Procedure di base finalizzate all efficienza energetica

Transcript

1 Energia del futuro: l efficienza nei sistemi energetici del territorio maggio 2014 Hotel Splendid Baveno, via Sempione 12 Procedure di base finalizzate all efficienza energetica prof. Marco Carlo Masoero Direttore Dipartimento Energia del Politecnico di Torino 1/47

2 Procedure di base finalizzate all efficienza energetica Esempi di interventi di efficienza energetica: settore industriale settore terziario (ospedaliero) settore residenziale 2/47

3 Procedure di base finalizzate all efficienza energetica Settore industriale 3/47

4 Usi elettrici finali (Provincia Torino Industria) previsione totale (asse ) mezzi di trasporto e settori collegati [GWh] meccanica chimica, cartaria, materiali costruzione beni e servizi persona/casa /47

5 Consumi termici ed elettrici energia termica energia elettrica [GWh] energia elettrica Consumi totali industria previsione energia termica [GWh] totale chimica, cartaria, materiali costruzione 5/47

6 Consumi totali per settore industriale 6/47

7 Consumi per fonte e per settore industriale 7/47

8 Ripartizione dei consumi di calore (settore industriale) 8/47

9 Fabbisogni di calore per livelli di temperatura e settore 9/47

10 Usi finali dell energia termica nell industria Riscaldamento ambientale; carico termico dovuto a: Dispersioni termiche involucro edilizio (isolamento) Ventilazione (recupero) Calore di processo sotto forma di: Vapore / olio diatermico Acqua calda / surriscaldata Aria / fumi caldi Produzione del freddo per: Climatizzazione estiva Esigenze di processo 10/47

11 Recupero termico nell industria: sorgenti Notevole quantità di energia termica di scarto da: 11/47

12 Recupero termico nell industria: scopo e vincoli Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo Riutilizzo dei cascami temici per: Produzione elettrica (impianto ORC) Produzione del freddo (macchina ad assorbimento) Produzione di calore tramite pompa di calore (calore di recupero = sorgente termica a bassa temperatura) Recupero rigenerativo da aria espulsa o cappe aspiranti per preriscaldamento dell aria di ventilazione 12/47

13 Riutilizzo tramite ottimizzazione di processo Numerosi processi industriali presentano domanda contemporanea di calore e freddo. Esiste possibilità di scambio termico tra fluidi che devono essere raffreddati e fluidi che devono essere riscaldati. Si trae vantaggio da risorse che derivano dai processi produttivi riducendo la quantità di risorse esterne. Occorre prevedere un impianto di recupero termico costituito da un numero elevato di scambiatori di calore (rete di scambiatori) La verifica della fattibilità tecnica del recupero termico e il tracciamento della rete di scambiatori di calore possono essere ottenuti con la pinch analysis. 13/47

14 Applicazione della pinch analysis a un processo metallurgico Possibilità di ridurre di oltre il 50% il fabbisogno di calore e circa 30% il fabbisogno di freddo. T di Pinch 951,3kW 6,887 kw/k C III 152,9 C IV C1 158,1 C 168,8 C V 19,1 C C2 19,1 C C3 19,1 C VI 149 C C4 19,1 C 0,845 kw/k C 0,409 kw/k 230 C 62,4 C 19,1 C II VII C5 36,6kW I 0,436 kw/k 6,312 kw/k C VIII 121,2 C C6 19,1 C 644,6 kw 1,838 kw/k C 19,1 C C7 204 kw 450 C H1 141 kw 450 C H2 120,1kW 450 C H3 158,7 kw 450 C I 450 C 161,2 kw II 151,3 kw 220 C 220 C 220 C 220 C 220 C 150 C 1,739 kw/k 15 C8 19,1 C 228 kw 50 C 25 C VIII 5 19,89 kw/k 497,3 kw III 18 C 6 0,657 kw/k 132,7 kw IV 18 C 7 0,613 kw/k 123,8 kw V 105,4 kw 18 C 8 0,522 kw/k VI 18 C 9 0,69 kw/k 139,4 kw VII 18 C 10 0,701 kw/k 141,6 kw 14/47

15 Applicazione della pinch analysis a pulp and paper industry Possibilità di ridurre significativamente il fabbisogno di energia primaria (21%), anche attraverso l integrazione di pompe di calore nel processo industriale. 15/47

16 Impianti Ciclo Rankine a Fluido Organico (ORC) Gli impianti ORC sono adatti a produzione elettrica da fonti di calore: a temperatura medio-bassa per le quali non sarebbe conveniente impiegare i cicli a vapore d acqua tradizionali di limitata entità fortemente variabili Tali impianti possono quindi essere alimentati sia da calore di recupero da processi industriali, sia da calore prodotto da fonti rinnvabili (ad es. Biomasse, geotermia a bassa entalpia, ecc.) 16/47

17 Ciclo Termodinamico Pre-riscaldo fluido di lavoro (7-3) Evaporazione sfruttando calore di recupero (3-4) Espansione in turbina (4-5) Passaggio a stato liquido in condensatore aria / acqua (5-8) Eventuale rigenerazione (5-8, 2-7) 17/47

18 Applicazioni ORC a recupero termico Recupero da gas caldi tramite fluido intermedio (olio diatermico, acqua pressurizzata o vapore) Recupero da effluenti liquidi: scambio diretto fra sorgente di calore primaria e fluido di lavoro ORC Inserimento del recuperatore in by-pass Fluidi di lavoro: Polisilossani per T > 250 C Fluidi refrigeranti per T < 250 C 15 / IL RECUPERO DE CALORE NEL PROCESSO INDUSTRIALE / MASOERO 18/47

19 ORC: Applicazione a un cementificio Sorgenti termiche disponibili: Gas di combustione del forno (a valle del preriscaldo delle materie prime) con temperature di C Aria di raffreddamento del clinker a temperature più basse (< 300 C) 19/47

20 ORC: applicazione a un forno ad arco elettrico 20/47

21 Stima della produzione elettrica potenziale Togliamo?? Cemento Siderurgia Vetro Produzione (Mt/yr) Energia termica (kwh t /t) Rendimento 0,18 0,18 0,18 Penetrazione tecnologia Producibilità elettrica (GWh e /yr) 30% 30% 30% /47

22 Freddo prodotto con macchina ad assorbimento H 2 O LiBr 22/47

23 Recupero parziale del calore di condensazione da macchina frigorifera Calore recuperato (desurriscaldatore) Calore disperso (condensatore) Produzione di freddo (evaporatore) 23/47

24 Unità di trattamento aria con recuperatore di calore Recuperatore aria-aria Recupero di calore sensibile: aria-aria a fluido intermedio Recuperatore rotativo Recuperatore sensibile + latente rotativo 24/47

25 Recupero attivo con pompa di calore (per ventilazione) Una soluzione più evoluta è il recuperatore attivo, basato sulla pompa di calore aria-aria, in cui l aria espulsa rappresenta la sorgente termica a bassa temperatura nel regime di riscaldamento e il pozzo termico ad alta temperatura nel regime di raffreddamento 25/47

26 Procedure di base finalizzate all efficienza energetica Settore ospedaliero 26/47

27 Consumi Energetici dei Presidi Ospedalieri Piemontesi Consumi energetici elevati ( consumi elettrici rilevanti ) Complessità nell identificare un comportamento energetico comune L ospedale è un PROCESSO INDUSTRIALE 27/47

28 L ospedale San Giovanni Bosco Asl To2 Fig. 2 Vista dall alto San Giovanni Bosco TO CARATTERISTICHE EDILIZIE OSPEDALE SAN GIOVANNI BOSCO ASLTO2 V L tot Volume lordo totale (mc) V L ft Volume lordo globale piani fuori terra (mc) V L int Volume lordo globale piani interrati (mc) S L tot Superficie lorda totale (mq) S D Superficie d'involucro disperdente (mq) S V Superficie vetrata (mq) 4500 S L ris. Superficie lorda riscaldata (mq) S L cond. Superficie lorda condizionata (mq) N pl Numero posti letto 323 Fig. 1 Vista frontale San Giovanni Bosco TO E in atto un processo di ristrutturazione Riqualificazione centrale termica Ampliamento dell ingresso e nuovi locali (spostamento di alcuni reparti) Realizzazione ascensori esterni. 28/47

29 Consumi Energetici Annuali Ospedale S. Giovanni Bosco FABBISOGNO TERMICO (Bollette di consegna del GASOLIO CONTENUTO TERMICO) FABBISOGNO ELETTRICO ( Dati di misura AEMD) DATI CLIMATICI (A.r.p.a stazione di misura CASELLE TO) FABBISOGNO ENERGETICO ANNUALE MISURATO [MWh] [G.G] Energia elettrica Contenuto termico gasolio Gradi giorno riscaldamento effettivi Gradi giorno riscaldamento UNI 29/47

30 Fabbisogno Termico Mensile CONSUMI TERMICI (contenuto termico) A CONFRONTO TRIENNIO CRITICITA RISCONTRATE Difficoltà nell identificare un profilo medio di consumo dovuto alla gestione variabile degli stoccaggi del combustibile. Errore rilevante commesso nei mesi estivi (Capacità di stoccaggio coincidente con il quantitativo consegnato). PROFILI TERMICI DI ALTRI PRESIDI Sulla base dei profili termici mensili ricavati da altri presidi analoghi si ricostruisce il profilo tipo del San Giovanni Bosco. 30/47

31 Fabbisogno Termico Mensile 31/47

32 Fabbisogno Elettrico Mensile CONSUMI ELETTRICI MENSILI TRIENNIO Dati misurati (A.E.M.D) Consumi elettrici rilevanti nei mesi estivi (condizionamento per mezzo di Unità Trattamento Aria) CONSUMO ELETTRICO MENSILE TIPO DEL PRESIDIO Il fabbisogno elettrico mensile viene determinato sulla base dei dati misurati nel triennio di riferimento. 32/47

33 Efficienza Energetica Casi di Studio SCENARIO DI RIFERIMENTO Fabbisogno Termico Annuo (riconversione metano) MWh Fabbisogno Termico Frigorifero Annuo MWh Fabbisogno Elettrico Annuo MWh 33/47

34 Efficienza Energetica Casi di Studio SCENARI PROPOSTI 1. COGENERAZIONE (CHP 637 kw CHP 835 kw) VARIAZIONE DEL NUMERO DI ORE DI FUNZIONAMENTO (5000h / 6000h) per ciascuno. A SEGUIRE SI EFFETTUANO LE 4 VARIAZIONI DELLO SCENARIO 1 SU OGNI TECNOLOGIA 2. TRIGENERAZIONE (Assorbitore 350 kwf COP 0.76) 3. TRIGENERAZIONE + FOTOVOLTAICO (100 kw) 4. TRIGENERAZIONE + FV + POMPE DI CALORE AD ACQUA DI FALDA (2 x 600 kwf ) EER = 6.4 (Energy Efficiency Ratio) 5. TRIGENERAZIONE + FOTOVOLTAICO + PARZIALE SOSTITUZIONE A LED DEI CORPI ILLUMINANTI Per un totale di 20 scenari studiati 34/47

35 Scenario 1: CHP 835 CHP ore FABBISOGNO DI RIFERIMENTO Utenza frigorifera chiller elettrico 12,4% Energia elettrica fornita al carico 14,7% Energia elettrica ceduta alla rete 0,5% Integrazione elettrica necessaria 19,7% TEP /anno: MWh /anno: TCO2 /anno: SCENARIO PROPOSTO TEP evitate/anno: 243 (9%) MWh evitati/anno: TCO2 evitate/anno: 647 (11%) Integrazione termica necessaria 37,1% Calore recuperato 15,8% PES: 26,0% MWh totali del grafico: /47

36 Scenario 2: CHP Assorbitore 350 kwf CHP ore + ASSORBITORE 350 kwf Utenza frigorifera assorbitore 7,3% Utenza frigorifera chiller elettrico 5,1% Energia elettrica fornita al carico 18,7% Energia elettrica ceduta alla rete 1,1% Integrazione elettrica necessaria 9,3% FABBISOGNO DI RIFERIMENTO TEP /anno: MWh /anno: TCO2 /anno: SCENARIO PROPOSTO TEP evitate/anno: 494 (19%) MWh evitati/anno: TCO2 evitate/anno: 799 (13%) Integrazione termica necessaria 36,3% Calore recuperato 22,2% PES: 26,0% MWh totali del grafico: /47

37 Scenario 4: CHP Assorbitore 350 kwf + FV 100 kw Utenza frigorifera assorbitore 7,3% CHP ore + ASSORBITORE 350 kwf + FV 100 kw Utenza frigorifera chiller elettrico 5,1% Integrazione elettrica Fotovoltaico 0,4% Energia elettrica fornita al carico 18,5% Energia elettrica ceduta alla rete 1,4% FABBISOGNO DI RIFERIMENTO TEP /anno: MWh /anno: TCO2 /anno: SCENARIO PROPOSTO TEP evitate/anno: 494 (19%) MWh evitati/anno: Integrazione termica necessaria 36,2% Calore recuperato 22,1% Integrazione elettrica necessaria 9,1% TCO2 evitate/anno: 846 (14%) PES: 26,0% MWh totali del grafico: /47

38 Scenario 4: CHP Assorbitore 350 kwf + FV 100 kw + PdC 1200 kwf CHP ore + ASSORBITORE 350kWf + FV 100 kw + POMPE DI CALORE (TOT 1200 kwf) FABBISOGNO DI RIFERIMENTO TEP /anno: Utenza frigorifera assorbitore 7,3% POMPA DI CALORE 5,1% Integrazione elettrica Fotovoltaico 0,4% Energia elettrica fornita al carico 18,1% Energia elettrica ceduta alla rete 1,8% MWh /anno: TCO2 /anno: SCENARIO PROPOSTO TEP evitate/anno: 493 (19%) MWh evitati/anno: TCO2 evitate/anno: 979 (16%) Integrazione termica necessaria 36,5% Calore recuperato 22,3% Integrazione elettrica necessaria 8,4% PES: 26,0% MWh totali del grafico: /47

39 Scenario 5: CHP Assorbitore 350 kwf + FV 100 kw + LED Utenza frigorifera assorbitore 7,3% CHP ore + ASSORBITORE 350 kwf + FV 100 kw + LED Utenza frigorifera chiller elettrico 5,1% Integrazione elettrica Fotovoltaico 0,4% Energia elettrica fornita al carico 17,7% Energia elettrica ceduta alla rete 2,3% FABBISOGNO DI RIFERIMENTO TEP /anno: MWh /anno: TCO2 /anno: SCENARIO PROPOSTO TEP evitate/anno: 493 (19%) MWh evitati/anno: Integrazione termica necessaria 36,5% Calore recuperato 22,3% Integrazione elettrica necessaria 8,4% TCO2 evitate/anno: (17%) PES: 26,6% MWh totali del grafico: /47

40 Beneficio Ambientale Ottenuto 40/47

41 Procedure di base finalizzate all efficienza energetica Settore residenziale 41/47

42 Settore residenziale In Italia si contano circa 13 milioni di edifici, di cui l 85% sono a destinazione residenziale, in buona parte piccoli edifici mono- e bi-familiari (circa 9 milioni). Il tasso annuo di incremento del patrimonio costruito è dell ordine dell 1% In termini di energia primaria, il consumo energetico degli edifici esistenti, è pari a circa 84 Mtep (45% del fabbisogno nazionale) Degli 84 Mtep poco meno di 14 Mtep sono attribuibili al processo di costruzione e poco più di 70 Mtep all esercizio del costruito In termini di usi finali, gli edifici per il terziario incidono sui consumi per il 38% (16 Mtep), quelli residenziali per il 62% (26 Mtep) Nel settore terziario il 45% degli usi finali sono sotto forma di energia elettrica; nel settore residenziale l energia elettrica incide per il 22% 42/47

43 Settore residenziale Le unità abitative sono circa 28 milioni e il consumo energetico medio annuo di una unità abitativa è stimato intorno a kwh di energia termica, prodotta utilizzando combustibili fossili e utilizzata per climatizzazione invernale e produzione di acqua calda sanitaria kwh di energia elettrica, utilizzata per climatizzazione estiva, illuminazione, produzione di acqua calda sanitaria ed elettrodomestici Per il patrimonio edilizio costruito prima della recente normativa sul contenimento dei consumi energetici per climatizzazione invernale, si stima che in 50 anni la bolletta energetica di una abitazione assomma a circa la metà del costo di costruzione Nel terziario i costi di costruzione sono più elevati, ma anche la bolletta energetica è più elevata per la maggiore incidenza del consumo di energia elettrica 43/47

44 Potenziale di intervento sul settore residenziale INTERVENTI Caso base (sulla base dei elaborazione database ISTAT di dettaglio) Isolamento della copertura (edifici ante 1961) Isolamento delle superfici verticali opache (edifici costruiti tra il 1961 e il 1981) Sostituzione degli infissi (edifici ante 1981) Applicazione di tutti gli interventi all intero parco edilizio Politecnico di Torino DENERG Sistemi per l Energia e l Ambiente 44/47

45 Potenziale di intervento sul settore residenziale Provincia di Torino Fabbisogno energia netta Provincia di Torino Politecnico di Torino DENERG Sistemi per l Energia e l Ambiente % 19% 34% GWh Limite 61% 0 Base Coperture Coperture e muri Coperture, muri, infissi 45/47

46 Potenziale di intervento sul settore residenziale Provincia di Cuneo Fabbisogno energia netta Provincia di Cuneo Politecnico di Torino DENERG Sistemi per l Energia e l Ambiente GWh % 19% 29% Base Coperture Coperture e muri Coperture, muri, infissi Limite 58% 46/47

47 Grazie per l attenzione! marco.masoero@polito.it 47/47