Importanza della misura di energia: i consumi energetici in Italia nel 2002

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1 Giornata di studio Problematiche di misura e taratura nelle misure di energia e ambientali Prof. Marco Dell Isola Dipartimento di Meccanica Strutture Ambiente e Territorio Università degli Studi di Cassino Via Di Biasio, Cassino (Fr) dellisola@unicas.it

2 Importanza della misura di energia: i consumi energetici in Italia nel MTep di gas naturale 90.9 MTep di petrolio 12.4 MTep da fonti rinnovabili 11.1 MTep da importazione

3 Contabilizzazione, Bilanci e Rendimenti BILANCI e RENDIMENTI: Misura delle variazioni di energia e di flussi energetici TRANSAZIONI COMMERCIALI Contabilizzazione dei flussi energetici metodo diretto N u u 1 N e e 1 E E u e metodoindiretto N e E e 1 N e e 1 d 1 N e E e d E d u u 1 metodoindiretto N N u u E N u E d u 1 d 1 E d

4 Quale energia? Misurare la quantità di energia in differenti forme: Chimica Elettrica Meccanica Termica Misurare la qualità dell energia Exergia Inquinamento ambientale prodotto Rinnovabilità Continuità e qualità dell erogazione

5 Problematiche di misura dell energia Contabilizzazione dei combustibili fossili (benzina, gas naturale, ecc.) effettuata ancora in volume Misuratori di energia elettrica e termica non sottoposti al controllo metricolegale; Assenza di misuratori di energia termica (CET nei condomini con sistemi di riscaldamento centralizzati) Liberalizzazione del mercato italiano ed europeo dell energia elettrica e del gas

6 Misura energia elettrica (es. corrente e tensione) Misura indiretta Misura energia meccanica (es. coppia e spost. angolare) Misura energia termica (es. temperatura e portata) Misura energia chimica (es. massa e comp.chimica)

7 Misura dei flussi di energia meccanica La misura del flusso di energia meccanica (ovvero del lavoro meccanico fornito da un motore o assorbito da una macchine utensile) è fondamentale per descrivere le prestazioni di una qualunque macchina motrice o operatrice. Solo attraverso la misura dei flussi di energia in ingresso e uscita è possibile determinarne il rendimento. Molto spesso (i.e. negli impianti di conversione dell energia) è, inoltre, necessario misurare accanto al lavoro meccanico il flusso convettivo di energia meccanica (cinetica e potenziale) associata al flusso di massa. Grandezza fisica (misura indiretta) Grandezza fisica (misura diretta) Strumenti Campioni Lavoro di variazione di volume L = F. S Dinamometri celle di carico Masse Campione Blocchetti piano paralleli Lavoro d elica L = C. S a Torsiometri Contagiri Masse Campione Blocchetti piano paralleli Energia cinetica E = ½ M. V 2 Anemometri Tubo di pitot Bilance di pressione Energia potenziale E = M. g. z Altimetri Bilance di pressione

8 Misura del Lavoro meccanico: Principi di misura Torsiometri (esempio) un ponte estensimetrico, elemento meccanico elastico trasmissione segnale elettrico e alimentazione elettrica (contatti striscianti e trasformatore rotante) Contagiri (esempio) rilevatore di posizione contatore Banchi dinamometrici (esempio) freno motore

9 Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Meccanica Standardizzazione delle tecniche di misura riconducibili a settori consolidati e metrologicamente riferibili Grandezze Energia Meccanica Forza Centri SIT 18 Centri SINAL Servizi Metricolegali I settori in questione si riferiscono infatti a: la metrologia dimensionale (spostamenti lineari ed angolari) la dinamometria (massa, forza e coppia) la frequenza e il tempo Coppia Spostamento Spostamento angolare (contagiri) Potenza meccanica (Banchi dinamometrici) (1)

10 Misura dei flussi di energia termica Le misure del flusso di energia termica possono essere ricondotte alle tre modalità di scambio termico e alla direzione dello scambio ovvero a: i) la misura dell energia termica trasmessa per conduzione attraverso superfici di controllo; ii) la misura del flusso di energia termica trasmessa per mezzo di un fluido termovettore; iii) la misura della radiazione termica (mediante la misura diretta del flusso radiativo o indirettamente mediante la misura della temperatura della superficie emittente con tecniche termografiche). Grandezza fisica (misura indiretta) Grandezza fisica (misura diretta) Strumenti Campioni Energia termica convettiva E = m c T Heat Meter (CET) TRP Volumi campione Energia termica conduttiva Q/A = k/l T Heat Flux Meter (Calorimetri) TRP MRC Energia radiativa Q/A Q/A = T 4 Pireliometro (Piranometro) Heat Flux Meter (Radiometri,pirometri) Corpi neri (MRC) Lampade, fotorilevatori Corpi neri (MRC) Lampade, fotorilevatori

11 Misura dell energia termica: Principi di misura Contatori di energia termica CET Modulo di calcolo T m Calorimetri (flux meter\ heat flux) Stazionari (gradiente di temperatura) Instazionari (variazione di temperatura) T r U T E N Z A Radiometri Pireliometro Piranometro Radiometri Pirometri d q Resistenza termica Sensori di temperatura sottostrato

12 Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Termica La taratura dei radiometri, pirometri, piranometri e pireliometri non sempre risulta semplice sia a causa dell influenza di tutte le superfici emittenti, ma anche e soprattutto per la insufficiente conoscenza delle proprietà emissive dei corpi e della loro variabilità al variare della temperatura. I settori in questione si riferiscono infatti a: Termometria Radiometria e fotometria ma anche a: MRC (per le proprietà termofisiche) Area (lunghezza), massa e volume Grandezze Energia Termica Flusso convettivo (CET) Flusso conduttivo (HFS) Flusso radiativo Temperatura Portata Area Proprietà termofisiche Centri SIT SI Centri SINAL SI SI SI Servizi Metricolegali

13 Misura dei flussi di energia elettrica La caratteristica che contraddistingue l energia elettrica è la capacità di essere vettoriata con estrema facilità rispetto alle altre forme di energia. La sua misura ha un importanza pratica di enorme rilevanza dato che costituisce la base dei rapporti commerciali tra produttore ed utente. La misura dell energia elettrica può essere effettuata mediante numerosi strumenti ed apparati classificabili in analogici (elettrostatici di tipo voltamperometrici, elettrodinamici di tipo ad induzione magnetica, etc...) e digitali. Grandezza fisica (misura indiretta) Grandezza fisica (misura diretta) Strumenti Campioni Energia elettrica DC E P V I el DC DC V R 2 DC V Voltmetri Amperometri Pile e Resistenze campione Calibratori elettrici Energia elettrica AC el E t 0 el t 0 V I cos dt rms t t 2 E Pdt k n 1 Pdt rms Contatori elettrici Wattmetri, TA e TV Pile e Resistenze campione Calibratori elettrici Pile e Resistenze campione Calibratori elettrici

14 Misura dell energia elettrica: Principi di misura Contatori di energia elettrica ad induzione Lo strumento consiste di due bobine magnetiche elettromagneti (una eccitata dalla corrente del circuito,detta amperometrica ed una alimentata con la tensione del circuito, detta volumetrica)di un disco conduttore di alluminio, calettato su di un albero, ed interposto tra le due espansioni polari delle bobine. Il disco viene in tal modo investito da due flussi magnetici generati dalle correnti che circolano negli avvolgimenti degli elettromagneti e che a loro volta inducono delle correnti che generano una coppia motrice che mette in rotazione il disco. Contatori di energia elettrica digitali I contatori digitali permettono di effettuare una misura contemporanea di tensione e corrente per una valutazione più corretta della potenza assorbita. Questi strumenti sono costituiti da : un trasduttore voltmetrico (Tv) ed uno amperometrico (TA), due Sample and Hold (SH), due convertitori analogico digitali (AD) ed un elaboratore dei segnali. Il sistema costituito effettua un campionamento dei valori di tensione e corrente ed in seguito calcola l energia elettrica

15 Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Elettrica La taratura dei contatori di energia elettrica può avvenire secondo due modalità: confronto con strumenti di verifica certificati (solitamente wattmetri e alimentatori), applicazione di un carico fittizio con caratteristiche note. Nel primo caso bisogna garantire la costanza delle condizioni di prova per tutta la durata della misura. Grandezze Energia elettrica Energia elettrica (contatori) Centri SIT 1 Centri SINAL Servizi Metricolegali Recentemente accanto alla misura della quantità di energia, emerge la necessità di controllare e misurare la qualità della fornitura di energia allo scopo di proteggere da anomale componenti spettrali e da sbalzi di tensione la delicata strumentazione elettronica. Corrente Tensione Fase I settori in questione si riferiscono infatti a: Potenza Tensione e corrente ma anche a: tempo

16 Misura dei flussi di energia chimica La misura dell energia chimica specifica associata ad un combustibile può essere determinata direttamente attraverso la misura del potere calorifico (mediante calorimetri) o indirettamente attraverso la misura della composizione chimica (mediante analizzatori o gascromatografi). In realtà per una determinazione della corrispondente proprietà estensiva è sempre necessaria la misura della massa ovvero della portata (massica o volumetrica) quando il combustibile viene vettoriato con continuità. Grandezza fisica (misura indiretta) Grandezza fisica (misura diretta) Strumenti Campioni Energia chimica (assorbita/fornita/ dispersa) H H s s M c ( t t ) H O H O f i M M c ( t t ) H O H O out in V Composizione chimica c c, s Calorimetro Mahler Calorimetro Junkers Cromatografi, Analizzatori termici, elettrochimici, spettroscopici TRP, MRC Masse campione, strumenti campione, MRC

17 Misura dell energia chimica: Principi di misura Nei calorimetri Mahler una quantità definita di combustibile in un sistema chiuso e adiabatico (costituito dalla camera di combustione e da una intercapedine contenente acqua) e determinando l energia termica sviluppata (potere calorifico superiore o inferiore a seconda della stato termodinamico dell acqua prodotta dalla combustione) attraverso la misura della variazione di energia interna del sistema. Gli analizzatori IR rilevano l assorbimento di radiazione infrarossa da parte del gas analizzato attraverso un elemento sensibile denominato rilevatore. Il limite di questo strumento risiede nella capacità di individuare un solo analita della miscela di gas.

18 Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Chimica La riferibilità della strumentazione analitica può essere conseguita mediante: Grandezze Energia chimica Centri SIT Centri SINAL Servizi Metricolegali i) il confronto con un metodo primario (quantità di sostanza, campione di massa, di corrente, etc.); ii) l impiego di un materiale di riferimento (una sostanza pura certificata o un materiale con matrice idonea); Potere calorifico Composizione chimica solido liquido gassoso portata 2 2 SI SI SI SI iii) l uso di strumentazione di riferimento precedentemente tarata. Grandezze fisiche massa volume 15 3 I settori in questione si riferiscono infatti a: Mole Massa Corrente ma anche a: MRC portata Un materiale di riferimento MR può essere definito come una sostanza per la quale una o più proprietà (chimica, fisica, biologica, ) sono sufficientemente note, omogenee e stabili nel tempo. In particolare per un materiale di riferimento certificato (MRC) queste proprietà sono riferibili alle unità del SI ed espressi unitamente alla relativa incertezza. E possibile distinguere due diverse tipologie di materiali di riferimento: i composti singoli (calibrants) e le matrici di riferimento.

19 PROGETTO META METROLOGIA DELL AMBIENTE A. Metrologia negli ambienti di lavoro indoor A.1. Metrologia del benessere termoigrometrico A.2. Metrologia del benessere respiratorioolfattivo A.3. Metrologia del benessere acustico A.4. Metrologia del benessere visivo A.5. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico indoor B. Metrologia negli ambienti outdoor B.1. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico outdoor B.2. Metrologia delle emissioni inquinanti nel settore del trattamento dei RU B.3. Metrologia degli scarichi idrici inquinanti

20 obiettivi specifici Disponibilità di procedure di misura, taratura ed elaborazione validate Analisi statistica dei valori tipici di una o più filiere industriali del territorio di riferimento; Proposizione di interventi correttivi atti a migliorare l impatto ambientale delle filiere prese in esame; Sensibilizzazione delle PMI, delle associazioni di categoria alle problematiche metrologiche ambientali Accreditamento e potenziamento dei laboratori ambientali territoriali ai fini dell applicazione delle metodiche di analisi per migliorarne la competitività;

21 Effetti attesi riduzione dell impatto ambientale e miglioramento del benessere nel territorio di riferimento possibilità per le PMI di monitorare i propri ambienti di lavoro con maggiore efficacia, con conseguente pianificazione delle opportune azioni correttive e preventive collegate. creazione di strutture di eccellenza ed accrescimento della competitività di laboratori a potenziale capacità di assunzione di nuovo personale accrescimento della competenza delle strutture esistenti maggiore efficacia dei controlli, con diffusione capillare degli stessi e conseguente accrescimento della cultura della tutela e della prevenzione dell ambiente metodiche finalmente universali a disposizione dei laboratori operanti nel campo delle misure ambientali outdoor che potranno confrontare tra loro i dati, e monitorarli nel tempo. pianificazione da parte delle amministrazioni preposte di tutte le forme di prevenzione e di adeguamento, per garantire, con assoluta affidabilità, il rispetto delle leggi in materia. controlli più semplici, dati riferibili, qualità delle misure, riproducibilità e ripetibilità dei metodi

22 Conclusioni In merito alla riferibilità metrologica occorre evidenziare che l offerta dei servizi risulta alquanto differenziata in funzione del tipo di grandezza energetica. In particolare, accanto ai tradizionali settori meccanici, termici ed elettrici in cui vi è una consolidata tradizione ed offerta metrologica, bisogna registrare una particolare sensibilità rispetto all offerta e richiesta di riferibilità nel settore della chimica testimoniata dal recente accreditamento di laboratori SIT nello specifico settore. E altresì opportuno evidenziare la relativa carenza in settori strategici come le portate di massa/volume e la disuniformità territoriale dell offerta metrologica. Ancora molto lontana risulta invece l analisi della qualità dell energia intesa sia in termini energetici, che ambientale, che di servizio. Per ciò che concerne i bilanci ed il rendimento occorre sottolineare che, raramente la strumentazione esistente consentono di mantenere la riferibilità su tutte le grandezze energetiche coinvolte Questa situazione presenta un ulteriore complessità per ciò che concerne le misure inerenti le transazioni commerciali dove la necessità di garantire oltre alla riferibilità anche la cosiddetta fede pubblica rende indispensabile mettere in atto le metodiche di legalizzazione della misura ovvero l approvazione di modello, la verifica di conformità al tipo e la verifica periodica della strumentazione. Recente approvazione della MID ed alla proposta del nuovo testo unico della metrologia legale che contengono molti elementi atti a superare alcuni problemi sopra evidenziati.

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