Energia elettrica o metano? Confronto economico tra due diverse fonti energetiche

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1 Articolo pubblicato da Michele Vio su da, marzo 2002 E più conveniente utilizzare il metano o l energia elettrica per la climatizzazione dell aria? E una domanda di difficile risposta, perché le variabili sono molte: il tipo di impianto, il costo dell energia elettrica e del metano, i costi iniziali di investimento, il tempo massimo di rientro dell investimento desiderato. Tuttavia è quantomeno possibile capire in modo rapido se sia più economico l uso del metano o quello dell energia elettrica per al climatizzazione sia estiva che invernale, una volta note le tariffe elettriche e del metano. L articolo presenta un metodo semplice e immediato, valido per diverse tipologie d impianto, effettuando un confronto tra: - riscaldamento invernale: caldaie a metano contro pompe di calore elettriche - condizionamento estivo: gruppi frigoriferi ad assorbimento a metano contro refrigeratori elettrici - climatizzazione annuale: pompe di calore a motore endotermico a gas contro pompe di calore elettriche onfronto tra i costi d installazione La differenza di costo d installazione K tra una macchina alimentata a metano ed una macchina elettrica è: (1) K = M M + A A + I I + E E T dove: M G M E A G A E I G I E G E G E costo della macchina a gas costo della macchina elettrica costo per l allacciamento del metano maggior costo per l allacciamento elettrico rispetto a quanto richiesto dall edificio (55 /kw installato) costo dell impianto collegato alla macchina a metano costo dell impianto collegato alla macchina elettrica E G costo per le opere edili connesse all installazione della macchina a metano (ad esempio la centrale termica) E E costo per le opere edili connesse all installazione della macchina elettrica T costo (o maggior costo se già richiesta dai carichi elettrici di edificio) dell eventuale cabina di trasformazione per l installazione della macchina elettrica (solo negli impianti in media tensione) Se K è positivo di è necessario avere un risparmio dei costi annui di esercizio del sistema alimentato a metano, per renderlo quantomeno competitivo. Viceversa, se K è negativo è G E G E necessario che il sistema elettrico debba risultare più conveniente nei costi di esercizio. onfronto tra i costi energetici è un criterio semplice, valido per qualunque valuta, per verificare la convenienza nell uso tra energia elettrica è metano. Si calcola il costo unitario del kwh termico prodotto con una macchina a metano e con una macchina elettrica. Nel caso della macchina a metano il costo unitario è pari a: (2) g U GAS = U p con: g costo del metano in /m 3 U coefficiente di utilizzo del combustibile espresso come rapporto tra la potenza resa e la potenza bruciata. Nel caso di caldaia questo corrisponde al rendimento; nel caso di assorbitori o di gruppi frigoriferi a motore endotermico, corrisponde al OP espresso sul gas p potere calorifico inferiore del combustibile per unità di volume alle condizioni standard Il costo unitario dell energia termica prodotta con l energia elettrica attraverso un gruppo frigorifero è pari a: (3) U EE = e OP con: e costo unitario dell energia elettrica in /kwh OP efficienza (estiva o invernale) del gruppo frigorifero Eguagliando i due costi unitari si ottiene la curva d indifferenza economica tra i due sistemi di figura 1, valida per qualunque valuta, purché nella formula si introducano i costi del metano per m 3 ed il costo dell energia elettrica per kwh: (4) g = e U p OP La curva d indifferenza economica separa due aree distinte, quella rossa all interno della quale è vantaggioso l uso della macchina a metano e quella azzurra all interno della quale è vantaggioso l uso della macchina elettrica. Le curve all interno di queste aree rappresentano i punti di uguale risparmio energetico di una soluzione rispetto l altra. Dato il U della macchina a metano, per ogni valore del rapporto g/e si può calcolare il valore del OP della macchina elettrica per ottenere il pareggio economico, risolvendo la (4) secondo la: R GROUP 1/8

2 g/e (5) U p OP PAR = g e Figura 1: curva d indifferenza di separazione delle aree di convenienza economica tra la produzione termica con metano e con energia elettrica, in funzione del rapporto di costo g/e e del rapporto tra OP della macchina elettrica e U della macchina a gas Dai valori del OP di pareggio si può ricavare anche il risparmio percentuale della macchina elettrica rispetto ad una a metano, utilizzando la relazione: dove: Risp OP PAR OP eff onvenienza gas PAR (6) Risp c OP/U OP OP = eff onvenienza energia elettrica Risparmio gas 20% Risparmio EE 20% Risparmio gas 40% Risparmio EE 40% Risparmio gas 60% Risparmio EE 60% Risparmio gas 80% Risparmio EE 80% g/e pareggio è il valore del risparmio in percentuale è il valore del OP di pareggio calcolato secondo la (4) è il valore del OP effettivo di lavoro della macchina elettrica Valori negativi di risparmio testimoniano un vantaggio nell utilizzo della macchina a metano. Il diagramma è di utilizzo immediato, una volta che si abbiano a disposizione i costi g del metano, in /m3, e i costi dell energia e elettrica in /kwh. ome si vede, gli euro si elidono, per cui il diagramma va bene per qualsiasi valuta ed ha pertanto un valore assoluto. osti del metano e dell energia elettrica Il problema è quali costi mettere nella formula. In Italia, il costo del metano è diverso da città a città ed inoltre è parzialmente defiscalizzato nel caso di industria, alberghi, ospizi e ristoranti. Il costo, al netto di Iva, varia tra 0,5 e 0,65 /m 3, per le utenze non defiscalizzabili, valori comprensivi delle tasse sia erariali che regionali. Il costo per l industria e gli alberghi scende parecchio ed in modo differenziato, giacché la tassa erariale varia tra Nord e Sud e la tassa regionale cambia da regione a regione, con esenzione totale per le regioni a statuto speciale. Per queste utenze il costo varia tra 0,23 e 0,41 /m 3. Il costo dell energia elettrica è uguale su tutto il territorio nazionale, ma ha valori differenti in funzione: - tensione di alimentazione (Bassa Tensione o Media Tensione) - tipo di tariffa prescelta - quantità totale di energia elettrica consumata La tabella 1 riporta, per le 7 tariffe attualmente in vigore, 4 per alimentazione in bassa tensione e 3 per alimentazione in alta tensione: a) la denominazione della tariffa e le eventuali differenziazioni in funzione della stagione o dell ora b) le fasce di potenza di applicazione della tariffa c) il costo medio T in /kwh, comprensivo di tasse, al netto dell IVA, al netto del costo fisso per l impegno di potenza. d) il costo medio Pm in /kwh sempre comprensivo di tasse e al netto d IVA, ma comprensivo questa volta della quota fissa per l impegno di potenza (da notare come, con le nuove tariffe, il costo fisso per l impegno di potenza influisca in modo molto minore che in precedenza) e) per le varie tipologie di macchine sulle quale si vuole effettuare il confronto (assorbitori a metano, pompe di calore elettriche e pompe di calore a motore endotermico) quale tra i due costi T e Pm si deve adottare ai fini del calcolo. on le nuove tariffe, inoltre, è abbastanza indifferente il passaggio da fornitura in bassa tensione a quella in media tensione. Per questi motivi, è possibile effettuare un confronto solamente sul costo degli impianti di climatizzazione, perché l uso o meno dell energia elettrica cambia di poco il costo dell energia elettrica utilizzata dall edificio. on le vecchie tariffe, invece, vi erano delle differenze sensibili \1\. Per maggiori informazioni sulle tariffe, si rimanda al lavoro citato in bibliografia \2\. R GROUP 2/8

3 TABELLA 1 Fascia di potenza Valore da considerare nel calcolo T Pm Assorb. aldaie Pd a motore 1 2 Bassa tensione BT - B1 BT - B2 3 BT - SB1 inverno estate 4 BT - SB2 ore piene inverno ore piene estate ore vuote < 16,5 kw > 16,5 kw < 30 kw > 30 kw /kwh /kwh 0,10 0,13 Pm T Pm 0,11 0,12 Pm T Pm 0,12 0,13 Pm Pm Pm 0,09 0,10 Pm Pm 0,15 0,16 Pm Pm Pm 0,12 0,13 Pm Pm 0,09 0,09 Pm T Pm 5 Media Tensione MT - B1 6 MT - speciale inverno estate 7 MT - B2 fascia F1 fascia F2 fascia F3 fascia F4 > 100 kw < 500 kw 0,10 0,11 Pm T Pm < 100 kw > 500 kw 0,12 0,14 Pm Pm Pm 0,09 0,11 Pm Pm 0,18 0,22 Pm Pm Pm 0,12 0,13 Pm T Pm 0,09 0,10 Pm Pm 0,07 0,08 Pm T Pm onfronto tra aldaie a metano e Pompe di calore elettriche Nel calcolo della differenza di costo tra impianto con caldaia a metano e pompa di calore elettrica si deve considerare quanto segue: 1) Se la temperatura nella località d installazione ha un minimo inferiore a 5, è buona norma installare sempre una o più caldaie per una potenza pari alla massima. Pertanto, nella formula (1), differenza di costo d insallazione tra i due sistemi, K GAS e le altre voci relative alla macchina a metano della non vanno considerate, perché presenti in entrambe le soluzioni. Se invece si vuole installare una caldaia di integrazione, di potenza inferiore alla massima, va considerato solo la differenza di costo K GAS. 2) ome costo M E della pompa di calore nella formula (1) non va utilizzato l intero valore, ma la sola differenza rispetto ad un refrigeratore di liquido, comunque necessario per la climatizzazione estiva 3) Sempre nella formula (1) si deve considerare il costo T per la realizzazione della cabina di trasformazione (o il suo incremento rispetto a quanto richiesto dall edificio) solamente se la pompa di calore fa aumentare la potenza elettrica installata rispetto ad un refrigeratore di liquido, comunque necessario. Generalmente, a meno di rare eccezioni in località dove è possibile rinunciare completamente alla caldaia, con tutti i suoi costi annessi, la differenza di costo K è negativa, quindi l installazione della pompa di calore porta ad un aumento dell investimento iniziale che deve essere ammortizzato da un risparmio economico nella gestione. Per quanto riguarda il costo unitario dell energia elettrica da utilizzare per il calcolo di convenienza economica, qualora l utilizzo della pompa di calore in inverno non aumenti l impegno di potenza elettrica rispetto all estate, si deve usare il valore T, altrimenti si deve usare il valore Pm, così come indicato in tabella 1., per ogni tariffa. R GROUP 3/8

4 Un analisi economica è mostrata in figura 2 che riporta i valori del costo di pareggio e in /kwh in funzione del OP della pompa di calore e del prezzo del metano (variabile da città a città: ciò spiega le barre di oscillazione rossa, per le utenze defiscalizzate, e blu, per le altre utenze). Il costo di pareggio indica il prezzo unitario che dovrebbe avere l energia elettrica perché vi fosse indifferenza economica (pareggio) rispetto all uso della caldaia a metano. Le righe orizzontali mostrano i prezzi dell energia elettrica per le varie tariffe. Quando le curve del costo del metano si trovano al di sopra della linea tariffaria, significa che la pompa di calore elettrica è più conveniente della caldaia. giorni festivi. iò accade qualunque siano il OP della pompa di calore elettrica ed il costo del metano. b) La pompa di calore permette sempre dei risparmi economici nei casi in cui il metano non sia defiscalizzato, qualunque sia il valore del OP e qualunque sia l a tariffa elettrica applicata. Fa eccezione solamente la fascia F1 della tariffa multioraria MT B2 (ore dalle 9,30 alle 11,30 e dalle 16,30 alle 18,30 dei gironi feriali, da lunedì a venerdì dei mesi da ottobre a marzo), nella quale la pompa di calore elettrica diventa vantaggiosa solamente a partire da OP variabili da 2,7 a 3,6, a seconda del prezzo del metano Figura 2: costi unitari di pareggio dell energia elettrica in funzione del OP della pompa di calore elettrica e del costo del metano. Valori superiori alle rette delle tariffe elettriche indicano un vantaggio per la pompa di calore L osservazione di figura 2 permette, a colpo d occhio, una serie di valutazioni molto interessanti: a) La pompa di calore elettrica è sempre più economica nelle ore di fascia F4 per la tariffa multioraria sopra i 500 kw (tariffa MT B2), ovverosia le ore notturne dei giorni feriali dalle 21 alle 6, e tutte le ore di sabato, domenica e c) Nel caso di metano defiscalizzato, la convenienza o meno della pompa di calore dipende molto dal costo del gas, meno dalla tariffa elettrica di riferimento. A parte la fascia F1 della tariffa multioraria MT B2, per la quale si ottiene un vantaggio solamente a partire da OP maggiore di 4,5 con contemporaneo costo R GROUP 4/8

5 del metano elevato, per tutte le altre tariffe è estremamente ampio il campo di OP, superati i quali si ottiene un vantaggio economico dall uso della pompa di calore. Vale la pena di ricordare come i OP medi di funzionamento ottenibili in Italia sono quasi sempre prossimi o superiori a 3 in tutte le stagioni \1\. Pertanto si può concludere che: 1) Quando non è possibile ottenere la defiscalizzazione del metano è sempre conveniente pensare a impianti a pompa di calore, in qualunque località italiana, con qualunque tariffa elettrica 2) Nel caso di utenze con metano defiscalizzato (Industria, alberghi, ospizi, ristoranti), l utilizzo di pompe di calore elettriche deve essere visto di volta in volta, in funzione del costo del metano. Sicuramente sono sempre consigliate di notte nel caso di tariffa multioraria MT B2. onfronto tra gruppi ad assorbimento a gas metano e gruppi frigoriferi elettrici I gruppi frigoriferi ad assorbimento a fuoco diretto possono funzionare anche come generatori di calore in inverno, sostituendo la caldaia. Essi possono anche essere installati all aperto e, pertanto non richiedono di costi edilizi per la costruzione della centrale termica. Nella formula (1) del costo d installazione si devono considerare questi vantaggi: nel calcolo del K alle voci corrispondenti la macchina elettrica va anche considerato il costo della caldaia e della centrale termica, a meno che non si installi solamente una pompa di calore. omunque sia, generalmente il costo globale d installazione della soluzione a metano è superiore a quello con macchine elettriche. Quindi è necessario che il costo di funzionamento con gli assorbitori porti a dei notevoli risparmi economici. Figura 3: risparmio economico ottenibile con i chiller elettrici rispetto ad un assorbitore a singolo effetto (U = 0,7) in funzione del OP e del prezzo del metano. osto unitario di riferimento per l energia elettrica 0,13 /kwh R GROUP 5/8

6 Esistono due tipi di assorbitori a fuoco diretto: a singolo o doppio effetto. Nel funzionamento estivo, i primi hanno un U pari a circa 0,7, mentre i secondi hanno un U pari a 1,1. In inverno hanno entrambi prestazioni energetiche simili alle caldaie Le figure 3 e 4 mostrano il risparmio percentuale ottenibile con le macchine elettriche in funzione del loro OP e del prezzo del metano, nel caso di tariffa elettrica pari a 13 /kwh. Questa tariffa, è la più alta tra quelle praticate in estate (cfr. tabella 1). Le figure si commentano da sole. on gli assorbitori a singolo effetto, le macchine elettriche sono sempre convenienti, anche con metano defiscalizzato a basso costo. Infatti, il OP medio stagionale di una macchina elettrica è sempre superiore a 3, come mostra chiaramente il testo citato in bibliografia \3\, e può tranquillamente arrivare a sfiorare il valore di 5, per le macchine di grande potenza molto frazionate. on gli assorbitori a doppio effetto si può avere una buona convenienza economica, a patto che il metano sia defiscalizzato ed a basso costo. on metano a tassazione intera, non vi è alcuna possibilità di risparmio. Per poterli utilizzare, bisognerebbe che il costo iniziale di installazione fosse inferiore a quello per la soluzione elettrica. Questa conclusione così categorica spiace molto a chi scrive, che ha sempre creduto nella potenzialità di queste macchine, ma le tariffe attuali non lasciano margine operativo. O le società distributrici del metano cambiano politica, oppure, ai costi attuali, non v è alcuna speranza per lo sviluppo degli assorbitori a fuoco diretto in Italia. Figura 4: risparmio economico ottenibile con i chiller elettrici rispetto ad un assorbitore a doppio effetto (U = 1,1) in funzione del OP e del prezzo del metano. osto unitario di riferimento per l energia elettrica 0,13 /kwh R GROUP 6/8

7 onfronto tra pompa di calore a motore endotermico e pompa di calore elettrica Le pompe di calore a motore endotermico sono del tutto simili a quelle elettriche, con la sola differenza del motore che muove il compressore. Per cui, da un lato hanno gli stessi limiti di funzionamento e dall altro il loro U è strettamente legato al OP del circuito frigorifero, secondo le: (7) icloestivo U = OPη M icloinvernale U = OPη + η dove: η M η M è il rendimento meccanico del motore (generalmente per queste macchine si attesta attorno al 28% \4\) è il rendimento del recupero termico dal motore del motore (generalmente per queste macchine si attesta attorno al 50% \4\) In ciclo estivo il U varia tra 0,84, quando il OP è 3, e 1,4, quando il OP è 5. In ciclo invernale il U varia tra 1,06, quando il OP è 2 e 1,9, quando il OP è 5. Quindi il rapporto tra OP e U rimane fisso nel regime estivo e varia nel regime invernale. La figura 5 mostra i costi unitari di pareggio dell energia elettrica in funzione del OP della pompa di calore e del prezzo del metano. Nel ciclo estivo la figura mostra solo la variazione in funzione del prezzo del metano, in quanto il rapporto tra OP e U è costante. Le conclusioni sono immediate: 1) In ciclo invernale la pompa di calore a motore endotermico è sempre favorita nel caso di metano defiscalizzato, qualunque sia il OP e qualunque sia la tariffa elettrica adottata. L unica eccezione riguarda le ore in fascia F4 della tariffa multioraria MT B2. 2) In ciclo invernale, le pompe di calore con motore endotermico non sono mai favorite, con nessun OP e nessuna tariffa elettrica, nel caso il metano non sia defiscalizzato 3) In ciclo estivo le pompe di calore a motore portano ad un vantaggio economico solamente con metano defiscalizzato a basso costo (inferiore a 0,26 /m 3 ). In tutti gli altri casi non sono vantaggiose Ai costi energetici unitari, per le pompe di calore a motore si devono aggiungere i costi di manutenzione, più gravosi di quelle delle pompe di calore elettriche. M RT Per queste macchina vale quanto detto per gli assorbitori. Nessuno discute sulla loro bontà energetica, in assoluto la migliore in ciclo invernale. Le attuali tariffe del metano le rendono, però, poco appetibili. onclusioni E innegabile che l energia elettrica abbia attualmente costi nettamente più competitivi del metano in quasi tutte le applicazioni. Sicuramente su quest ultimo pesa un eccessivo carico fiscale, molto superiore a quello gravante sulla bolletta elettrica. Tuttavia, anche nel caso di defiscalizzazione, le tariffe in vigore non favoriscono l utilizzo di macchine a gas, se non in casi molto rari. iò senza dubbio dispiace, perché le tecnologie dell assorbimento e delle pompe di calore a motore endotermico meriterebbero ben altra collocazione nel mercato italiano del condizionamento. La speranza è che la prossima liberalizzazione del mercato cambi qualcosa ed il costo del metano sia reso più competitivo dalla maggior concorrenza. Bibliografia \1\ M. Vio: La riscoperta delle pompe di calore: moda effimera o giustificata scelta tecnica?, parte prima, da, n.2/1999, febbraio 1999 \2\ M. Vio: Luci e ombre delle nuove tariffe elettriche per i clienti vincolati da n 11/2001, novembre 2001 \3\ E. Bacigalupo,. Vecchio, M. Vio, M. Vizzotto L efficienza media ponderata dei gruppi frigoriferi a compressione: la proposta AIARR per un metodo di calcolo, atti del convegno AIARR ondizionamento, ventilazione e contaminazione ambientale, riscaldamento, refrigerazione: innovazioni e tendenze, sezione Refrigerazione, Milano 22 e 23 marzo 2000, nonché da, n8/200, agosto 2000 \4\ M. Vio: Sistemi Total Energy per la climatizzazione, Atti del convegno AiARR ondizionamento, riscaldamento, Refrigerazione: innovazioni e tendenze, Milano marzo 1998 R GROUP 7/8

8 Figura 5: costi unitari di pareggio dell energia elettrica in funzione del OP della pompa di calore elettrica e del costo del metano. Valori superiori alle rette delle tariffe elettriche indicano un vantaggio per la pompa di calore elettrica R GROUP 8/8