Approvvigionamento energetico degli edifici da energia solare

Transcript

1 Approvvigionamento energetico degli edifici da energia solare labelab s.r.l Ing. Filippo Barattini

2 Indice della presentazione 1. ENERGIA SOLARE: di cosa stiamo parlando??? 2. MOTIVAZIONI alla base del SOLARE come scelta strategica 3. STRATEGIA per un nuovo MODELLO di APPROVVIGIONAMENTO ENERGETICO 4. EDIFICIO COLLETTORE/PRODUTTORE di ENERGIA 5. OPPORTUNITA TECNICHE CONSOLIDATE 6. NUOVI SCENARI all ORRIZZONTE 7. La SFIDA del FUTURO PROSSIMO 2

3 Il significato di energia solare Per ENERGIA SOLARE si intende l'energia raggiante sprigionata dal Sole per effetto di reazioni nucleari (fusione dell'idrogeno) e trasmessa alla Terra (ed in tutto lo spazio circostante) sotto forma di radiazione elettromagnetica. convertita in energia TERMICA e/o ELETTRICA DIRETTAMENTE Mediante trasformazione della luce (Pannelli Solari/Fotovoltaici) GEOTERMIA INDIRETTAMENTE Mediante i seguenti vettori: Biomasse + FORSU; Vento; Acqua; Combustibili Fossili 3

4 Ogni anno il sole fornisce volte più energia di quanta ne venga consumata dall intera popolazione, senza contare l energia solare trattenuta dalla superficie della terra, dai corsi d acqua e dal materiale vegetale!!! il fabbisogno energetico dell umanità non può essere soddisfatto dalla sola energia solare??? DENSITA ENERGETICA FONTE DENSITA' kwh/m 2 0,1 0,

5 Motivi a supporto del solare 1. ESAURIMENTO delle scorte dei COMBUSTIBILI FOSSILI e COSTI associati 2. EMISSIONI in atmosfera associate all utilizzo delle Fonti Energetiche Rinnovabili (SOLARI), in particolare in riguardo a: CO2 Polveri totali, fine ed ultrafini; NOx e SOx e loro inquinanti secondari derivati (Polveri secondarie fine ed ultrafine, Ozono, e piogge acide) 3. Punto di forza (assieme al risparmio ed all efficienza energetica) per il raggiungimento degli obiettivi di Kyoto. 5

6 UNA POSSIBILE STRATEGIA VINCENTE ripensare ad un nuovo sistema di approvvigionamento energetico in campo industriale, agricolo, civile e settore terziario, privilegiando, nell ordine: 1. Produzione di energia da solare diretto (fotovoltaico e termico), indiretto (idroelettrico, eolico) e da geotermia, che non hanno emissioni in atmosfera!!! 2. Produzione di energia da combustione (con emissioni in atmosfera) ) da biomasse e FORSU privilegiando le tecnologie più performanti (es. Digestione anaerobica, Pirolisi, Gassificazione); 3. Produzione di energia dal vettore H2 ottenuto da biomasse o dall acqua in fuel cells a ciclo chiuso. 6 Generazione distribuita Vs Distribuzione basata sulle macroreti e combustibili fossili

7 EDIFICIO = COLLETTORE E/O PRODUTTORE DI ENERGIA 1. Analisi delle caratteristiche e criticità ambientali territoriali del sito: condizioni climatiche e vincoli territoriali 2. Modelli progettuali di edifici a basso consumo con impiantistica (energetica a fonti rinnovabili) integrata! ENERGIA SOLARE COME FONTE UNICA PER PER GLI GLI EDIFICI!!! 7

8 CONDIZIONAMENTO AMBIENTI e ACS 1. SOLARE TERMICO (riscaldamento e ACS) INTEGRATO 2. CALDAIE, FOCOLARI e TERMOCAMINETTI (Legna, Cippato, Pellets, Mais) 3. GEOTERMIA (Pompe di calore) 8

9 ENERGIA ELETTRICA IL CONTO ENERGIA: I NUOVI INCENTIVI PER L ENERGIA ELETTRICA DA FOTOVOLTAICO 9

10 Inquadramento normativo Direttiva 2001/77/CE promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità D.Lgs. 387/03 Recepimento della Dir. 2001/77/CE sulla promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità Dm 28 Luglio 2005 Criteri per l incentivazione della produzione di energia elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare Dm 6 Febbraio 2006; Delibere AEEG 10

11 Schema di impianto secondo i decreti conto energia 11

12 Anno richiesta incentivo Potenza (P) 1 kw P 20 kw 20 kw < P 50 kw 50 kw < P 1000 kw 2005 e 2006 /kwh 0,445 0,46 0, /kwh 0,436 0,451 0, e succ. Decresce del 2% rispetto al valore dell anno prima Analisi economica dell investimento fotovoltaico con il Conto Energia L analisi è stata realizzata considerando le esigenze di una famiglia di 4 persone: Consumo annuo di energia elettrica (potenza elettrica installata di 3 kwp) Spesa annuale per l energia elettrica consumata (considerando 0,19 /kwh da fonte dati AEEG) Costo impianto fotovoltaico da 3 kwp (con installazione e IVA al 10%) kwh (3.900 kwh x 0,19 /kwh) = 741 ; Produzione annua di energia elettrica (considerando una produzione di kwh per ogni kwp di potenza installata) kwh Ricavo annuale corrisposto dal GRTN con tariffa incentivante fissata per il 2005 pari a 0,445 /kwh (3.900 kwh x 0,445 /kwh)= 1735, 5 Beneficio Economico Annuo (somma del ricavo annuale da tariffa incentivante e del costo annuale evitato per la bolletta di energia elettrica) (1735, )= 2.377,50 /anno Tempo di ritorno semplice: Indice economico di prima analisi ( / 2.377,5 /anno) = 8 anni Tempo di ritorno attualizzato: Indice economico che tiene conto dell aumento del costo della vita e del denaro nel tempo. 11 anni Rendimento dell investimento (da confrontare con altri investimenti alternativi come ad es. deposito bancario il cui rendimento medio è pari a circa 2/3 %). 12 % 12

13 13

14 TRIGENERAZIONE Lo sfruttamento dell energia termica in surplus di un impianto solare Il ricorso ad impianti capaci di utilizzare l energia solare in eccedenza nei mesi estivi, permette di migliorare le prestazioni e l efficienza dei sistemi solari Utilizzare il calore generato dalla radiazione solare sui collettori solari, per il raffrescamento degli ambienti, mediante le macchine ad assorbimento 14

15 Funzioni del ciclo 1) Generatore di vapore: il fluido assorbe la quantità di calore Q G alla temperatura T 1 ; 2) Condensatore: il vapore condensa ad alta pressione, alla temperatura ambiente T 0, cedendo il calore Q C ; 3) Evaporatore: alla pressione PE<PC il refrigerante evapora sottraendo il calore QE a bassa temperatura T 2 ; Schema di funzionamento di un refrigeratore ad assorbimento 4) Assorbitore: a bassa pressione ed alla temperatura T 0 il refrigerante condensa e viene riassorbito dalla soluzione 15

16 EDIFICI ENERGICAMENTE AUTOSUFFICIENTI Ovvero indipendenti dalle reti di distribuzione di energia alimentate da fonti fossili o nucleari!!! qual è l ostacolo principale all emancipazione energetica??? La scarsa efficienza dei sistemi di accumulo dell energia prodotta dalle fonti rinnovabili (solari) ma mentre per il TERMICO si rimedia con impianti solari (per riscaldamento ambienti e ACS) integrati con sistemi a biomasse, per il FOTOVOLTAICO i problemi rimangono irrisolti (aggravato dal fatto che il conto energia non è valido per gli impianti STAND ALONE) 16

17 L era dell idrogeno: tecnologia FUEL CELL Il vettore idrogeno sarà la risposta concreta ai problemi che il solare riscontra in termini di efficienza di stoccaggio dell energia (soprattutto per il fotovoltaico) Solo un idrogeno generato da fonti rinnovabili può offrire realmente una strada sostenibile all energia. L idrogeno prodotto da combustibili fossili (processi di reforming) non risolvono il problema dell inquinamento ma, al più, lo spostano al sito di generazione dell idrogeno. 17 Inoltre, l idrogeno da reforming non è direttamente impiegabile nelle celle a combustibile polimeriche, le più promettenti dal punto di vista energetico.

18 La filiera dell idrogeno Pannelli fotovoltaici La cella a combustibile Elettrolizzatore Accumulatore di idrogeno Energia elettrica η=75% tra energia elettrica dal modulo 18 e energia chimica nell idrogeno

19 η= % tra energia chimica nell idrogeno e energia elettrica al motore 19 Oltre ad una elevata efficienza di conversione la tecnologia F.C. presente elevate prestazioni ambientali

20 20

21 850 miliardi di dollari = sussidio annuo (diretto ed indiretto) a favore esclusivo delle fonti fossili e nucleari!!! 21

22 Scenario tendenziale secondo modello MARKAL-MACRO Consumo di energia per fonti primarie nello scenario Tendenziale Quota delle diverse fonti sul consumo di energia primaria nello scenario Tendenziale 22 Prezzi delle fonti fossili nello scenario Tendenziale

23 Una delle possibili teorie dell andamento esaurimento 23

24 Cambiamenti Climatici per Gas effetto serra Simulazione ARPA METEOCLIMA Scenario al 2100 con il trend aumento CO2 ed innalzamento di 80 cm del livello mare Scenario apocalittico con scioglimento tutti i ghiacci del polo 24

25 Aspettativa di vita legata agli Ossidi di Azoto 36 Mesi di vita dovuti ai livelli riscontrati nella pianura Padana 25

26 Revisione del PNR da delibera CIPE 123/

27 27

28 Ventilazione (naturale forzata e domotica) Problema inquinamento in ambienti domestici (IAQ - Indoor Air Quality) 1. Il 30 % delle abitazioni ed il 40 % del materiale edile può nuocere alla salute (stima OSM); 2. Si trascorre almeno il 60% della vita in ambienti confinati, in presenza di rischi invisibili. Manifestazioni: Respiratorie; Oftalmiche; Neuropsichiche. IN DOOR A IR QU A LIT Y Odori EFFETTI INQUINANTI SBS Effetti biologici Effetti carginogeni Bioeffluenti NOx Sox CO VOC Ozono Radon Contamin. Biologici ETS Fibre Umidità Legenda Effetti documentati Effetti sospetti SBS Sick Building Sindrome "La qualità dell'aria negli ambienti interni". De Santoli & Fracastoro AICARR 1998 Danni materiali 28 Mediante un sistema DNV (Demand Naturally Ventilating oppure DCV (Demand Controlled Ventilating)

29 camino solare a pannello con flusso posteriore 29

30 I sistemi di gestione e controllo automatizzati (detti DOMOTICI o di CASA INTELLIGENTE) sono il mezzo più efficace per economizzare energia, migliorando contemporaneamente le prestazioni dell edificio e la qualità della vita al suo interno 30

31 31

32 Tipologia pannelli e componenti principali d impianto Struttura di un collettore piano Collettore a tubi evacuati, con scambio di calore ad immersione Componenti principali di un impianto solare termico 32

33 Sistemi per la produzione di ACS Semplicità di installazione; Circolazione fluido autoregolante; Costo contenuto; Adatto ai climi miti; Bassa efficienza; Impianto a circuito chiuso a circolazione naturale 33

34 Circolazione forzata con doppio scambiatore (integrato con caldaia) Circolazione forzata con doppio serbatoio alimentato dal primario ed integrato con caldaia I principi di controllo e regolazione sono ampiamente consolidati; Assemblaggio circuiti semplici Attacco T = C Stacco T = 4 5 C 34 riduzione fenomeni di miscelazione; tempi di raggiungimento T ut. Rapidi; Max efficienza sistema; Costoso e complesso.

35 Caldaia a condensazione scambiatore di calore fumi-acqua molto abbondante abbassa la temperatura dei fumi (fino a temperatura acqua di ritorno); il vapore d acqua contenuto nei fumi condensa cedendo all acqua del generatore il suo calore latente; i materiali di costruzione sono tali da resistere all azione acida del condensato. 35

36 Sistemi produzione ACS/RA Sistema particolarmente diffuso in Svizzera. Non richiede particolari sistemi di controllo eccessivamente costosi e complessi; Se lo scambiatore fosse interno, nel caso di richiamo frequente dell utenza, l acqua potabile fredda in ingresso al piccolo tank interferisce negativamente con la stratificazione del serbatoio di buffer La linea di ritorno riscaldamento può andare sia nel tank che in caldaia Sistema Combi con serbatoio tampone e scambiatore esterno per la rimozione del calore 36

37 Prestazioni e Pay-Back del solare termico Impianto solare termico in abitazioni private (famiglia 4 persone) per ACS 45 C Impianto Compatto ad accumulo integrato Superficie (m 2 ) Serbatoio (l) Costo ( /m 2 ) Costo totale ( ) Contributo solare % Risparmio energetico kwh/anno Pay Back (anni) * Circolazione naturale 3, * Circolazione forzata per ACS Combinato per ACS e riscaldamento * relativo al fabbisogno energetico per acqua calda sanitaria; ** relativo al fabbisogno totale per acqua calda sanitaria e riscaldamento. kg CO2/kWh 0,6 0,5 0,4 0,3 0,2 0, ,58 Scaldabagno elettrico 3, * EMISSIONE di CO2 per 1 kwh energia ** ,25 Caldaia a gas metano Impianto Compatto ad accumulo integrato Combinato per ACS e riscaldamento 0,085 /kwh = Costo medio gas calcolato su efficienza media caldaia del 75% tonn CO2/pers.*anno evitate (GAS) tonn CO2/pers.*anno evitate (ELETTRICO) 0,12 0,28 Circolazione naturale 0,16 0,37 Circolazione forzata per ACS 0,16 0,37 0,26 0,61

38 Elementi fondamentali nel dimensionamento Fattore di copertura solare VS efficienza del sistema FS=[Q us /(Q us +Q tr )]x100 η = [Q us / (ExA)] x 100 Superare l intervallo di valori indicato (60 70 %) non risulta consigliabile. Ad una accresciuta superficie installata non corrisponde un altrettanto significativo risparmio ed il tempo di ritorno aumenta considerevolmente. 38

39 39

40 Caldaie a Legna/Cippato/Pellets/Mais 1 litro Gasolio = 2 kg pellets PCI pellets = 5 kwh/kg PCI legna = 2,5 Kwh/kg Gasolio da riscaldamento: 1 /L Pellets: 0,3 /kg Mais: 0,15 /kg Per riscaldare un edificio di 100 m 2 in classe D occorrono kwh/anno. 900 litri di Gasolio (ovvero circa 900 ) Kg di Pellets (ovvero 540 ) kg di CO2 evitate!!!

41 Schema di impianto I rendimenti delle caldaie in commercio stanno in un range fra % 41

42 Esempio di una caldaia a Pellets 42

43 Stoccaggio del combustibile Possibilità di stoccaggio sotterraneo nel caso non ci sia uno spazio chiuso per il serbatoio 43

44 Un esempio di caldaia a doppio combustibile (Pellets/Mais) L innesto della combustione è sempre a pellets!!! L efficienza della combustione non varia sensibilmente, mentre il risparmio gioca notevolmente a favore del MAIS (circa il 50% in meno) 44

45 TERMOCAMINETTI A LEGNA/PELLETS: soluzione estetica a scapito della comodità hanno una resa minore delle caldaie pellets/cippato (< 80%); si integrano senza problemi con i sistemi solari e/o caldaie tradizionali; esistono anche modelli per riscaldamento ad aria con ventilazione forzata per portare il calore in tutti gli ambienti della Ing. F. casa; Barattini - ENERGIALAB 45

46 Pompa di calore: complementare e/o alternativa al solare Si integrano facilmente con sistemi riscaldamento solari e tradizionali; danno un minimo ingombro; Non danno emissioni e la qualità aria è ottimale; Risparmi fra il 55 e 70 % per riscaldamento ACS e Ambienti e fino al 90% per raffrescamento; Può essere posizionato su qualsiasi terreno anche se la potenzialità termica dipendono dal terreno a contatto con le sonde geotermiche Costo impianto climatizzazione tradizionale: / spesa annuale 1650 Costo impianto climatizzazione geotermico: / spesa annuale 800 RISPARMIO ANNUO 850 & TEMPO AMMORTAMENTO EXTRA COSTO: 4,8 ANNI 46