Solar cooling: tecnologia, applicazioni e prospettive per il futuro

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1 Solar cooling: tecnologia, applicazioni e prospettive per il futuro Mario Motta Dipartimento di Energetica, Politecnico di Milano Raffrescare con il sole - Tecnologie e prospettive per il solar cooling Milano, 07/06/2007

2 Mercato mondiale condizionamento dell aria 50 Japan RAC unit sales (in Mio. units) Asia (excl. Japan) Middle East Europe North America Central & South America Africa Oceania Fonte: F. Butera: The use of environmental energies for sustainable building in Mediterranean climates; Intelligent Building Middle East, Bahrain, December 2005

3 Mercato mondiale del condizionamento dell aria Ultimo decennio fortissima crescita del mercato mondiale del condizionamento dell aria in settori residenziale e commerciale. Split-izzazione del mercato in particolare settore residenziale. Due regioni dominano in termini assoluti e di crescita:asia (escluso Giappone), e Africa. RAC unit sales (in Mio. units) Japan Asia (excl. Japan) Middle East Europe North America Central & South America Africa Oceania

4 Mercato mondiale Capacità installata annualmente per RAC. total installed electric capacity in GW Japan Asia (excl. Japan) Middle East Europe North America Central & South America Africa Oceania Fonte: F. Butera: The use of environmental energies for sustainable building in Mediterranean climates; Intelligent Building Middle East, Bahrain, December 2005

5 Il mercato solare termico europeo tasso di crescita +26% nel 2006, atteso incremento pari per il 2007, La potenza termica installata a fine 2005, circa MW th obiettivo comunitario al 2010, MW th (circa 100 milioni di m 2 ).

6 Il mercato solare termico europeo

7 Mercato Italiano , : installazioni: 38,4 MW/a ( m 2 /a) total installat: 385 MW ( m 2 ) installed p.c.: 6,6 kw/1000 ab (9,5 m 2 /1000 ab) , , , ,000 50,000 Mercato solare termico Italia fonte: Statistiche ESTIF fino 2005 e Market study centro studi Solarexpo 2006, stima Collettori installati [m 2 /a] Capacita installata [MW th /a] 0

8 Perchè calore solare per la climatizzazione estiva? Riduzione dei picchi di richiesta in potenza elettrica durante l estate Coincidenza tra carichi di climatizzazione e disponibilità di radiazione Uso maggiore dell energia prodotta da ST su base annuale Riduzione di energia in eccesso per sistemi combi Esempio: Esempio: Edificio Edificio uffici uffici Napoli Napoli

9 Solar Cooling: schema generale Acqua refrigerata calore Processo alimentato termicamente Climatizzazione estiva Serbatoio calore? Torre evaporat.? Serbatoio freddo? Utenza? Produzione di freddo a partire da una sorgente di calore Possibilità di produzione di acqua e/o aria condizionata per sistemi di climatizzazione invernale/estiva centralizzati

10 Condizioni al contorno allo sviluppo dei SAC in Europa Il mercato Europeo ST cresce e crescerà intensamente anche in virtù dei vincoli legislativi imposti: codigo in spagna, 311/06 in Italia etc. 9 Marzo 2007 Consiglio d Europa decisione storica: Obiettivo vincolante sulla copertura da RES del consumo in termini di energia primaria di EU25: 20% al 2020 Richiesta alla commissione di proporre entro fine 2008 una nuova direttiva che copra la produzione di energia termica e cooling da rinnovabili RES-H Oggi: quasi la metà del consumo finale europeo è energia termica (48%). Per raggiungere il target entro il 2020 significa praticamente triplicare l uso di RES Il solare termico può avere un ruolo importante nel raggiungimento degli obiettivi al 2020!! Applicazione su larga scala di ST implica uso del SOLAR COOLING!!

11 Tecnologie per sistemi solar cooling Sistemi a ciclo chiuso (macchine di refrigerazione alimentate ad energia termica) Macchine ad assorbimento (oltre 90% mercato) e ad adsorbimento Usati nella maggior parte dei casi per la produzione di acqua fredda Qualsiasi tecnologia di distribuzione del freddo (e.g. Sistemi di ventilazione, fan-coils, superfici radianti,...) Sistemi a ciclo aperto basati su combinazione raffreddamento evaporativo e deumidificazione (sistemi DEC) trattamento diretto dell aria Sempre necessario rete distribuzione del freddo basato su sistema di ventilazione Sistemi sul mercato usano scambiatori rotativi o materiale adsorbente in forma liquida

12 Tecnologie disponibili sul mercato Cicli chiusi Produzione acqua refrigerata Cicli aperti Condizionamento aria diretto Tipo di sorbente solido liquido solido liquido Tipici materiali in uso Tecnologie disponibili sul mercato Potenza frigorifera [kw] Produttori Efficienza (COP) Tipiche temperature di alimentazione Acqua - Silicagel, 1) Ammoniaca Sali A. Macchine ad Adsorbimento Acqua - LiBr Ammoniaca - acqua Macchine ad Assorbimento Acqua - Silicagel, Acqua Cl di Litio Raff. Evaporativo a Ad-assorbimento kw 4.5 kw fino >5 MW 20 kw kw (pro Modul) 2 produttori giapponesi USA, Asia; solo poche piccola capacità (1-effetto) < 1.2 (2-effetto) C C (1-effetto) C (2-effetto) ca. 5 produttori di rotori;molti UTA 0.5 fino >1 fino > C C Tecnologie solari CTE, CP CTE, coll. a concent. CP, CA CP, CA Acqua Cloruro di Calcio Acqua Cloruro di Li

13 Collettori Solari e refrigerazione alimentata ad energia termica SAC SAC = = collettori collettori aria aria CPC CPC = = stationary stationarycpc CPC FPC FPC = = collettori collettori piani piani sup. sup. selettiva selettiva EHP EHP = = Tubi Tubi evacuati evacuati heat-pipe heat-pipe EDF EDF = = Tubi Tubievacuati flusso flusso diretto diretto SYC SYC = = Concentratori Concentratori stazionari, stazionari, Sydney-type Sydney-type η coll CPC desiccant SAC adsorption FPC 1-effect absorption EHP EDF SYC 2-effect absorption T/G [Km 2 /W]

14 Sistemi realizzati Fonte: Task 25 IEA SHCP Final report Circa 70 impianti in Europa, al mondo, Potenza frigorifera installata circa 6.3 MWfr, collettori circa m 2 (12.3 MWth) Potenza frigorifera installata circa 6.3 MWfr Germany Greece Spain Portugal Italy Austria France Area collettori totale installata circa m2 (12.3 MWth) Netherlands Israel Turkey 60% assorbimento e 11% adsorbimento (circa 3 m 2/ kw fr ), 23% desiccant cooling - solido (circa 10 m 2 per 1000m 3 /h) Kosovo

15 Sarantis - Condizionamento dell aria industria cosmetici Campo collettori piani: 2700 m 2, 1890 kw th 2 macchine ad adsorbimento 350 kw potenza frigorifera ognuna 3 macchine a compressione 350 kw ognuna Condizionamento dell edificio di produzione di un industria di cosmetici sito: Inofita Viotias (appr. 50 km nord-est di Atene) T H (Temp. di alimentazione) =60-90 C, SF=66%, producibilità specifica = 637 kwh/m 2 Attualmente il più grande impianto al mondo Peculiarità : strategia di controllo orientata al risparmio di energia elettrica attraverso il solar cooling

16 Raffrescamento cantina vinicola Collettori tubi evacuati: 130 m 2 Macchina ad assorbimento da 52 kw no sistema back-up Raffrescamento cantina d invecchiamento (circa 3 million bottles) con 3 Unità trattamento aria da ( m 3 /h air flow) sito: Banyuls (sud Francia) Uno dei sistemi piu vecchi; in funzione da piu di 13 anni senza problemi solar autonomous e no serbatoio solare ==> volano termico sul carico

17 Condizionamento sala seminari Collettori solari ad ariacome unica fonte di calore: 100 m2 Sistema DEC ( m3/h) con rotore al gel silicato no sistema back-up Condizionamento sala seminari (piccola sala riunioni) presso l edificio della camera di commercio di Friburgo/ Germania Sistema solare semplificato e semplice integrazione con l impianto di condizionamento no back-up, no serbatoio Schema promettente per edifici con alta correlazione tra carichi di condizionamento e radiazione solare

18 Condizionamento dell aria in un Hotel collettori PTC producono calore a 180 C (T H ): 180 m 2 aperture area Macchine ad assorbimento a doppio effetto (potenza frigorifera 116 kw, 4 bar vapor saturo; COP > 1.2) Condizionamento hotel e fornitura vapore alla lavanderia dell albergo back-up con boiler LPG a vapore sito: Dalaman (Turchia) Primo sistema con macchina a doppio effetto Alta efficienza di conversione Sistema interessante per siti con alta radiazione solare

19 Solar cooling: stato dell arte e prospettive Da precedenti attività di ricerca (IEA-SHC) : necessaria ulteriore ricerca applicata e sperimentazione (solo un centinaio di impianti). Obiettivo: sistemi e componenti. Forte crescita mercato ST in Europa: richiesta sistemi piccola capacità per residenziale o piccolo commerciale e grande capacità per commerciale/industriale. Soggetti industriali, maggior parte stranieri (Germania, Spagna): impegno di ricerca e sviluppo medio periodo. Piani di Ricerca & sviluppo industriale del settore in Europa: CIEMAT-Spagna (circa 40 mln ), Julich-Germania SolarThermie2000+

20 Solar cooling: attività in ambito internazionale Nascita di un nuovo gruppo di lavoro internazionale in ottobre 2006: Alto coinvolgimento dell industria Non solo condizionamento ma anche refrigerazione, Ridotto il carattere Europeo, Attività sviluppate per agevolare introduzione sul mercato dei sistemi di solar cooling (bottom-up approach) TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration

21 Attività IEA-SHC: Task 38 Pre-ingegnerizzazione sistemi di piccola capacità: applicazioni residenziale e commerciale. Obiettivo kit Solarcombi+ dove non sia richiesto ausilio progettista. Impianti di grandi dimesioni: esperienza di gestione e creazione di strumenti per la progettazione. Impianti dimostrativi. Sviluppo di nuovi componenti e sistemi innovativi: macchine di piccola taglia, torri evaporative, sistemi a high T lift. TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration

22 Solar cooling ad alto T-lift Sviluppo: PSE GmbH, Robur Spa, Fhg ISE, Polimi Collettori a concetrazione, siti a radiazione diretta prevalente Chiller acqua-ammoniaca condensato ad aria. No uso acqua COLLETTORE a concetrazione T OP >150 C ROBUR chiller assorbimento Singolo stadio 13,3kW, COP=0,65 (T EXT 30 C) Serbatoio freddo - ghiaccio, 0 C (TBD) Utenze industriali

23 MEDISCO - MEDiterranean food and agro Industry applications of Solar COoling technologies Refrigerazione Solare per il settore agro-industriale nei paesi della sponda sud del Mediterraneo. Progettazione, Installazione e otimizzazione di due sistemi impianti pilota in Nod Africa (Tunisia Cantina vinicola, Caseificio Marocco). Studio di potenziale per l applicazione della refrigerazione solare nel settore agro alimentare in Marocco, Egitto e Tunisia. Status: in fase di sviluppo; Durata: fino 09/2009 Supporto Finaziario FP6: European Commission DG Research Progetto sviluppato nell ambito del Mediterranean Renewable Energy Programme (MEDREP) Maggiori info:

24 e il Solar cooling in Italia?? Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC ottime opportunità di crescita nel prossimo decennio. Poche attività rivolte al condizionamento dell aria attraverso energia solare. Operatori ST riconoscono interesse ma posizione attendista. Pochi investimenti medio termine. Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo industriale e ricerca puntato sull industria nazionale anche in questo settore: es.spagnoli e tedeschi. Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere sfruttate: es. produzione macchine piccola capacità, sistemi di refrigerazione, impianti HVAC Diversi filoni di ricerca sperimentale sui sistemi piccola capacità e grandi dimensioni per il terziario. Presentazioni prossima sessione.

25 e il condizionamento dell aria in Italia Mercato Italiano dei RAC (dal 1990 a 1996 e stime del parco installato fino al 2020*) e proiezioni su dati reali di fatturato ** Stima parco installato RAC Proiezioni su dati di fatturato reali 8 Migliaia di unità Anno *fonte: Energy Efficiency of Room Air-Conditioners (EERAC)Study for the Directorate-General for Energy (DGXVII) of the Commission of the European Communities - May 1999 **fonte: Indagne statistica sul mercato dei componenti del mercato di condizionamento dell'aria - CO.AER. - da May 2003 a February w w w.coaer.it

26 e il Solar cooling in Italia?? Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC ottime opportunità di crescita nel prossimo decennio. Poche attività rivolte al condizionamento dell aria attraverso energia solare. Operatori ST riconoscono interesse ma posizione attendista. Pochi investimenti medio termine. Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo industriale e ricerca puntato sull industria nazionale anche in questo settore: es.spagnoli e tedeschi. Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere sfruttate: es. produzione macchine piccola capacità, sistemi di refrigerazione, impianti HVAC Diversi filoni di ricerca sperimentale sui sistemi piccola capacità e grandi dimensioni per il terziario. Presentazioni prossima sessione.

27 Sommario prestazione economica ed energetica Rispetto a una tecnologia convenzionale che usa sistemi a compressione: % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi che producono acqua refrigerata % di risparmi in termini di PE sono ottenibili per sistemi DEC Costi di investimento tra 1.5 e 2.5 volte piu elevati di sistema convenzionale Costi annuali circa % piu elevati per sistemi di piccole dimensioni (potenza frigorifera < 50 kw) e % per sistemi di grandi dimensioni Finanziamento del campo collettori di circa 200 /m 2 porta a situazioni vicine a cost break-even (i.e., il sistema si ammortizza durante l attesa di vita) Stato attuale SAC non sono economicamente competetitivi nella maggior parte dei casi; E necessario ulteriore sviluppo sia delle tecnologie solari che delle macchine refrigeranti per queste applicazioni per aumentare la competitività del settore; Necessità di incentivi in funzione della tipologia di utenza, della zona climatica, della struttura tariffaria. Che forme di aiuto sono piu adatte?

28 Sommario riduzione fabbisogno PE Sistemi autonomi e con back-up elettrico danno sempre luogo a riduzione fabbisogno PE. I secondi anche con basse SF al fine di ridurre consumo di energia elettrica. E spesso possibile riduzione di fabbisogno PE consistenti con sistemi back up a combustibile fossile (e.g. gas) anche rispetto alle macchine refrigeranti ad espansione diretta più efficienti. Sistemi con back-up alimentato a combustibile fossile (e.g. gas) devono rientrare in un determinato intervallo di SF per ottenere voluta riduzione PE Valori tipici campo collettori in rapporto area edificio uffici: 0,1 0,3 [m 2 /m 2 ] Valori tipici di campo collettori per tecnologia impiegata: Tecnologia Area collettori M edia Area coll DEC 5-20 [m 2 /1000 (m 3 /hour)] 8.2 [m 2 /1000 (m 3 /hour)] As - Adsorbimento 1-6 [m 2 /kw cold ] [m 2 /kw cold ]

29 Cosa resta da fare Standardizzzione sistemi piccole dimensioni. Sistemi solar combi plus Esperienza impianti grandi dimensioni per AC e refrigerazione Sviluppo di nuovi componenti e tipologi d impianto: Adsorbimento, nuovi DEC, diverse tipologie utenza Diffusione informazione/know-how TASK 38 Solar Air-Conditioning and Refrigeration

30 e il Solar cooling in Italia?? Italia il più vasto mercato di condizionamento dell aria d Europa. Prospettiva: non perderà il primato e di conseguenza aumenteranno gli effetti dovuti alla climatizzazione estiva: carico di rete, consumi energia, etc. Forte crescita mercato ST: trascinamento per SC ottime opportunità di crescita nel prossimo decennio. Poche attività rivolte al condizionamento dell aria attraverso energia solare. Operatori ST riconoscono interesse ma posizione attendista. No investimento medio termine. Mancanza di un piano organico di politiche di sviluppo industriale e ricerca puntato sull industria nazionale anche in questo settore: es.spagnoli e tedeschi. Esistono nicchie di sviluppo tecnologico che potrebbero essere sfruttate: es. produzione macchine piccola capacità, sistemi di refrigerazione, impianti HVAC Grazie per la vostra attenzione!!