GREEN DAYS. Aerotermia, geotermia, eolico. Comune di Collecchio (PR) 21 e 22 settembre Ing. Piergiuseppe Froldi

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1 GREEN DAYS Comune di Collecchio (PR) 21 e 22 settembre 2013 Aerotermia, geotermia, eolico Ing. Piergiuseppe Froldi Collecchio (PR) 21 Settembre 2013 Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 1

2 L origine: La Direttiva Europea 2002/91/CE Il recepimento nazionale Abbiamo visto che le origini giuridiche dell utilizzo delle fonti energetiche rinnovabili in Italia sono databili con l avvento del Decreto Legislativo 192 del 19 Agosto 2005 in vigore dal 8 Ottobre successivamente integrato dal Decreto Legislativo 311/2006 in vigore dal 3 Febbraio Abbiamo anche visto che la normativa regionale in Emilia Romagna cita nell allegato 1, sotto la definizione di fonti di energia rinnovabile (fonti non fossili) l energia solare, eolica, geotermica, aerotermica. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 2

3 Definizione di ENERGIA Abbiamo anche definito l energia: l energia è uno stato della materia: è la grandezza fisica che misura la capacità di un corpo o di un sistema di compiere lavoro, a prescindere dal fatto che tale lavoro sia effettivamente svolto. Il termine energia deriva dal tardo latino energia, a sua volta dal greco energheia. Energia è calore, movimento, lavoro, flusso elettrico, flusso idrico, ecc. Energia è tutto ciò che ci permette una funzione TERMICA, ELETTRICA, MECCANICA. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 3

4 Cosa significa RINNOVABILE? Vuole significare che ai tempi della scala temporale umana l energia riesce a rinnovarsi; ciò non è vero per le fonti fossili ma è vero per le fonti rinnovabili.. Infatti le fonti fossili abbisognano di milioni di anni per rinnovarsi, si pensi al petrolio e al gas naturale o al carbone. e si bruciano in breve tempo inquinando l ambiente. Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 4

5 La regina delle FONTI RINNOVABILI C è un energia che invece si rinnova ogni giorno su tutto il pianeta, ed è l energia solare Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 5

6 L ENERGIA SOLARE - caratteristiche L energia solare è abbastanza democratica, ovvero abbastanza ben distribuita su tutto il globo terracqueo abitabile. Il sole irradia in media, alle soglie della atmosfera terrestre, una valore pari a circa 1367 W/mq (costante solare) e distribuita disunirmemente dall equatore ai poli secondo lo spettro solare. Il valore medio dell irraggiamento solare (insolazione) che considera la sfericità della terra, è pari a 200 W/mq. Ma perchè ci interessa il sole? Perché esso è padre di almeno due energie rinnovabili che andiamo a esaminare, l energia aerotermica e quella l eolica Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 6

7 L energia AEROTERMICA L energia aerotermica è l energia termica che si rinnova quotidianamente e stagionalmente grazie all irraggiamento solare sull atmosfera e alla circolazione atmosferica che redistribuisce il calore così immagazzinato... Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 7

8 Il CALORE NELL ARIA Il calore contenuto nell aria è variabile durante il decorso del giorno e delle stagioni, oltre che essere variabile in funzione della latitudine e del clima. In generale però il contenuto energetico dell aria è piuttosto modesto; esso è esprimibile con la grandezza fisica entalpia che è la quantità di energia che un sistema termodinamico può scambiare con l ambiente. È per questo che l entalpia dell aria atmosferica è denominata bassa entalpia. Per poterla raccogliere dobbiamo utilizzare speciali macchine chiamate: POMPE DI CALORE Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 8

9 Le POMPA DI CALORE - PdC Le Pompe di Calore sono macchine generalmente alimentate ad energia elettrica che effettuano un trasporto termico, da un pozzo termico a bassa temperatura (ambiente esterno invernale) ad un ambiente a maggiore temperatura (ambiente interno) sono sostanzialmente frigoriferi al contrario. Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/2013 9

10 Il FUNZIONAMENTO delle Pompe di Calore Le Pompe di Calore funzionano quindi con il seguente principio semplificato con poche componenti essenziali: un compressore, un condensatore, una valvola di laminazione e un evaporatore. FRIGORIFERO Unità tecnologiche POMPA DI CALORE Unità tecnologiche T c Condensatore Pozzo esterno a T maggiore Condensatore Ambiente interno da riscaldare Q c = caldo C L = Q2 Compressore Compressore Q e =freddo T e Evaporatore Ambiente interno da raffreddare Evaporatore pozzo esterno a T minore Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

11 Il VANTAGGIO delle Pompe di Calore Effettuando un trasporto termico (di calore), le PdC svologono il seguente lavoro di trasporto a spese dell energia Q2: Energia gratuita Q1 (quella sottratta al pozzo termico aria, acqua o suolo) + Energia elettrica Q2 (SPESA ENERGETICA - quella prelevata dalla rete elettrica) = Energia termica Q3 (RESA ENERGETICA - quella resa all ambiente da riscaldare). Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

12 Il CONTATORE DEDICATO alle PdC Nei casi in cui l installazione di una pompa di calore elettrica per la climatizzazione invernale comporti una richiesta di maggior potenza rispetto, ad esempio, al contratto residenziale standard da 3,3 kw, si può richiedere un contatore dedicato alla PdC (Delibera 30/2008 dell AEEG). Il secondo contatore ha tariffa BTA (Bassa Tensione Altri Usi), che prevede un importo fisso agevolato per kwh, indipendente dalla quantità di energia consumata. Per i clienti residenziali la tariffa BTA gode inoltre dell'iva agevolata al 10%. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

13 L utilizzo al meglio delle PdC Il rendimento delle PdC si esprime attraverso il parametro Coefficient di Prestazione o COP (Coefficient of Performance). COP = Q3 / Q2 oppure: COP = L / Q c = lavoro del compressore / resa al condensatore Generalmente nelle macchine moderne il COP vale oltre (da non confondersi con il rendimento delle caldaie), quindi vuol dire che per ogni unità di energia elettrica spesa si producono unità di calore disponibile all ambiente. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

14 Il valore minimo del COP Però per produrre il lavoro del compressore (L o Q2) occorre fornire energia elettrica, che è una energia di prima specie ovvero un energia pregiata. Sappiamo che il rendimento del sistema termoelettrico nazionale è attualmente pari a circa 0,46 (46%), ovvero per ogni unità di energia fossile bruciata (kwh) si ottengono 0,46 unità di energia elettrica (kwh el ), perciò per fare una unità di energia elettrica pregiata (kwh el ) occorrono circa 2,17 kwh di energia fossile. Questo è il valore minimo che devono avere le PdC per essere competitive energeticamente con la macchine termiche a combustione come le caldaie. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

15 Gli impianti a PAVIMENTO Le Pompe di Calore così come le caldaie a condensazione per ottimizzare il loro funzionamento esigono sistemi di emissione a bassa temperatura come i pannelli radianti a pavimento... Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

16 EFFICIENZA delle PdC ad aria Le PdC ad aria hanno raggiunto ormai ottimi valori di COP, però il loro funzionamento e rendimento risente ancora: 1) delle basse temperature invernali dell aria esterna dalla quale sottraggono il calore 2) dell elevata umidità invernale dell aria esterna che le costringe a sprecare energia per evitare il gelo sulle serpentine di scambio dell evaporatore posto all esterno. Per contro sono più economiche delle PdC ad acqua e geotermiche e occupano meno spazio. Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

17 L energia GEOTERMICA C è un altro modo di utilizzare le PdC effettuando un trasporto termico: l uso della fonte geotermica a bassa entalpia. In questo caso le fonti di calore che si sfruttano sono entrambe nel sottosuolo e di due tipi diversi: 1) il calore del terreno, è il caso della geotermia a circuito chiuso (closed loop) 2) il calore dell acqua sotterranea di falda, è in caso della geotermia a circuito aperto (open loop). Per bassa entalpia geotermica si intende il calore presente nel sottosuolo con temperature inferiori a , generalmente compreso tra 10 e 20, salvo che nelle zone termali. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

18 Altri sistemi geotermici ALTA ENTALPIA Oltre a quello notoriamente conosciuto di Larderello, vi sono altre realizzazioni importanti di elevata potenza, per esempio lo sfruttamento delle Hot Dry Rocks o la perforazione di sonde al alta profondità (oltre 1000 m). Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

19 Sistemi geotermici a CIRCUITO CHIUSO Nei sistemi a scambiatore geotermico - sistemi a circuito chiuso (closed-loop), ovvero sistemi in cui il terreno è il pozzo termico, si realizzano sonde geotermiche orizzontali o verticali (tra cui si annoverano anche le fondazioni geotermiche) in cui estrarre (fase invernale) o re-immettere (fase estiva), il calore di climatizzazione invernale o estiva. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

20 Sistemi geotermici a CIRCUITO APERTO Nei sistemi ad estrazione di acqua di falda - sistemi a circuito aperto (open-loop), detti anche di presa-resa, ovvero sistemi in cui l acqua di falda è il pozzo termico, si realizza un pozzo di estrazione e un pozzo (o un corpo idrico superficiale) di reimmissione, da cui prelevare e re-immettere l acqua di falda. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

21 FUNZIONAMENTO di un impianto geotermico? Un impianto geotermico si serve di una Pompa di Calore (PdC) che effettua le seguenti operazioni (vedi anche la successiva diapositiva) di trasporto termico: 1) ciclo estivo - funzionamento in modalità frigorifera = estrazione del calore dall ambiente da refrigerare (a bassa temperatura) e restituzione dello stesso al pozzo termico a più elevata temperatura (terreno o acqua di falda) 2) ciclo invernale - funzionamento in modalità PdC = estrazione del calore dal pozzo termico a bassa temperatura (terreno o acqua di falda) e restituzione dello stesso all ambiente da riscaldare. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

22 Lo SCAMBIO GEOTERMICO Il calore va estratto e/o restituito da/a un pozzo termico in cui: 1) la temperatura (Te) sia la più prossima a quella dell'ambiente nel quale restituire l'energia termica prelevata ovvero vi sia un innalzamento di temperatura (da Te a Tc) il più basso possibile; 2) l escursione di temperatura stagionale sia la più ridotta possibile in quanto pressoché sempre, diametralmente opposta alla richiesta energetica dell'ambiente. Se ne ricava che utilizzare come pozzo termico l'aria esterna (energia aerotermica), fornisce rendimenti di produzione decisamente più bassi rispetto a quelli ottenibili utilizzando come pozzo termico stabile il sottosuolo (energia geotermica). I valori di COP delle PdC geotermiche superano in genere 4,5. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

23 Caratteristiche dei SISTEMI A CICLO CHIUSO In merito ai sistemi a ciclo chiuso in generale si può ragionevolmente elencarne le seguenti caratteristiche: Sonde geotermiche verticali: costi di installazione delle sonde elevati massima stabilità nel tempo del rendimento termico resa di scambio unitaria elevata (W/m C) scarsa occupazione di superficie Sonde geotermiche orizzontali: costi di installazione delle sonde modesti minore stabilità nel tempo del rendimento termico resa di scambio unitaria relativamente bassa (W/m C) elevata occupazione di superficie (regola del pollice = 1,5-2 volte la superficie da climatizzare). Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

24 Componenti dei SISTEMI A CICLO CHIUSO Schema generale di sistema a ciclo chiuso (Géothermie-CH): sonda verticale di possibile diversa tipologia circola il fluido termovettore (acqua o acqua glicolata) scambiatore di calore interfacciato con il circuito frigorifero della pompa di calore, è necessario per delimitare i due circuiti acqua e refrigerante PdC Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

25 Componenti dei SISTEMI A CICLO APERTO Schema generale di sistema a ciclo aperto (Pahud, 2002): pozzo di presa in cui viene estratta l acqua di falda a mezzo di una pompa sommersa da pozzo a singolo stadio, multistadio o con funzionamento ad inverter scambiatore di calore interfacciato con il circuito frigorifero della pompa di calore PdC pozzo di resa o acque superficiali. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

26 Il confronto AEROTERMIA-GEOTERMIA Un confronto generale tra le prestazioni in termici di Coefficient Of Performance (COP) delle installazioni con Pompe di Calore (PdC) realizzate in Svizzera dal 1993 al 2000 permette di raffigurare il seguente grafico da cui si estraggono i seguenti valori medi progressivamente crescenti con l'affinamento tecnologico delle macchine: PdC aria/acqua = 2,8 3,7 PdC suolo/acqua = 3,9 4,7 PdC acqua/acqua = 5,2 5,5 Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

27 Le DETRAZIONI FISCALI 65% (Legge 2007 e s.m.i.) I sistemi aerotermici e geotermici con PdC sono riconosciuti anche dalle leggi che regolano le detrazioni in conto imposta che prendono origine dal Decreto 7 Aprile Disposizione in materia di detrazione per le spese di riqualificazione energetica del patrimonio edilizio esistente, ai sensi dell articolo 1, comma 349, della legge 27 Dicembre 2006, n ovvero la sostituzione di impianti esistenti con adeguate Pompe di Calore aerotermiche (aria/acqua) e geotermiche (acqua/acqua) di idonee prestazioni (COP e EER) è ammissibile alla detrazione dei relativi costi. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

28 L energia EOLICA Fonte: L energia eolica derivata dal vento è un energia sfruttata sin dall antichità in tanti modi diversi. È sempre un energia che deriva dal sole che resta il vero motore della circolazione atmosferica. L immagine più classica di sfruttamento dell energia eolica è quella relativa al mulino a vento, ovvero una macchina che intercetta il flusso d aria del vento per movimentare un asse meccanico. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

29 L energia dell ARIA IN MOVIMENTO Fonte: L energia dell aria in movimento è energia meccanica quindi un energia molto pregiata, più di quella termica, poiché in grado di essere convertita in energia elettrica. L energia cinetica (E c ) del vento è data da: E c = 1/2 mv 2 dove: m = massa d aria in movimento v = velocità della massa d aria. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

30 Le CARATTERISTICHE dell energia eolica La potenza (P=E c /t) e l energia eolica dipendono quindi dalla massa d aria che viene catturata dalla macchina eolica, dalla velocità del vento e dal tempo di persistenza del vento (durata). Più grande è la macchina e più elevata è la velocità e persistenza del vento più energia si riesce a raccogliere: E c = 1/2 (Avt)v 2 (Avt) = volume d aria che spazza l elica = densità dell aria Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

31 Le tipologie di MACCHINE EOLICHE Le macchine eoliche sono sostanzialmente di due tipologie in funzione dell asse dell elica che intercetta il flusso dell aria: 1) ad asse orizzontale (monopala, bipala, tripala, ecc.) 2) ad asse verticale (Darrieus, Savonius, ecc.) 1 2 Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

32 La trasformazione energetica nella TURBINA La turbina provvede poi a trasformare l energia meccanica di rotazione dell asse in energia elettrica attraverso un alternatore. Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

33 MINIEOLICO e MICROEOLICO Per minieolico e microeolico si intendono impianti di piccola taglia, generalmente per uso domestico o per piccole attività, a produzione o integrazione del consumo elettrico locale, installati spesso in modalità stand-alone (singoli generatori non allacciati alla rete) o più difficilmente allacciati alla rete elettrica, connessi talora con impianti di accumulo energetico. Sono in genere costituiti da aerogeneratori ad asse orizzontale con diametro del rotore (elica) variabile da 3 a 20 metri e altezza dell asse dal suolo da 10 a 20 metri. Si distinguono in base alla potenza installata nominale (Pn) in: minieolico - Pn = 20 kw kw microeolico - Pn < 20 kw (taglia sotto soglia autorizzativa) Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

34 La POTENZIALITA EOLICA del sito La potenzialità eolica del sito va esaminata attraverso la consultazione degli Atlanti Eolici o la lettura di un monitoraggio eolico protratta in genere per almeno un anno. Fonte: Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

35 I sistemi MICROEOLICI Fonte: L offerta commerciale degli impianti microeolici è ormai abbastanza vasta. Il mercato offre turbine ad asse verticale e orizzontale di taglia da pochi centinaia di Watt a pochi kw. Le turbine a da asse orizzontale sono più adatte per flussi di vento a bassa velocità (v < 5 m/s). Il costo delle turbine microeoliche si aggira sui /kw di potenza. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

36 Microeolico regime AUTORIZZATIVO e FISCALE In Provincia di Parma, al di sotto dei 60 kw, il regime autorizzativo per l installazione di una macchina eolica si risolve con una semplice Dichiarazione di Inizio Attività (oggi SCIA). Se la potenza è non superiore ai 60 kw, l altezza della macchina inferiore a 1,5 e il rotore di diametro inferiore a 1 m, occorre una semplice comunicazione in Comune. Per potenze installate comprese tra 20 e 200 kw si può usufruire della tariffa omnicomprensiva. Tra 1 e 20 kw si può usufruire del cosiddetto Scambio sul Posto stipulato con il GSE. Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/

37 Fine La terra ci ha dato molto e ancora ci può dare... GRAZIE PER L ATTENZIONE! Dott. Ing. Geol. PIERGIUSEPPE FROLDI Via Passo della Cisa, PARMA Tel piergiuseppefroldi@libero.it Ing. Geol. Piergiuseppe Froldi - Seminario 21/09/