INCREMENTO DI EFFICIENZA ENERGETICA ATTRAVERSO TECNOLOGIE PER IL RECUPERO DEL

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1 INCREMENTO DI EFFICIENZA ENERGETICA ATTRAVERSO TECNOLOGIE PER IL RECUPERO DEL CALORE A BASSA TEMPERATURA Dario Narducci Università di Milano Bicocca dario.narducci@unimib.it

2 DI COSA DISCUTIAMO Tre tipologie di calore disperso: 1. calore che può non essere disperso 2. calore disponibile che potrebbe essere usato 3. calore che deve essere (parzialmente) disperso 2

3 CALORE CHE PUÒ NON ESSERE DISPERSO Calore derivante da processi industriali Calore generato o utilizzato in ambito civile 3

4 IL CALORE CHE DEVE ESSERE (PARZIALMENTE) DISPERSO Processi di conversione di calore in energia meccanica Parte del calore non può essere convertita in lavoro utile 4

5 CALORE DISPONIBILE CHE POTREBBE ESSERE USATO Disponibile da fonti naturali Cogenerazione 5

6 STRATEGIE Occorrono tre strategie differenti per tre problemi anche concettualmente differenti e che presentano diversi livelli (e tipologie diverse) di criticità 6

7 CALORE CHE PUÒ NON ESSERE DISPERSO È di fatto l unica forma di calore a bassa temperatura su cui si agisce a livello tecnico-normativo (TEE, DD.MM. 20 luglio 2004) Incentivazione a coibentazione degli edifici incremento di efficienza termica degli impianti industriali (riutilizzo del calore) 7

8 COIBENTAZIONE Materiali porosi Materiali nanoporosi Aerogel 8

9 SCAMBIATORI TERMICI Alta efficienza di riutilizzo (> 80 %) Impongono un reimpiego locale del calore 9

10 SCAMBIATORI TERMICI Recuperatori: impiego di calore residuo per il preriscaldamento di fluidi di processo Economizzatori: recuperatori impiegati nel pre-riscaldamento del vapore nei generatori termomeccanici Rigeneratori: scambio di calore a mezzo di una unità di accumulo termico intermedio Scambiatori termici rotatori: rigeneratori ad accumulatore rotante Condotti termici: scambiatori di calore per mezzo dell'evaporazione e condensazione di un fluido refrigerante Pompe di calore: scambiatori di calore che impiegano fluidi organici basso-bollenti Scambiatori a spirale (run run-around coils): scambiatori di calore per gas impieganti liquidi di scambio 10

11 CALORE DISPONIBILE CHE POTREBBE ESSERE USATO Non soggetto a vincoli di termostatazione Disponibile sia da fonti naturali (geotermica, marina, solare) sia da impianti (inceneritori) Tipicamente la componente entalpica è ridotta 11

12 IL CALORE CHE DEVE ESSERE (PARZIALMENTE) DISPERSO Vincoli rendimento massimo: η riscala con 1 T C /T H. Tutti i processi di conversione di calore in lavoro che decorrono a <500 C comportano una dispersione di calore > 50 % Motore Efficienza C.i. (benzina) % C.i. (diesel) 40 % C.i. a turbina 60 % C.e. a pistoni (Rankine) 35 % C.e. a vapore % Esistono margini di reimpiego (parziale) del calore disperso (o di una sua riduzione). 12

13 IL CALORE CHE DEVE ESSERE (PARZIALMENTE) DISPERSO Vincoli termostatazione: sotto condizioni di potenza termica generata costante occorre garantire una dispersione sufficiente ad impedire un innalzamento di T H. I dispositivi di recupero non possono opporre una resistenza termica arbitrariamente elevata. 13

14 CALORE DISPERSO NELLA CONVERSIONE TERMOMECCANICA 14

15 CALORE DISPERSO NELLA CONVERSIONE TERMOMECCANICA Temp. vapore * Temp. raccolta Temp. condensa Efficienza reale Centrale convenzionale 540 C 200 C 35 C % 62 % Centrale super-critica 580 C 220 C 35 C 42 % 64 % Centrale ultra-critica 750 C 250 C 35 C 48 % 70 % Efficienza di Carnot * massima temperatura del vapore 15

16 I NUMERI DEI CASCAMI TERMICI 16 1 quad = BTU = EJ = 293 TWh

17 I NUMERI DEI CASCAMI TERMICI 17

18 I NUMERI DEI CASCAMI TERMICI 18

19 I NUMERI DEI CASCAMI TERMICI 55.4 % 40,0 35, % 30,0 21,5970 Energia (PWh) 25,0 20,0 15, % 11, , ,0 17,3573 5,0 9, ,2679, Anno 19

20 I NUMERI DEI CASCAMI TERMICI Autotrazione Incentivazione alla riduzione della dispersione termica nell autotrazione (pro riduzioni delle emissioni di CO 2 ) 20

21 CALORE E ENTALPIA 21

22 DISTRIBUZIONE IN TEMPERATURA DEL CALORE DISPONIBILE T C = 25 C % calore convertito % calore disperso % calore disponibile T H ( C) 0 22

23 STRUMENTI PER LA CONVERSIONE DEL CALORE A BASSA ENTALPIA Conversione termo-meccanico-elettrica (calore in energia meccanica e quindi in energia elettrica) Conversione termovoltaica (calore in energia elettrica) 23

24 CICLI COMBINATI Utilizzano il vapore in uscita su motori Stirling o Rankine organici La temperatura del gas in uscita dal ciclo principale è tenuta intenzionalmente elevata Il rendimento dei cicli combinati eccede quello del singolo ciclo Rankine dato che il calore disperso è ridotto 24

25 MOTORI ORC E STIRLING Tipicamente i rendimenti sono dell ordine del 100 C 25

26 CONVERSIONE TERMOVOLTAICA Conversione diretta del calore in energia elettrica Nessuna parte in movimento (utilizzabile nell autotrazione) Miniaturizzabile 26

27 CONVERSIONE TERMOVOLTAICA 27

28 VANTAGGI E SVANTAGGI DI UN PROSPETTICO RECUPERO DEI CASCAMI Pro: riduzione dell impatto ambientale: odel calore disperso (fluidi di raffreddamento) ogas serra recupero di energia Contro: costi di investimento: oimpianti o materie prime impatto sui cicli industriali «bassi» rendimenti microgenerazione 28

29 ESEMPI ENEA: progetto SOLTERM Termovalorizzazione Dati: ISPRA 29

30 SOMMARIO E CONCLUSIONI Esistono opzioni per il recupero del calore a bassa entalpia Impatto economico e ambientale Tecnologie (parzialmente) trasversali nell impiego dei cascami termici e delle fonti termiche naturali Insufficiente incentivazione sia alla ricerca sia allo sviluppo di applicazioni reali Potenzialità significative sulla filiera manifattura-produzione energetica-distribuzione 30