17-18 maggio 2014 Hotel Splendid – Baveno, via Sempione 12 ... · a seguire si effettuano le 4 variazioni dello scenario 1 su ogni tecnologia 2 ... trigenerazione + fv + pompe di

Energia del futuro: l’efficienza nei sistemi energetici del territorio

17-18 maggio 2014Hotel Splendid – Baveno, via Sempione 12

“Procedure di base finalizzate all’efficienza energetica”

prof. Marco Carlo Masoero

Direttore Dipartimento Energia del Politecnico di Torino

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Esempi di interventi di efficienza energetica:

• settore industriale

• settore terziario (ospedaliero)

• settore residenziale

Procedure di base finalizzate all’efficienza energetica

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Settore industriale


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previsione

Usi elettrici finali (Provincia Torino ‐ Industria)

-

500

1.000

1.500

2.000

2.500

3.000

3.50019

9019

9119

9219

9319

9419

95

1996

1997

1998

1999

2000

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

[GW

h]

-

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

totale (asse )totale (asse )

mezzi di trasportoe settori collegatimezzi di trasportoe settori collegati

meccanicameccanica

chimica, cartaria, materiali costruzionechimica, cartaria, materiali costruzione

beni e servizi persona/casabeni e servizi persona/casa

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previsione-

1.000

2.000

3.000

4.000

5.000

6.000

7.000

8.000

9.000

10.00020

00

2001

2002

2003

2004

2005

2006

2007

2008

2009

2010

2011

2012

2013

2014

2015

2016

2017

2018

2019

2020

energia termicaenergia termica

energia elettricaenergia elettrica

Consumi totali industriaConsumi totali industria

-

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

- 200 400 600 800 1.000 1.200energia elettrica [GWh]

ener

gia

term

ica

[GW

h]

chimica, cartaria,materiali costruzione

chimica, cartaria,materiali costruzione

totaletotaleConsumi termici ed elettrici

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Consumi totali per settore industriale

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Consumi per fonte e per settore industriale

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Ripartizione dei consumi di calore (settore industriale)

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Fabbisogni di calore per livelli di temperatura e settore

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• Riscaldamento ambientale; carico termico dovuto a:• Dispersioni termiche involucro edilizio (isolamento)• Ventilazione (recupero)

• Calore di processo sotto forma di:• Vapore / olio diatermico• Acqua calda / surriscaldata• Aria / fumi caldi

• Produzione del freddo per:• Climatizzazione estiva• Esigenze di processo

Usi finali dell’energia termica nell’industria

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• Notevole quantità di energia termica di scarto da:

Recupero termico nell’industria: sorgenti

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• Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo

• Riutilizzo dei cascami temici per:• Produzione elettrica (impianto ORC)• Produzione del freddo (macchina ad assorbimento)• Produzione di calore tramite pompa di calore (calore

di recupero = sorgente termica a bassa temperatura)

• Recupero rigenerativo da aria espulsa o cappe aspiranti per preriscaldamento dell’aria di ventilazione

Recupero termico nell’industria: scopo e vincoli

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• Numerosi processi industriali presentano domanda contemporanea di calore e freddo.

• Esiste possibilità di scambio termico tra fluidi che devono essere raffreddati e fluidi che devono essere riscaldati.

• Si trae vantaggio da risorse che derivano dai processi produttivi riducendo la quantità di risorse esterne.

• Occorre prevedere un impianto di recupero termico costituito da un numero elevato di scambiatori di calore (rete di scambiatori)

• La verifica della fattibilità tecnica del recupero termico e il tracciamento della rete di scambiatori di calore possono essere ottenuti con la pinch analysis.

Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo

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Possibilità di ridurre di oltre il 50% il fabbisogno di calore e circa 30% il fabbisogno di freddo.

126,887 kW/K230°C

5 19,89 kW/K

10 0,701 kW/kI

9 0,69 kW/KH3

8 0,522 kW/KH2

7 0,613 kW/KH1

6 0,657 kW/KII

T di Pinch

220°C

220°C

220°C

220°C

220°C

151,739 kW/K

25°C

18°C

18°C

18°C

18°C

18°C

150°C 19,1°C

141,838 kW/K130°C 19,1°C

136,312 kW/K200°C

160,845 kW/K600°C 19,1°C

450°C

450°C

450°C

450°C

450°C

50°C

III

III

152,9°C

132,7 kW

IV

IV

123,8 kW

V

V

105,4 kW

VI

VI

139,4 kW

VII

VII

141,6 kW

C5

VIII

497,3 kW

VIII

C7

C8

19,1°CC1

19,1°CC2

19,1°CC3

19,1°CC4

158,1°C

168,8°C

149°C

19,1°CC6

121,2°C

228 kW

204 kW

644,6 kW

36,6kW

951,3kW

141 kW

120,1kW

158,7 kW

I

II230°C

161,2 kW

151,3 kW

62,4°C0,409 kW/K

0,436 kW/K

Applicazione della pinch analysis a un processo metallurgico

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Possibilità di ridurre significativamente il fabbisogno di energia primaria (21%), anche attraverso l’integrazione di pompe di calore nel processo industriale.

Applicazione della pinch analysis a pulp and paper industry

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Gli impianti ORC sono adatti a produzione elettrica da fonti di calore:

• a temperatura medio-bassa per le quali non sarebbe conveniente impiegare i cicli a vapore d’acqua tradizionali

• di limitata entità

• fortemente variabili

Tali impianti possono quindi essere alimentati sia da calore di recupero da processi industriali, sia da calore prodotto da fonti rinnvabili (ad es. Biomasse, geotermia a bassa entalpia, ecc.)

Impianti Ciclo Rankine a Fluido Organico (ORC)

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• Pre-riscaldo fluido di lavoro (7-3)• Evaporazione sfruttando calore di recupero (3-4)• Espansione in turbina (4-5)• Passaggio a stato liquido in condensatore aria / acqua (5-8)• Eventuale rigenerazione (5-8, 2-7)

Ciclo Termodinamico

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• Recupero da gas caldi tramite fluido intermedio (olio diatermico, acqua pressurizzata o vapore)

• Recupero da effluenti liquidi: scambio diretto fra sorgente di calore primaria e fluido di lavoro ORC

• Inserimento del recuperatore in by-pass

• Fluidi di lavoro:

• Polisilossani per T > 250°C

• Fluidi refrigeranti per T < 250°C

15 / IL RECUPERO DE CALORE NEL PROCESSO INDUSTRIALE / MASOERO

Applicazioni ORC a recupero termico

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Sorgenti termiche disponibili:

• Gas di combustione del forno (a valle del preriscaldo delle materie prime) con temperature di 250-400°C

• Aria di raffreddamento del clinker a temperature più basse (< 300°C)

ORC: Applicazione a un cementificio

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ORC: applicazione a un forno ad arco elettrico

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Cemento Siderurgia Vetro

Produzione (Mt/yr)

47 69 5

Energia termica(kWht/t)

50-100 165-275 165-250

Rendimento 0,18 0,18 0,18

Penetrazione tecnologia 30% 30% 30%

Producibilità elettrica (GWhe/yr)

125-250 600-1000 45-65

Stima della produzione elettrica potenziale Togliamo??

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utente

Rettangolo


Freddo prodotto con macchina ad assorbimento H2O ‐ LiBr

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Produzione di freddo (evaporatore)

Calore disperso (condensatore)

Calore recuperato (desurriscaldatore)

Recupero parziale del calore di condensazione da macchinafrigorifera

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Recuperatore aria-aria

Recuperatore rotativo

Recupero di calore sensibile:• aria-aria• a fluido intermedio

Recuperatore sensibile + latente• rotativo

Unità di trattamento aria con recuperatore di calore

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Una soluzione più evoluta è il recuperatore “attivo”, basato sulla pompa di calore aria-aria, in cui l’aria espulsa rappresenta la sorgente termica a bassa

temperatura nel regime di riscaldamento e il pozzo termico ad alta temperatura nel regime di raffreddamento

Recupero attivo con pompa di calore (per ventilazione)

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Settore ospedaliero


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Consumi Energetici dei Presidi Ospedalieri Piemontesi

• Consumi energetici elevati ( consumi elettrici rilevanti )• Complessità nell’identificare un comportamento energetico comune • L’ospedale è un PROCESSO INDUSTRIALE

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L’ospedale San Giovanni Bosco – Asl To2

CARATTERISTICHE EDILIZIE OSPEDALE SAN GIOVANNI BOSCO ASLTO2

VL ‐ tot Volume lordo totale (mc) 145000VL ‐ ft Volume lordo globale piani fuori terra (mc) 121000VL ‐ int Volume lordo globale piani interrati (mc) 24000SL ‐ tot Superficie lorda totale (mq) 59000SD Superficie d'involucro disperdente (mq) 33000SV Superficie vetrata (mq) 4500

SL ‐ ris. Superficie lorda riscaldata (mq) 40000SL ‐cond. Superficie lorda condizionata (mq) 21000Npl Numero posti letto 323

E’ in atto un processo di ristrutturazione

• Riqualificazione centrale termica• Ampliamento dell’ingresso enuovi locali (spostamento di alcunireparti)• Realizzazione ascensori esterni.

Fig. 1 Vista frontale San Giovanni Bosco TOFig. 2 Vista dall’alto San Giovanni Bosco TO

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Consumi Energetici Annuali Ospedale S. Giovanni Bosco

0

500

1000

1500

2000

2500

3000

3500

0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

14.000

16.000

18.000

2004 2005 2006 2007 2008 2009 2010 2011 2012 2013

[G.G]

[MWh]

FABBISOGNO ENERGETICO ANNUALE MISURATO

Energia elettrica Contenuto termico gasolio Gradi giorno riscaldamento effettivi Gradi giorno riscaldamento UNI

• FABBISOGNO TERMICO (Bollette di consegna del GASOLIO – CONTENUTO TERMICO)

• FABBISOGNO ELETTRICO ( Dati di misura AEMD)

• DATI CLIMATICI (A.r.p.a – stazione di misura CASELLE – TO)

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Fabbisogno Termico MensileCONSUMI TERMICI (contenuto termico)A CONFRONTO TRIENNIO 2010 – 2012

CRITICITA’ RISCONTRATE

• Difficoltà nell’identificare un profilomedio di consumo dovuto alla gestionevariabile degli stoccaggi del combustibile.• Errore rilevante commesso nei mesiestivi (Capacità di stoccaggio coincidentecon il quantitativo consegnato).

PROFILI TERMICI DI ALTRI PRESIDI

Sulla base dei profili termici mensiliricavati da altri presidi analoghi siricostruisce il profilo tipo del San GiovanniBosco.

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Fabbisogno Termico Mensile

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Fabbisogno Elettrico Mensile

CONSUMI ELETTRICI MENSILI TRIENNIO 2010 – 2012

Dati misurati (A.E.M.D)

Consumi elettrici rilevanti nei mesi

estivi (condizionamento per mezzo di

Unità Trattamento Aria)

CONSUMO ELETTRICO MENSILE TIPO DEL PRESIDIO

Il fabbisogno elettrico mensile viene determinato sulla base dei dati misurati nel triennio di riferimento.

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Efficienza Energetica – Casi di Studio

SCENARIO DI RIFERIMENTO • Fabbisogno Termico Annuo (riconversione

metano) 12.500 MWh

• Fabbisogno Termico Frigorifero Annuo 3.100MWh

• Fabbisogno Elettrico Annuo 7.700 MWh

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Efficienza Energetica – Casi di Studio

SCENARI PROPOSTI

1. COGENERAZIONE (CHP 637 kW – CHP 835 kW) VARIAZIONE DEL NUMERO DI ORE DI FUNZIONAMENTO (5000h / 6000h) per ciascuno.

A SEGUIRE SI EFFETTUANO LE 4 VARIAZIONI DELLO SCENARIO 1 SU OGNI TECNOLOGIA

2. TRIGENERAZIONE (Assorbitore 350 kWf COP 0.76)3. TRIGENERAZIONE + FOTOVOLTAICO (100 kW)4. TRIGENERAZIONE + FV + POMPE DI CALORE AD ACQUA DI FALDA (2 x 600 kWf )

EER = 6.4 (Energy Efficiency Ratio)5. TRIGENERAZIONE + FOTOVOLTAICO + PARZIALE SOSTITUZIONE A LED DEI CORPI

ILLUMINANTIPer un totale di 20 scenari studiati

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Energia elettrica fornita al carico14,7%

Energia elettrica ceduta alla rete0,5%

Integrazioneelettricanecessaria19,7%

Calore recuperato

15,8%

Integrazionetermica

necessaria37,1%

Utenza frigorifera chiller elettrico

12,4%

CHP 835 kW @ 6000 ore FABBISOGNODI RIFERIMENTO

TEP /anno: 2.592

MWh /anno: 21.000

TCO2 /anno: 6.019

SCENARIO PROPOSTO

TEP evitate/anno: 243 (9%)

MWh evitati/anno: 2.820

TCO2 evitate/anno: 647 (11%)

PES: 26,0%

MWh totali del grafico: 24.400

Scenario 1: CHP 835 kW @6000h

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Integrazioneelettricanecessaria

9,3%

Calore recuperato

22,2%

Integrazionetermica

necessaria36,3%

Utenza frigorifera assorbitore

7,3%


5,1%

CHP 835 kW @ 6000 ore + ASSORBITORE 350 kWf FABBISOGNO DI RIFERIMENTO

TEP /anno: 2.592

MWh /anno: 21.000

TCO2 /anno: 6.019

SCENARIO PROPOSTO




PES: 26,0%


Scenario 2: CHP 835 kW @6000h + Assorbitore 350 kWf

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9,1%

Calore recuperato

22,1%

Integrazionetermica

necessaria36,2%


7,3%


5,1%

Integrazione elettrica Fotovoltaico

0,4%

CHP 835 kW @ 6000 ore + ASSORBITORE 350 kWf + FV 100 kW

FABBISOGNO DI RIFERIMENTO

TEP /anno: 2.592

MWh /anno: 21.000

TCO2 /anno: 6.019

SCENARIO PROPOSTO




PES: 26,0%


Scenario 4: CHP 835 kW @6000h + Assorbitore 350 kWf+ FV 100 kW

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8,4%Calore recuperato

22,3%

Integrazionetermica

necessaria36,5%


7,3%

POMPA DI CALORE

5,1%


0,4%

CHP 835 kW @ 6000 ore + ASSORBITORE 350kWf + FV 100 kW + POMPE DI CALORE (TOT 1200 kWf)


TEP /anno: 2.592

MWh /anno: 21.000

TCO2 /anno: 6.019

SCENARIO PROPOSTO




PES: 26,0%


Scenario 4: CHP 835 kW @6000h + Assorbitore 350 kWf+ FV 100 kW + PdC 1200 kWf

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8,4%

Calore recuperato

22,3%

Integrazionetermica

necessaria36,5%


7,3%


5,1%


0,4%

CHP 835 kW @ 6000 ore + ASSORBITORE 350 kWf + FV 100 kW + LED


TEP /anno: 2.592

MWh /anno: 21.000

TCO2 /anno: 21.000

SCENARIO PROPOSTO



TCO2 evitate/anno: 1.019 (17%)

PES: 26,6%


Scenario 5: CHP 835 kW @6000h + Assorbitore 350 kWf+ FV 100 kW + LED

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Beneficio Ambientale Ottenuto

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Settore residenziale


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In Italia si contano circa 13 milioni di edifici, di cui l’85% sono adestinazione residenziale, in buona parte piccoli edifici mono- e bi-familiari(circa 9 milioni).Il tasso annuo di incremento del patrimonio costruito è dell’ordine dell’1%

In termini di energia primaria, il consumo energetico degli edifici esistenti,è pari a circa 84 Mtep (45% del fabbisogno nazionale)Degli 84 Mtep poco meno di 14 Mtep sono attribuibili al processo dicostruzione e poco più di 70 Mtep all’esercizio del costruito

In termini di usi finali, gli edifici per il terziario incidono sui consumi per il38% (16 Mtep), quelli residenziali per il 62% (26 Mtep)

Nel settore terziario il 45% degli usi finali sono sotto forma di energiaelettrica; nel settore residenziale l’energia elettrica incide per il 22%

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Le unità abitative sono circa 28 milioni e il consumo energetico medioannuo di una unità abitativa è stimato intorno a

- 7.800 kWh di energia termica, prodotta utilizzando combustibilifossili e utilizzata per climatizzazione invernale e produzione diacqua calda sanitaria

- 2.150 kWh di energia elettrica, utilizzata per climatizzazioneestiva, illuminazione, produzione di acqua calda sanitaria edelettrodomestici

Per il patrimonio edilizio costruito prima della recente normativa sulcontenimento dei consumi energetici per climatizzazione invernale, sistima che in 50 anni la bolletta energetica di una abitazione assomma acirca la metà del costo di costruzione

Nel terziario i costi di costruzione sono più elevati, ma anche la bollettaenergetica è più elevata per la maggiore incidenza del consumo dienergia elettrica


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Potenziale di intervento sul settore residenziale

Politecnico di Torino – DENERGSistemi per l’Energia e l’Ambiente

http://sea.polito.it

INTERVENTI

Caso base(sulla base dei elaborazione database ISTAT di dettaglio)

Isolamento della copertura(edifici ante 1961)

Isolamento delle superfici verticali opache(edifici costruiti tra il 1961 e il 1981)

Sostituzione degli infissi(edifici ante 1981)

Applicazione di tutti gli interventi all’intero parco edilizio

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0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

Base Coperture Coperture e muri Coperture, muri, infissi

GWh

Fabbisogno energia netta Provincia di Torino

Limite ‐61%

‐6%‐19%

‐34%

Potenziale di intervento sul settore residenzialeProvincia di Torino

Politecnico di Torino – DENERGSistemi per l’Energia e l’Ambientehttp://sea.polito.it

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0

2.000

4.000

6.000

8.000

10.000

12.000

Base Coperture Coperture e muri Coperture, muri, infissi

GWh

Fabbisogno energia netta Provincia di Cuneo

Limite ‐58%

‐7% ‐19% ‐29%

Potenziale di intervento sul settore residenzialeProvincia di Cuneo

Politecnico di Torino – DENERGSistemi per l’Energia e l’Ambientehttp://sea.polito.it

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Grazie per l’[email protected]

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