Generazione di energia distribuita Verso l nzeb

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1 Prof.ssa Matilde Pietrafesa Università Mediterranea Reggio Calabria Dipartimento DIIES dell Informazione, delle Infrastrutture e dell Energia Sostenibile Generazione di energia distribuita Verso l nzeb 11/03/2016 1

2 Generazione distribuita Oltre che con i grandi impianti di potenza, l energia può essere prodotta in applicazioni di generazione distribuita, per alimentare utenze domestiche o commerciali e, nel contempo, generare energia da immettere nella rete nazionale. Sono particolarmente adatti i settori residenziale, dell'agricoltura, del turismo e della piccola e media impresa.

3 Fonti energetiche più idonee Sia l energia fotovoltaica che quella eolica si prestano particolarmente a questi usi. Le due fonti scontano tuttavia i limiti rispettivi di intermittenza e aleatorietà, potendo essere sfruttate solo limitatamente al periodo di insolazione diurna (fotovoltaico) o in aree ad adeguata ventosità (eolico).

4 Terza rivoluzione industriale Riprogettazione energetica del ruolo delle città: una riforma radicale, indicata come Terza Rivoluzione Industriale (Rifkin, 2010). Poggia su alcuni assunti di base riguardo al settore energetico: il definitivo passaggio all energia rinnovabile la microgenerazione (netzeb) una grande rete di distribuzione accessibile a tutti (Smart Grid) la mobilità elettrica, con trasporti non alimentati da combustibili fossili l idrogeno come vettore energetico per l accumulo di energia

5 Nearly zero-energy building (nzeb) (Direttiva 2010/31/EU) Nearly zero-energy building means a building that has a very high energy performance. The nearly zero or very low amount of energy required should be covered to a very significant extent by energy from renewable sources, including energy from renewable sources produced on-site or nearby

6 DIRETTIVA 2010/31/UE Edificio ad energia quasi zero (Nearly Zero Energy Building) edificio ad altissima prestazione energetica, il cui fabbisogno energetico molto basso o quasi nullo dovrebbe essere coperto in misura molto significativa da energia prodotta da fonti rinnovabili a) entro il 2020 tutti gli edifici di nuova costruzione b) entro il 2018 gli edifici di nuova costruzione occupati o di proprietà di Enti pubblici Edificio ad energia netta zero (Net Zero Energy Building) Edificio il cui consumo globale di energia primaria è uguale o minore dell energia prodotta in situ da fonti rinnovabili

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8 Bilancio di energia dell edificio PRELEVATA Metano Gasolio Biomassa Calore Elettricità PRODOTTA Elettricità Calore Biomassa

9 Produzione di energia primaria rinnovabile (kwh/m 2 anno) L edificio a energia zero Linea produzione = consumo Punto di partenza Punti di arrivo Efficienza energetica Consumo di energia primaria (kwh/m 2 anno) per climatizzazione, ACS, illuminazione, apparecchiature elettriche e elettroniche

10 Percorso verso il net zero energy building Una volta apportati tutti i possibili interventi atti ad accrescere l efficienza energetica e ridurre quindi le importazioni di energia (delivered energy), non si può più raggiungere la retta del bilancio nullo riducendo ulteriormente i consumi, ma è necessario produrre energia da fonti rinnovabili(energy supply)

11 Primary energy credit [kwh m -2 y -1 ] Verso l nzeb Aggiunta pannelli PV Solare termico (DHW) Impianto Interventi edificio Primary energy needs [kwh m -2 y -1 ] Situazione iniziale Per avvicinarsi all ideale di edificio a energia quasi zero è quindi necessario: 1. Migliorare le prestazioni dell edificio, in modo da ridurre i fabbisogni 2. Migliorare le prestazioni dell impianto, in modo da ridurre i consumi di energia primaria 3. Introdurre sistemi che sfruttino le Energie Rinnovabili

12 Consumi nel settore ed Riscaldamento Raffrescamento Produzione acqua calda sanitaria Illuminazione Funzionamento apparecchiature e Cottura cibi 11/03/

13 Fabbisogni energetici in edilizia Energia termica Energia elettrica

14 Interventi in edilizia

15 a) incremento dell efficienza energetica

16 Efficienza del sistema edificio-impianto Dal punto di vista energetico il sistema edilizio è costituito da una componente attiva (gli impianti) e da una passiva (l edificio e l ambiente). L efficienza energetica del sistema edificio impianto è tanto più elevata quanto minore è il consumo di energia necessario per il mantenimento delle condizioni ambientali di benessere termico L attenzione va rivolta sia alle potenzialità dell edificio nel ridurre il lavoro degli impianti, che alla scelta delle tecnologie impiantistiche più efficienti.

17 Edificio energeticamente efficiente Un edificio energeticamente efficiente è tale per cui le strategie progettuali, costruttive e di utilizzo sono finalizzate a minimizzare il ruolo della componente attiva ed a massimizzare quello della componente passiva, garantendo le condizioni di comfort desiderate.

18 Cosa accresce i consumi energetici? L incremento dei consumi energetici è dovuto essenzialmente a: a) dispersione termica b) bassa efficienza energetica delle utenze c) incremento del numero di apparecchi elettrici d) comportamento degli utenti

19 Interventi sull involucro Un edificio mal isolato fa crescere notevolmente i consumi poiché l ambiente è soggetto ad elevate dispersioni di calore: a) verso l esterno nei mesi freddi, con aumento delle spese per il riscaldamento b) verso l interno nei mesi caldi, con aumento delle spese per il raffrescamento E necessario quindi limitare il fabbisogno energetico attraverso un involucro che sfasi e smorzi l onda termica in ingresso. Isolare adeguatamente un edificio può far risparmiare fino al 30% delle spese di riscaldamento/raffrescamento

20 Interventi di miglioramento dell efficienza degli impianti L efficienza energetica di un impianto termico dipende dai singoli componenti (produzione del calore, distribuzione, emissione, regolazione e controllo). Sistemi di produzione: pompe di calore e caldaie a condensazione sono più efficienti dei sistemi tradizionali Sistemi di distribuzione e regolazione: è fondamentale la coibentazione delle tubazioni e l utilizzo di valvole termostatiche Emissione: è bene utilizzare, soprattutto per il caso invernale, soluzioni impiantistiche a bassa temperatura (pannelli radianti)

21 Uso di elettrodomestici ad alta efficienza e domotica Utilizzo di elettrodomestici ad alta efficienza: grazie alla certificazione degli apparecchi è possibile conoscerne in anticipo le prestazioni energetiche Utilizzo di strumenti di automazione dell edificio/domotica (building automation): gestione automatizzata dei dispositivi che consumano energia (ottimizzazione delle prestazioni, gestione temporizzata degli impianti termici, gestione degli stand-by degli apparecchi elettrici, ecc.) Inoltre non è da sottovalutare l aspetto psicologico sull utente che è consapevole di quanto consumi.

22 Possibili interventi di riduzione del fabbisogno a) interventi sull involucro (isolamento, sfruttamento delle capacità termiche delle strutture, ecc.) b) incremento dell efficienza energetica degli impianti (nei sistemi di climatizzazione, negli elettrodomestici, recupero termico, ecc.)

23 Interventi sull involucro

24 Interventi sugli impianti

25 Gli interventi saranno diversamente realizzabili in: Edifici di nuova costruzione Edifici esistenti

26 b) uso di fonti rinnovabili Gli interventi sull efficienza negli usi finali dell energia costituiscono sicuramente una condizione necessaria, ma in una prospettiva di lungo termine un ruolo decisivo è rivestito dall utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili E necessaria pertanto una significativa copertura della richiesta energetica (termica o elettrica) tramite produzione in situ da fonti rinnovabili (solare termico, pompe di calore, teleriscaldamento, ecc.)

27 Obbligo dell uso di fonti rinnovabili in edilizia Obbligatorio impianto solare termico per coprire il 50% del fabbisogno di acqua calda sanitaria Obbligatorio impianto fotovoltaico con potenza P = S/K S = Superficie in pianta dell edificio K = 50 a pieno regime del decreto, 65 fino al (A regime 2 kw ogni 100 m 2 ).

28 Fonti energetiche utilizzabili per la generazione distribuita Produzione di energia elettrica: Energia solare Energia eolica Produzione di energia termica: Energia solare Energia geotermica

29 Cogenerazione 11/03/

30 Sfruttamento dell energia solare Tale risorsa può essere utilizzata per: a) Produrre acqua calda a bassa temperatura b) Alimentare impianti di solar cooling c) Produrre energia elettrica Riscaldamento Raffrescamento Produzione di energia elettrica Collettore solare Solar cooling Impianto fotovoltaico

31 Collettore solare Vengono utilizzati per produrre acqua calda a temperatura che può raggiungere 80 C Le parti che lo compongono sono essenzialmente tre: serbatoio pannello solare Il pannello solare: trasferisce il calore dalla luce solare all'acqua Il serbatoio: per contenere l'acqua La pompa: per la circolazione dell'acqua. pompa

32 Pannelli radianti

33 Solar cooling L energia termica serve alla produzione del freddo, utilizzando cicli frigoriferi ad assorbimento.

34 Esempio profili annuali

35 Esempio di profili giornalieri

36 Sistemi fotovoltaici Si basano sulla capacità di materiali semiconduttori, opportunamente trattati (drogati), di convertire l energia della radiazione solare in energia elettrica

37 Moduli fotovoltaici inseriti negli edifici come elementi di rivestimento in sostituzione di componenti tradizionali

38 Microeolico Piccoli impianti per la produzione energetica ad uso domestico con potenza nominale < 20 kw In genere utilizzano aerogeneratori ad asse verticale, che presentano tutta l attrezzatura meccanica di controllo a livello del suolo, più gestibili dal punto di vista della manutenzione

39 Tipologie di microeolico Asse verticale Asse orizzontale

40 Geotermia Uso del terreno come sorgente calda o fredda per la climatizzazione

41 Sonde Geotermiche

42 Sfruttamento della biomassa

43 Benefici ambientali Per ogni kwh prodotto da fonte rinnovabile (non prodotto da fonte fossile) si evita l emissione di 700 g di CO 2 Nell arco della vita utile di un impianto familiare si evitano: 40 tonnellate di CO 2

44 Gestione smart degli impianti e della rete elettrica Sistemi di autoproduzione distribuita (nzeb) Domotica Smart grid per l energia elettrica Smart management di sistemi di illuminazione

45 Smart Grid

46 Smart grid

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48 Accumulo energetico L'immagazzinamento (o stoccaggio) dell'energia consiste in una serie di tecniche e processi che permettono di concentrare, su supporti diversi, differenti forme di energia per essere utilizzate successivamente. I sistemi di stoccaggio in uso commerciale oggi possono essere classificati in meccanici, elettrici, chimici, biologici, termici.

49 Batterie e celle a combustibile Una soluzione al problema di immagazzinare energia ai fini elettrici è fornita dalle batterie, un dispositivo di accumulazione elettrochimico. Hanno tuttavia piccola capacità e costi elevati. Altri dispositivi elettrochimici sono le celle a combustibile, per convertire l energia stoccata sotto forma di idrogeno.

50 Vari tipi di Batterie Batterie alcaline Batterie al litio Batterie al litio-polimero Batterie al nichel-cadmio Batterie al nichel-metallo idruro Batterie zinco-carbone