Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema

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1 ESERCITAZIONE 1 Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema Il sistema a cui faremo generalmente riferimento in questo corso sarà uno stabilimento di azienda manifatturiera, ma tutte le considerazioni e le metodologie ossono essere alicate con le oortune modifiche a qualsiasi altro sistema che utilizzi energia: un azienda di servizi, un osedale, un Comune, un edificio residenziale, una centrale termoelettrica, ecc. Una delle rime cose che devono essere fatte quando si voglia iniziare ad occuarsi di gestione dell energia è quantificare l entità dei consumi energetici. Uno stabilimento uò utilizzare energie di tio diverso (energia elettrica, combustibili di vario genere, fluidi termovettori acquistati all esterno: es. stabilimento allacciato ad una rete di teleriscaldamento), esresse in unità di misura diverse. FIGURA 1. L azienda e il sistema Paese σ σ (QHUJLDHOHWWULFD C ee $]LHQGD )OXLGL WHUPRYHWWRUL 3HUGLWHSHU WUDVSRUWR WUDVIRUPD]LRQL &RPEXVWLELOL 3HUGLWHSHU JHQHUD]LRQH WUDVSRUWR &HQWUDOLGL JHQHUD]LRQH 3HUGLWHSHU WUDVIRUPD]LRQL WUDVSRUWR C Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 1

2 Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema Come valutare i consumi globali, cumulando quelli relativi alle diverse forme di energia? Occorre convertire i vari consumi energetici in unità di misura omogenee e oi sommarli. Tiicamente si utilizzano le tonnellate di etrolio equivalenti. Le tonnellate equivalenti di etrolio sono una grandezza con una doia natura: a rigore sono una massa (1 te = 1000 kg di etrolio), ma ossono anche essere visti come energia (1 te energia sviluata dalla combustione di 1 tonnellata di etrolio), assando attraverso il otere calorifico convenzionale del etrolio: = kj kg. L energia sviluata dalla combustione di 1 t di etrolio vale quindi GJ. Per valutare i rori consumi, l azienda ha due ossibilità: riferirsi al volume di controllo racchiuso da σ, che delimita i confini dello stabilimento; riferirsi al volume di controllo racchiuso da σ, che delimita i confini del sistema Paese (es: l Italia). Mentre nel rimo caso si valutano i cosiddetti consumi finali di energia, nel secondo si valutano i consumi di energia rimaria, cioè la somma dei consumi finali (che sono i consumi veri e rori dello stabilimento) iù tutti i consumi di energia dovuti alle erdite imutabili a rocessi di trasformazione e al trasorto. Quest ultimo modo di valutazione dei consumi è quello rescritto in Italia dalla legge n. 10/91 Norme er l attuazione del iano energetico nazionale in materia di uso razionale dell energia, di risarmio energetico e di sviluo delle fonti rinnovabili di energia. L art. 19 revede che tutti i consumatori di energia, sia rivati che ubblici, che suerino una certa soglia di consumo annuo (calcolato in te e in termini di energia rimaria) debbano nominare un tecnico resonsabile er la conservazione e l uso razionale dell energia (anche chiamato energy manager 1 ), il cui nominativo deve essere comunicato al Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato, oggi Ministero delle Attività roduttive. Le soglie sono in realtà due: te/anno er i soggetti del settore industriale; 1000 te/anno er i soggetti di tutti gli altri settori: civile, terziario, dei trasorti. L energy manager, che uò essere un diendente oure un consulente esterno, deve associare alla conoscenza dei rocessi la conoscenza dell asetto energia. I suoi comiti rinciali sono: redisorre bilanci energetici (conoscere i consumi, conoscere i contratti di acquisto, conoscere le utenze energetiche, ecc.); individuare azioni, interventi, rocedure er romuovere l uso efficiente dell energia all interno della roria struttura. I resonsabili er l uso razionale dell energia in Italia nel 2003 erano circa (fonte: F.I.R.E., Federazione Italiana er l uso Razionale dell Energia). Metodologia er il calcolo dei consumi energetici, secondo la circolare M.I.C.A. n. 219/f (1992). La circolare del M.I.C.A. del 2 marzo 1992 n. 219/f contiene alcune note eslicative sulla metodologia di valutazione dei consumi energetici ai fini dell eventuale nomina dell energy manager, secondo quanto rescritto dalla L. 10/ In realtà, la figura dell'energy manager nasce nel mondo anglosassone ai temi della rima crisi etrolifera del 1973, e in Italia con l art. 22 della legge n. 308/82: si revedeva che tutte le imrese con iù di 1000 diendenti e con consumo riferito all'anno recedente sueriore a te comunicassero ogni anno al Ministero dell'industria il nome del funzionario resonsabile er la conservazione dell energia; la legge non dava indicazione né di ruolo né di incarichi e rimase sostanzialmente inalicata. 2 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni

3 a) La valutazione dei consumi va riferita all energia consumata er la roduzione di beni (semilavorati, manufatti ecc.) o er la restazione di servizi (trasorto di ersone o merci, illuminazione, climatizzazione ambienti, fornitura di energia elettrica, ecc.), indiendentemente dal fatto che detti beni e servizi vengano utilizzati in rorio o destinati a terzi. Tale valutazione va riferita ai consumi globali del soggetto, cumulando quelli relativi alle diverse fonti ed ai diversi usi. b) La valutazione dei consumi va effettuata in termini di energia rimaria ed esressa in te. c) Per i combustibili (combustibili fossili, rodotti derivati da rifiuti organici ed inorganici o da scarti di lavorazione, ecc.) il calcolo dei te va effettuato tenendo conto del loro otere calorifico inferiore. La quantità di etrolio m in grado di generare la stessa quantità di energia generata dal consumo di una certa quantità di combustibile m avente otere calorifico inferiore H i (valore da richiedere al fornitore) è ari a: m H m i = (1.1) dove è il otere calorifico inferiore del etrolio. In mancanza di dati recisi sui rodotti combustibili utilizzati, si ossono adottare le equivalenze indicative riortate nella tabella che segue. Essa rende in considerazione soltanto alcuni rodotti combustibili; le equivalenze sono state ottenute utilizzando l equazione (1.1) e valori convenzionali dei oteri calorifici inferiori. FIGURA 2. EQUIVALENTI ENERGETICI DI ALCUNI PRODOTTI COMBUSTIBILI (da circolare del Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato del 2 marzo 1992, n. 219/f) H i Prodotto Gasolio Olio combustibile Gas di etrolio liquefatti (GPL) Benzine Carbon fossile Carbone di legna Antracite e rodotti antracinosi Legna da ardere Lignite Gas naturale Equivalenza 1 t <--> 1.08 te 1 t <--> 0.98 te 1 t <--> 1.10 te 1 t <--> 1.20 te 1 t <--> 0.74 te 1 t <--> 0.75 te 1 t <--> 0.70 te 1 t <--> 0.45 te 1 t <--> 0.25 te 1000 Nm 3 <--> 0.82 te N.B. Condizioni normali ( Nm 3 ): riferite a t = 0 C, = 1 atm. Condizioni standard ( Sm 3 ): riferite a t = 15 C, = 1 atm. 1 Sm 3 = Nm 3 d) L energia elettrica viene valorizzata secondo la tabella seguente, a seconda che la tensione di fornitura sia AT o MT, oure BT 2. FIGURA 3. EQUIVALENZA TRA ENERGIA ELETTRICA E TEP (da circolare del Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato del 2 marzo 1992, n. 219/f) o o Tensione di fornitura dell energia elettrica AT o MT BT Equivalenza 1 MWh <--> 0.23 te 1 MWh <--> 0.25 te 2. BT: fino a 1000 V. MT: da 1 kv a 35 kv. AT: oltre 35 kv. Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 3

4 Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema e) Per i fluidi termovettori, i te devono essere valutati mediante la relazione: dove: m = 1.2 m h (1.2) m m e sono le grandezze di cui all equazione (1.1) = massa di fluido termovettore consumata h = variazione di entalia del fluido termovettore 1.2 = fattore correttivo (adimensionale) che tiene conto in modo convenzionale del rendimento di roduzione e distribuzione dell'energia termica. NB. Poiché m h è l effetto utile (calore ceduto dal fluido termovettore all utenza) e m H i, è la sesa necessaria, si ha che il rendimento convenzionale di roduzione e distribuzione dell'energia termica imlicito nell equazione (1.2) vale: η m h 1 = = = m f) Per le fonti rinnovabili si adottano i criteri di conversione validi er l'energia elettrica, qualora sia rodotto tale vettore (es. fotovoltaico, idraulico, eolico), o quelle della formula valida er i fluidi termovettori, se il vettore rodotto è energia termica (es. solare termico o geotermia er usi termici). Osservazione) Utilizzando i dati della figura 3 si uò ricavare il rendimento medio del sistema elettrico nazionale sottinteso in tali equivalenze: C η ee sist, el = C dove C ee è il consumo finale di energia elettrica e C e la quantità di energia rimaria che è necessario consumare affinché la quantità resa disonibile all utilizzatore. C ee (1.3) ossa essere rodotta e Per come è definito, η sist, el tiene conto di: rendimento medio di generazione; erdite di trasformazione MT/AT 3 ; erdite di trasorto sulla rete di trasorto AT (rete di trasmissione); erdite di trasformazione AT/MT; erdite di trasorto sulla rete di trasorto MT (rete di distribuzione MT); erdite di trasformazione MT/BT; erdite di trasorto sulla rete di trasorto BT (rete di distribuzione BT). Nel caso di fornitura in BT, l equivalenza tra MWh e te è iù favorevole risetto al caso di fornitura MT o AT erché sul sistema elettrico nazionale non gravano le erdite dovute alle ultime due cause (gravano sull utente). 3. Normalmente la generazione avviene in MT, oi l energia elettrica viene trasformata in AT er l immissione nella rete di trasmissione. 4 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni

5 Contabilizzazione delle emissioni di gas ad effetto serra. L anidride carbonica (CO 2 ) non è il solo gas che rovoca l effetto serra in atmosfera: anche altri gas hanno effetti simili, sesso molto iù dannosi, ma, er fortuna, non vengono emessi in quantità elevatissime come nel caso della CO 2, che viene rodotta in tutti i rocessi di combustione. I rinciali altri gas ad effetto serra sono il metano, il rotossido di azoto, l esafluoruro di zolfo, i gas refrigeranti (clorofluorocarburi CFC, idroclorofluorocarburi HCFC, idrofluorocarburi HFC, ecc.) La comunità scientifica internazionale ha valutato la caacità di ciascuno di essi di contribuire all effetto serra raortandola a quella del iù imortante, che è l anidride carbonica. Per tenere conto anche di questi gas si è soliti considerarli in termini di CO 2 equivalente. Un azienda uò dunque valutare le rorie emissioni di gas serra in termini di CO 2 equivalente secondo oortuni coefficienti di conversione: gli indici GWP (Global Warming Potential). Gli indici GWP utilizzati in ambito nazionale ed internazionale sono quelli roosti dall Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), un istituzione fondata nel 1988 dall ONU (in articolare dall UNED, United Nations Environment Programme) e dal World Meteorological Organization (WMO) con lo scoo di studiare i roblemi legati ai otenziali cambiamenti climatici su scala mondiale. E stato assunto ari a 1 il otenziale di effetto serra di 1 kg di CO 2 er un certo eriodo. Sono stati scelti tre orizzonti temorali di riferimento (20, 100 e 500 anni). In effetti la diversa azione di un gas serra risetto all'anidride carbonica diende dal eriodo in anni che si considera e questo erché i comosti riescono ad essere distrutti naturalmente ad oera della radiazione elettromagnetica ultravioletta con temi diversi legati sorattutto alla loro struttura chimica. Il riferimento iù frequente è quello a 100 anni (GWP 100 ). FIGURA 4. Global Warming Potentials (Fonte: IPCC Third Assessment Reort - Climate Change 2001: The Scientific Basis, Cambridge, UK, Cambridge University Press, 2001) Gas Denominazione GWP 20 GWP 100 GWP 500 CO 2 Biossido di carbonio CH 4 Metano N 2 O Protossido di azoto SF 6 Esafluoruro di zolfo CFC-12 R HFC-134a R134a HCFC-22 R Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 5

6 Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema DIPARTIMENTO DI ENERGETICA - POLITECNICO DI TORINO ESERCITAZIONE N. 1 DI GESTIONE DEI SISTEMI ENERGETICI 1. L azienda XYZ ha acquistato, nell anno 2000, i quantitativi di energia elettrica e di gas naturale riortati nella tabella seguente. Mese ENERGIA ELETTRICA media tensione a) Calcolare il consumo di energia rimaria (secondo la L. 10/91) dell azienda nell anno considerato, conoscendo: otere calorifico inferiore del gas naturale gn = kj kg ; densità del gas naturale ρ gn = 0.76 kg Sm 3. b) Saendo che l azienda XYZ oera nel settore metalmeccanico, dire se è tenuta er legge alla nomina del resonsabile er la conservazione e l uso razionale dell energia. c) A quanto ammontano i consumi finali di energia dell azienda (esressi in te) nel 2000? A cosa è dovuta la differenza tra consumi di energia rimaria e consumi finali? [a) te, b) no, c) 394 te ] GAS NATURALE - caldaie Consumi (kwh) Consumi (Sm 3 ) GAS NATURALE - mensa Consumi (Sm 3 ) Gen Feb Mar Ar Mag Giu Lug Ago Set Ott Nov Dic I consumi di energia rimaria dell azienda ABC in un anno sono stati ari a 500 te, così riartiti: 75% energia elettrica BT; 20% gas naturale er riscaldamento; 5% gasolio er autotrazione. Con riferimento alla Figura 2 e alla Figura 3, determinare: a) il consumo di energia elettrica; b) il consumo di gas naturale, esresso in Sm 3 ; c) il consumo di gasolio; d) calcolare il rendimento medio di generazione, trasorto e trasformazione dell energia elettrica che è imlicito nell equivalenza indicata dal Ministero, sia er le forniture in MT (o AT) che er quelle in BT. [a) 1500 MWh, b) Sm 3, c) kg, d) η MT = , η BT = ] 6 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni

7 3. Un azienda acquista l energia termica di cui ha bisogno er il riscaldamento degli ambienti ( 1.5 GWh anno ) dalla vicina centrale di teleriscaldamento; er l elettricità (fabbisogno: 2.5 GWh anno ) si rivolge ad un azienda confinante che ossiede un imianto er la roduzione di energia elettrica MT. Altri dati: la centrale di teleriscaldamento è costituita da caldaie a biomassa ( bio = 3.5 kwh kg, ρ bio = 350 kg m 3 ) con rendimento medio stagionale dell 80%; l imianto er la generazione dell energia elettrica è a gas naturale ( gn = kj Nm 3 ), con rendimento medio del 35% Calcolare il consumo annuo di energia rimaria esresso in te, secondo la L. 10/ 91. [ te ] 4. Calcolare i chilogrammi di CO 2 emessi durante la combustione comleta risettivamente di: a) 1 litro di benzina; b) 1 litro di gasolio; c) 1 metro cubo standard di gas naturale. Combustibile Formula bruta Densità Benzina C y H 1.87y kg l Gasolio Gas naturale C y H 1.8y C y H 3.8y N 0.1y kg l kg Sm 3 Potere calorifico inferiore kj kg d) A quanto ammontano le emissioni di CO 2 er unità di energia sviluata in ciascuno dei tre casi? [a) 2.38 kg, b) 2.58 kg, c) 1.94 kg, d) g, g, g ] MJ MJ MJ 5. La tabella che segue è un estratto del Raorto Ambientale 2003 dell azienda AEM Milano, riguardante le emissioni in atmosfera 4. Tiologia di emissione Unità di misura Valore CO 2 t NO x t 652 CO t 30 Gas naturale migliaia Nm SF 6 kg 184 R22 kg 32 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 7

8 Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema Le rime tre sostanze derivano dai rocessi di conversione dell energia che hanno luogo nelle sue centrali termoelettriche, mentre le emissioni di gas naturale sono imutabili a erdite durante il rocesso di distribuzione del gas, quelle di esafluoruro di zolfo a erdite in quadri ed interruttori elettrici, quelle di R22 a erdite negli imianti di raffreddamento che servono rocessi/fabbricati. Calcolare le emissioni di CO 2 equivalente, usando i fattori di conversione a 100 anni roosti dall Intergovernmental Panel on Climate Change. Altri dati: arossimare il gas naturale a metano, densità del metano kg ρ = Nm 3 Di seguito sono riortati i Global Warming Potential a 100 anni delle sostanze interessate. Tiologia di emissione GWP 100 CO 2 1 NO x - CO - CH 4 23 SF R [1.38 milioni t CO 2 eq.] 4. Fonte: htt://www.aem.it/home/cms/ambiente/ambiente_qualita_sicurezza/ raorto_ambientale/anno_2003/includes/pagine8_ambientale2003.df 8 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni

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