg ⋅°C
∆H = Cs ⋅ ∆T
0 10 90 190 730 739.6ENTALPIA (kcal/kg)
- 20
0 B C
D E
F
100
120
T (°C)
↔ ↔
0,48 ⋅ ∆T (20) = 9,60,5 ⋅ ∆T(20) = 10
↔
1 ⋅ ∆T(100) = 100
ESEMPIO: ACQUA
a pressione
atmosferica
Per capire la quantità di calore che viene trasferi ta…
r di fusione = 80 kcal/kgr di evaporazione = 540 kcal/kg
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T (°C)
P (atm)
acqua
vapore1
100
Andamento della temperatura dell’acqua al variare della
pressione
Modificando
la pressione dei fluidi frigorigeni
è possibile ottenere
i passaggi di stato
a temperature diverse
e diversi calori latenti
Parametri da valutare nella scelta di un fluido frigorigenoRefrigerante ACQUA
CLORURO
DI ETILEAMMONIACA
ANIDRIDE
CARBONICA
Temperatura di
congelamento
a 1 atm (°°°°C)
0 -138,4 -77,9 -56,6
Temperatura di
ebollizione
a 1 atm (°°°°C)
100 12,5 -33,3 -78,5
Volume specifico
a -10°°°°C (m3/kg)451,4 0,840 0,418 0,0142
Calore latente di
vaporizzazione
a 1 atm (kcal/kg)
540 93,60 326,6 136,5
Tossicità nulla debole grande debole
Infiammabilità nulla buona (**) nulla
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Un fluido frigorigeno, quando transita attraverso le diverse componenti di unimpianto di refrigerazione, modifica la propria pressione (P) ed entalpia (H)
Ciascun fluido è caratterizzato da un proprio diagramma pressione–entalpia che neillustra le proprietà termodinamiche
BC
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(k
Pa
)
TCTB
TA
DE
P1
P2
H1 H2 H3
A
Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno
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Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno_esempio
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Il trasferimento di calore avviene mediante i fluidi refrigeranti i quali, durante il processo di trasferimento di calore subiscono cambiamenti di stato, da liquido a vapore e viceversa.
Diagramma pressione-entalpia di un fluido frigorigeno
Miscela
liquido/vaporeCurva liquido
saturo
Curva vapore saturo
secco
BC
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(kP
a)
TCTB
TA
DE
P1
P2
H1 H2 H3
A
Punto critico
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B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(kP
a)
TCTB
TATD
DE
P1
P2
H1 H2 H3
A CONDENSAZIONE
EVAPORAZIONE
COMPRESSIONE
ESPANSIONE
Come funziona una pompa di calore?
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1. La compressione viene ritenuta adiabatica cioè senza scambio di calore con l’esterno (trasformazione isoentropica)
2. Il vapore inizialmente saturo secco, risulta alla fine surriscaldato3. L’aumento di entalpia subito dal frigorigeno passando dal punto C a D rappresenta il
lavoro di compressione ed è espresso da:L = (H3 – H2)
dove:H3 = entalpia del refrigerante alla fine della compressione (kcal/kg di refrigerante)H2 = entalpia del refrigerante prima della compressione (kcal/kg di refrigerante)L = lavoro di compressione nell’unità di tempo o POTENZA DEL COMPRESSORE (kcal/kg)
compressoreD
H3
B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(k
Pa)
TCTB
TA
E
P1
P2
H1 H2
ATD
Il compressore
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condensatore
D
H3
B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(k
Pa)
TCTB
TA
E
P1
P2
H1 H2
ATD
1. Il condensatore permette uno scambio di calore tra il fluido refrigerante e il “fluido raffreddante” (o da riscaldare; la cui temperatura T deve essere inferiore a TD )
2. Il vapore proveniente dal compressore viene dapprima desurriscaldato al punto E3. Viene rimosso il calore latente di condensazione da E ad A a T e pressione (P)
costanti4. Il calore che viene scambiato è dato da:
Qcond = (H3 – H1)dove:H3 = entalpia del refrigerante alla fine della compressione (kcal/kg di refrigerante)H1 = entalpia del refrigerante all’uscita della condensazione (kcal/kg di refrigerante) Qcond = calore assorbito dal refrigerante sia durante la compressione che durante la
condensazione (kcal/kg)
Il condensatore
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valvola di espansione
1. La valvola permette di ridurre la P del refrigerante (simile ad un’evaporazione flash) e di ridurne T ad una inferiore a quella del “fluido riscaldante” (o da raffreddare; la cui temperatura T deve essere superiore a TB )
2. Il fluido perde calore sensibile (abbassamento della T) in seguito alla sottrazione di calore latente utilizzato da una parte del refrigerante liquido per evaporare; infatti al punto B si ha una miscela liquido/vapore
3. Il passaggio dalla TA alla TB avviene a entalpia costante in quanto il calore perduto come calore sensibile si trova sotto forma di calore latente nel vapore sviluppato
D
H3
B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(kP
a)
TCTB
TA
E
P1
P2
H1 H2
ATD
La valvola di espansione
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1. L’evaporatore permette uno scambio di calore tra il fluido refrigerante e il “fluido riscaldante” (o da raffreddare; la cui temperatura T deve essere superiore a TB )
2. Il fluido frigorigeno a bassa P e T passa da una condizione di liquido con una piccola parte di vapore (punto B) ad uno stato dove è completamente vapore (vapore secco) assorbendo calore dal fluido riscaldante
3. La quantità di calore assorbita dal refrigerante durante il passaggio nell’evaporatore è:
Qev = (H2 – H1)dove:H2 = entalpia del refrigerante all’uscita dell’evaporazione (kcal/kg di refrigerante)H1 = entalpia del refrigerante all’entrata dell’evaporatore (kcal/kg di refrigerante) Qev = calore assorbito dal refrigerante durante l’evaporazione (kcal/kg)
D
H3
B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(k
Pa)
TCTB
TA
E
P1
P2
H1 H2
ATD evaporatore
L’evaporatore
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Impianto frigorifero
Effetto utile o coefficiente di effetto frigorifero o efficienza frigorifera :
ε = Qev/L >1Dove:Qev = calore sottratto dall’impianto frigoriferoL = lavoro compiuto dall’impianto frigorifero per sottrarre calore al corpo, fluido o ambiente destinato a essere raffreddato
Lo scopo del cicloè la sottrazione di calore
dal corpo, dal fluido o dall’ambiente da raffreddare.
L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qev
Pompa di calore
Lo scopo del cicloè il trasferimento di calore
dal corpo, dal fluido o dall’ambienteda riscaldare.
L’effetto desiderato quindi è produrre maggior Qcond
Coefficiente di prestazione della pompa di calore:
COP = Qcond/L = ε + 1Dove:Qcond = calore fornito dalla pompa di calore L = lavoro compiuto dalla pompa di calore per produrre il calore destinato a riscaldare
Differenza tra impianto frigorifero e pompa di calore
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Il COP della pompa di caloreε 1+
B C
ENTALPIA (kcal/kg)
PR
ES
SIO
NE
(kP
a)
TCTB
TATD
DE
P1
P2
H1 H2 H3
A CONDENSAZIONE
EVAPORAZIONECOMPRESSIONE
ESPANSIONE
ε
COP = Qc /L = (L + Qev)L = L/L + Q ev/L = 1 + ε
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LO SCOPO E’ IL RAFFREDDAMENTOLa differenza tra l’entalpia del refrigeranteall’entrata e all’uscita dell’evaporatore è il valoredeterminante dell’efficienza frigorifera (H2 - H1).Maggiore è il ∆H, maggiore è ε, miglioreefficienza avrà l’impianto frigorifero.
Prodotti/ambiente da raffreddare
CONDENSAZIONE
EVAPORAZIONE
ES
PAN
SIO
NE
Qcond
L
Qev
Pompa di calore per la sottrazione di calore_esempio
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Pompa di calore_applicazioniSETTORE RESIDENZIALERiscaldamento acqua sanitariaRiscaldamento ambienti
SETTORE INDUSTRIALERiscaldamento acqua sanitariaRiscaldamento ambienti (capannoni, officine, uffici)Produzione acua calda per usi di processoEssiccazioneRiscaldamento contenitoriALIMENTARELavaggio e pulituraPastorizzazioneCotturaSterilizzazione
SETTORE AGRICOLORiscaldamento acqua sanitaria (anche per irrigazione, per scaldare il terreno)Riscaldamento ambienti (sale incubazione e schiusa uova)Conservazione e trasformazione dei prodotti agricoliRecupero di calore nella refrigerazione del latte (raffreddamento del latte munto da 37°C a 4°Cnel lato dell’evaporatore e riscalda acqua di accumulo dal lato del condensatore)Essiccazione cereali e foraggiRiscaldamento serre
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ESSICCAZIONE
riduzione della concentrazione di acqua nella matrice vegetale
annullamento delle attività microbiologiche ed
enzimatiche
stabilità del prodotto nel
tempo
Il trasferimento di calore induce la perdita di acqua
Il trasferimento di calore_erogazione di calore
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Pompa di calore per la erogazione di calore_esempio
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Area INGEGNERIA
Come si può riscaldare un ambiente?Bruciando combustibile (metano, GPL…) trattasi di un processo di sottrazione di energia
Con resistenza elettrica consumando energia dalla rete
Con pompa di calore prelevando calore a bassa temperatura da unambiente esterno (aria, acqua, terreno) a quello da riscaldaree riqualificandolo, a spese di un lavoro meccanico
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Vantaggi� Bruciando combustibile (metano, GPL…)
Attingendo cioè calore dall’energia termica liberata per combustione di unasostanza che ha richiesto anni per essere formata. Infatti il calore deriva daun processo di sottrazione di energia in seguito alla rottura dei legami delcombustibile.
� Con resistenza elettricaIl calore è prodotto dal riscaldamento di una resistenza alimentata dalla reteelettrica.Il suo funzionamento implicherà un consumo di corrente elettricaproporzionale alla potenza assorbita dalla resistenza stessa.
� Con pompa di calorePrelevando calore a bassa temperatura da un ambiente esterno (es: aria,acqua) a quello da riscaldare e riqualificandolo, a spese di un lavoromeccanico (che per poter essere erogato necessita di corrente elettrica).La pompa di calore operando a più alto rendimento energetico eriqualificando calore di valore praticamente nullo garant isce risparmioenergetico .
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Riassumendo…La pompa di calore:1.Consuma energia elettrica nel compressore;2.Assorbe calore per mezzo dell’evaporatore;3.Cede calore al mezzo da riscaldare in
corrispondenza del condensatore.
La pompa di calore:• Fornisce più energia (calore) di quella elettrica
impegnata per il suo funzionamento(compressore) in quanto estrae caloredall’ambiente esterno;
• Avrà un COP maggiore quanto più bassa è latemperatura a cui il calore viene ceduto (nelcondensatore) e quanto più alta quella dellasorgente da cui viene assorbito(nell’evaporatore);
• La potenza termica resa dipende dallatemperatura alla quale la pompa assorbecalore;
• Esistono diverse tipologie di pompe in funzionedel tipo di sorgente fredda e di pozzo caldo cheutilizzano.
Aria sempre disponibile, ma la sua temperaturavaria, potenza pompa diminuisce con la T dellasorgente
Acqua non risente dellecondizioni climatiche, ma costiaggiuntivi per sistema diadduzione dell’acqua
Terreno ha minori sbalzi ditemperatura, ma applicazionitubature a 1/1,5 m di profondità
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L’impianto geotermico
Sfruttamento dell’energia termica del sottosuolo
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Area INGEGNERIA
Sistemi “open loop ”
Sonde
geotermiche
orizzontali
Sistemi “closed loop”
Sonde
geotermiche
verticali
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CONDENSAZIONEEVAPORAZIONE
ESPANSIONE
L
Applicazioni
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LE ESIGENZE
CONTROLLO TERMOIGROMETRICO DELLA BARRICCAIA
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LE ESIGENZE
IMPIANTO DI REFRIGERAZIONE E RISCALDAMENTO DEI TINI
E CLIMATIZZAZIONE DELLA TINAIA
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Temperature di riferimento per la fermentazione alcolica
t fin = t ini + 1000 x Espe/cp x ρ dove:tfin : temperatura di fine fermentazione in °C;tini : temperatura mosto ad inizio fermentazione in °C;Espe : energia sviluppata 135, kJ/l (32,5 kcal/l);Cp : calore specifico mosto pari a 3,6 kJ/kg °C, (0,885 kcal/kg °C);ρ : massa volumica (densità) mosto pari a 1050 kg/m3.
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Flusso termico vasche
P = A * U * (tint – text)
Con:
P flusso termico (potenza) scambiato in Watt (Kcal/h);
A superficie dell’involucro disperdente in mq;
U trasmittanza totale dell’involucro disperdente
W/mq°C, (Kcal/h/mq °C);
tint temperatura interna del mosto in °C;
text temepratura esterna alla vasca in °C.
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Dimensionamento sonda geotermica
Sottosuolo:
• Gradiente termico;• Conduttività termica: (misura dell'attitudine di un
materiale/sostanza a trasmettere il calore: maggiore è il valore della conduttività termica, meno isolante è il materiale);
• Capacità termica (il rapporto fra il calore scambiato tra il corpo e l’ambiente e la variazione di temperatura che ne consegue);
• Eventuale presenza di falde;• Tipologia di materiale di cementazione del perforo;
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Dimensionamento sonda geotermica
Impianto:
• Temperature di lavoro dell’evaporatore/condensatore della pompa di calore;
• Fabbisogno termico dell’edificio;• Potenze di picco in condizioni di progetto;• Curve di carico termico e frigorifero;• Ore di funzionamento degli impianti.
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Definizione profondità della sonda
Equazione di Ingersoll:
q = L (tg - tw) / R
q = flusso termico richiesto (W)L = lunghezza di scambiatore (m)tg = temperatura del terreno (°C) tw = temperatura media del fluido termovettore nei tubi (°C)R = resistenza termica del terreno (m°C/W).
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Esempio dimensionamento cantina Alto Adige
Lagrein Pinot Nero
T arrivo uve: 22°CSuperficie: 3 haResa: 75 q/haQuantità: 225 qT max di ferm. : 26°CResa in vino: 150 hl
T arrivo uve: 15°CSuperficie: 4 haResa: 50q/haQuantità: 200 qT max di ferm. :28°CResa in vino: 130 hl
Superficie vitata totale: 7 ettari.
Cantina situata a Salorno (BZ).
Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali Area INGEGNERIA
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Area INGEGNERIA
Consumi in fermentazione alcolica
Lagrein
18000 WPinot Nero
14153 W
32153 W
Consumi in malolattica
Lagrein
1197 W
Pinot Nero
1026 W
2223 W
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Dimensionamento sonda geotermica
q = L (tg - tw) / R
460 metri di profondità
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Vantaggi
• Una sola macchina per riscaldare e
raffreddare;
• Sicurezza (no combustibili);
• Assenza assoluta di emissioni CO2;
• Nessuna manutenzione;
• Durata degli impianti;
• Incentivi statali;
• Diminuzione dei consumi.
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• Costo iniziale;
• Possibilità di errato
dimensionamento;
• Scarso numero di progettisti e
difficoltà a reperirli.
Svantaggi
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impianto
Ambiente freddo
Sottrazione di calore
Ambiente caldo
Erogazione di calore
compressore
Fluido frigorigeno
Riccagioia, 11 febbraio 2014Dipartimento di Scienze Agrarie e Ambientali
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impiantoGENERATOREIn seguito alla somministrazione calore (qg) dalla fonte di calore, la soluzione (acqua + ammoniaca)si concentra perché la parte più volatile (ammoniaca)vaporizza e va al condensatore dove viene raffreddata ed eroga calore all’esterno. Il solvente (acqua) ritorna all’assorbitore.
Sottrazione di calore
Erogazione di calore
ASSORBITOREIngresso dell’ammoniaca vaporizzata che cede calore all’assorbitore (acqua) che cambia di stato,passando da vapore a liquido diluendosi (acqua + ammoniaca) e quindi la soluzione potrà esserepompata al generatore dove si riscalda grazie al calore derivante da fonte esterna.
Fluido frigorigeno (acqua + ammoniaca)
BILANCIOENERGETICO:qg + qo = qa + qc
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’impiantoL’alimentazione del generatore (qg) può avvenire mediante diverse fonti:· gas naturale ( o altri combustibili liquidi )· vapore· acqua calda· acqua surriscaldata· fumi· combustione biomasse (vinacce, residui di potatura, lolla di riso, sanse)
Fluido refrigerante è una miscela binaria di fluidi (2 tipologie):1) acqua (sostanza volatile) e bromuro di litio (H2O-BrLi): adatte al condizionamento ovvero per temperature (°C) > 0°2) ammoniaca (sostanza volatile) ed acqua (NH3- H2O): adatte alla refrigerazione (T° fino a -30°C/-40°C)
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_il COPAnche per la macchina ad assorbimento si definisce un coefficiente di prestazione (COP) quale rapporto fra la potenza termica resa e quella assorbita:
COP = Qo / Qg
Qo = Calore sottratto all’utenza (freddo)
Qg = Calore fornito (energia termica)
COP singolo effetto: 0.6÷0.75 COP doppio effetto: 1÷1.3
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_l’applicazioneGENERATORERecupero da vinacce (q g)
FLUIDO REFRIGERANTEAcqua e Bromuro di Litio
AMBIENTE REFRIGERATOCondizionamento dei tini a 15°°°°C
CALORE EROGATO NELL’AMBIENTEper riscaldamento acqua sanitaria (in caso di trigenerazione )
Ambiente freddo, sottrazione di
calore
Ambiente caldo, erogazione di
calore
Fluido frigorigeno
TRIGENERAZIONEScambiatore
utilizzato per il recuperodi calore derivante dal ciclo frigorifero
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Ciclo frigorifero ad assorbimento_svantaggi e vantag gi
Vantaggi:
•Ridotti consumi di energia elettrica (il compressore di un ciclo frigorifero a compressioneconsuma di più rispetto alla pompa usata nel ciclo frigorifero ad assorbimento);
•Silenziosità ed elevata affidabilità dei gruppi ad assorbimento e ridotta manutenzionegrazie all’assenza di vibrazioni provocate dal compressore del ciclo tradizionale;
•Impiego di sottoprodotti/residui del processo produttivo come fonte di calore qg per ilgeneratore:
1.Impiego di cascame termico dal processo di lavorazione che altrimenti dovrebbe esseresmaltito;
2.Impiego di scarti organici di processo annullandone così, i costi di smaltimento;
•Possibile recupero di calore di scarto dal processo del ciclo frigorifero (trigenerazione).
Svantaggi:
•Alti costi d’impianto;
•Ridotta scelta di taglie;
•Presenza di una torre di raffreddamento per raffreddare la parte di soluzione assorbenteche vaporizza (consumi idrici).
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Olio diatermico
Acqua refrigerata7 - 12 °C
280 °C
Max 240 °C
Accumulatore di calore
Ev. integrazione Caldaia metano
Min 200 °C
Caldaia a biomasse
Gruppo frigorifero ad assorbimento
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Pianta Superficie coltivata (ha)
Residuo (t/ha)
Biomassa totale ottenibile (Mt)
Vite 871.597 2,9 2,53
Olivo 1.170.362 1,7 2,00
Melo 64.447 2,4 0,15
Pero 45.826 2,0 0,09
Pesco 67.458 2,9 0,20
Agrumi 179.470 1,8 0,32
Mandorlo 86.406 1,7 0,15
Nocciolo 69.561 2,8 0,19
Totale 2.555.127 - 5,63
Onde evitare ingenti importazioni dall’estero, è necessario sfruttare
anche le biomasse di tipo residuale che non impegnano terreni agricoli
Disponibilità di biomasse residuali legnose in Italia equivalgono prudenzialmente a
500.000 ha coltivazioni energetiche
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Potature di vite: produttività e caratteristiche
VitignoProduttività
(t/ha anno sul tal quale)
Umidità(%)*
PCI(kJ/kg s.s.)*
GRECHETTO 6 40 17.400
TREBBIANO 3,6 40 17.600
MERLOT 2,4 44 17.100
CABERNET 5,4 35 17.300
SANGIOVESE R23 3,3 34 17.000
SANGIOVESE BRUNELLO
4,8 40 17.480
* Dati Laboratorio Centro Ricerca Biomasse
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VALORIZZAZIONE DEI RESIDUI DI POTATURA PER LA RIDUZIONE DEI CONSUMI ENERGETICI IN CANTINA
J. Bacenetti, V. Giovenzana, R. Beghi, R. Guidetti, M. Fiala
Convegno di Medio Termine dell’Associazione Italianadi Ingegneria Agraria
Belgirate, 22-24 settembre 2011
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Consumi energetici in cantina
Processo di vinificazione � elevato consumo dienergia elettrica (EE) per la refrigerazione (EF)(90% circa dei consumi elettrici in cantina):• Fermentazione• Maturazione
REFRIGERAZIONE (EF)
CALDO (ET)
• Riscaldamento locali• Eventuali processi di sterilizzazione
ENERGIA
VINO
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RefrigerazioneGruppo frigorifero tradizionale (GFT)
Gruppo frigorifero ad assorbimento (GFA)
1. Efficace e affidabile2. Consumo di energia elettrica3. Impiego di gas refrigeranti di sintesi4. IEF = 2,5 – 4
1. Efficace e affidabile2. Consumo di energia termica (ET)3. Potenziale valorizzazione di fonti rinnovabili e mancato utilizzo di
refrigerante di sintesi, impiego di miscele NH3-H2O o H2O-BrLi4. IEF = 0,6 - 1
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Compressore
Gruppo frigorifero tradizionale
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Gruppo frigorifero ad assorbimento
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Gestione dei residui di potatura
Sarmenti
Recupero
SmaltimentoTrinciatura = 50 €/ha
Valorizzazione Vendita
Basso valore commercialeScarsa qualità
Combustione
ET
2-3 ttq/ha·anno
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Scopo del lavoro
Analisi preliminare della filiera per la valorizzazione dei residui dipotatura della vite per la riduzione dei consumi energetici in cantina
Valutazione:a) Costo di produzione economico e ambientale (emissioni di GHG) del
biocombustibile (cippato da sarmenti)b)Costo economico e ambientale per la refrigerazione e il fabbisogno di
caldoc) Sostenibilità delle filiera “rinnovabile” rispetto a quella tradizionale
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CANTINAFabbisogni
RESIDUI DI POTATURA
CIPPATO
ET
CALDAIA A CIPPATO
Gruppo Frigoriferoad Assorbimento
Raccolta
Stoccaggio e essiccazione
Cippatura
Caldo (ET)
Refrigerazione (EF)
Gruppo Frigorifero
Tradizionale
EECALDAIA A METANO
ET
Schematizzazione
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Cantina
CARATTERISTICHE TECNICHE Simbolo Unità GFT GFA
Potenza elettrica PEE kWe 50 -
Potenza termica PET kWt - 187
Indice Efficienza Frigorifera IEF - 3 0,8
Potenza frigorifera PFRIG kWf 150
Tempo di funzionamento HA h/anno 1100
6050 €
3380 €
9430 €
60 ha vitati
Recupero sarmenti completamente meccanizzabile
Fabbisogno termico 56400 kWht (Fonti fossili)Caldaia Metano� Caldaia a biomassa
Refrigerazione = 165000 kWhf
GF Tradizionale � GF Assorbimento
Spesa annua per la filiera Tradizionale
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Caldaia a cippato
HA = 1100 + 300 hηET = 85%
REFRIGERAZIONEPFRIG= 150 kWf
FBFRED=165000 kWhf
Gruppo Frigorifero tradizionale (GFT)PEE = 50 kWe
HA = 1100 hEECONS= 55000 kWhe
IEF = 3
INPCALD
[242000 + 66000 kWh]
6050 €/anno = SPEE
[55000 kWhe]
ET
CALDOFBCALDO=
56400kWht EF
EFET
PET= 187 kWt
PCALD = 220 kWt
Gruppo Frigorifero ad Assorbimento (GFA)
IEF = 0,8HA = 1100 h
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Costo Biocombustibile
Imballatura Trasporto Stoccaggio Cippatura
35 kW0,85 ha/h16000 €500 kg
20 kW0,35 ha/h
5000 €600 kg
50 kW3,85 ha/h16500 €900 kg
U %45% � 25%
Costo Unità Imballatura Trasporto Cippatura Totale
Economico €/ttq 19,0 44,5 25,8 89,3
€/ha 47,5 111,2 64,6 223,3
Ambientale kg CO2eq/ttq 12,1 9,8 10,8 32,7
kg CO2eq/ha 30,1 24,6 26,9 81,6
PotenzaCapacità operativaCosto d’acquisto
Massa
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Risultati
6,8 MWh/ha
INPCALD
[242000 + 66000 kWh]
EF36,0 ha
ET9,8 ha
COSTO ECONOMICO(223 - 50 €/ha) · 45,8 ha � 7940 €
COSTO AMBIENTALE (81,6 – 18,8 kg CO2eq/ha) · 45,8 ha � 2,9 t CO2eq
MANCATE SPESE (EE+ET)9430 €
RISPARMIO1490 €
EMISSIONI EVITATE0,713 kgCO2eq/kWhe · 55000 kWhe �39,2 t CO2eq0,313 kgCO2eq/kWht · 56400 kWhe �17,7 t CO2eq
EMISSIONI RISPARMIATE54,0 t CO2eq
SISTEMA DI RIFERIMENTO (Direttiva RED, GL1003 CTI) 0,198 kgCO2eq/MJe per EE; 0,87 kgCO2eq/MJt per ET
2,6 t/ha (U=45%) � 1,9 t/ha (U=25%)PCN = 3,58 MWh/t)
Energia prodotta dal cippato
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Conclusioni
Sostituzione GFT con GFA accoppiato a caldaia a biomassa:
Modesto risparmio economico soprattutto considerando che gliinvestimenti necessari per la messa in funzionamento delsistema innovativo sono maggiori.
Tecnicamente fattibile, GFA affidabili e disponibilicommercialmente con diverse taglie
Presenti margini per l’ottimizzazione del cantiere di recuperodella biomassa e quindi per un conseguente abbattimento deicosti.
Considerevole riduzione delle emissioni di GHG associate allavinificazione e al soddisfacimento del fabbisogno termico
Attività di marketing (green label, impronta di carbonio, ecc.),
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…grazie per l’attenzione