PIÙ EFFICIENZA: obiettivo COMUNE L EFFICIENTAMENTO NELL EDILIZIA PUBBLICA: PROGETTI ED OPPORTUNITÀ Carbonia, 21 dicembre 2018 DALL EFFICIENTAMENTO ENERGETICO ALLO SVILUPPO DI UNA SMART GRID PER IL CENTRO RICERCHE SOTACARBO Ing. Pier Francesco Orrù Dipartimento di Ingegneria Meccanica, Chimica e dei Materiali - Università degli Studi di Cagliari Consorzio Interuniversitario Nazionale per l'ingegneria delle Georisorse
Sommario 1. Analisi energetica CRS 2. Interventi di efficientamento 3. Analisi economica ed ambientale 4. Risultati 5. Sviluppi futuri Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 2
1 - DIAGNOSI ENERGETICA
Involucro edilizio e impianti Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 4
Analisi dei consumi Bollette elettriche Dati quart orari Modello energetico Prestazioni energetiche Confronto con benchmark Rilevazioni monitoraggio Struttura energivora Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 5
Consumo [KWh/anno] Costo unitario [ /kwh] Consumo [KWh/anno] Costo [ /anno] Bollette elettriche 200.000 150.000 100.000 144.902 146.399 170.285 189.362 185.159 50.000 40.000 30.000 20.000 32.681 34.055 38.284 39.269 37.818 2017 Consumo 185.159 kwh 50.000 0 150.000 2013 2014 2015 2016 2017 2013 2014 2015 2016 2017 10.000 0 0,250 0,200 2013 2014 2015 2016 2017 0,226 0,233 0,225 0,207 0,204 Costo 37.818 Costo unitario 0,204 /kwh 100.000 50.000 0,150 0,100 0,050 F2 15% F3 22% F1 63% 0 F1 F2 F3 0,000 2013 2014 2015 2016 2017 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 6
1 314 627 940 1253 1566 1879 2192 2505 2818 3131 3444 3757 4070 4383 4696 5009 5322 5635 5948 6261 6574 6887 7200 7513 7826 8139 8452 Consumo [KWh/giorno] Consumo orario [kwh] Consumo - Luglio [KWh] Dati quart orari 120 110 100 90 80 70 70 60 50 40 30 20 10 Medio Feriale Festivo 60 50 40 30 20 10 0 0 100 80 60 40 20 0 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Medio Feriale Festivo Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 7
Pompa di calore Consumo - Luglio [KWh] Generale uffici Consumo - Luglio [KWh] Rilevazioni monitoraggio Sezione Consumo [kwh/anno] Generale uffici 28.178 Generale laboratori 28.057 Ufficio tipo 3.669 Pompa di calore 59.275 Officina 38% Laboratori 15% Pompa di calore 32% Uffici 15% 6 5 4 3 2 1 0 35 30 25 20 15 10 5 0 Medio Feriale Festivo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 13 14 15 16 17 18 19 20 21 22 23 24 Medio Feriale Festivo 1 2 3 4 5 6 7 8 9 101112131415161718192021222324 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 8
Modello energetico Funzione Consumo [KWh/anno] Illuminazione 27.556 Condizionamento 59.275 Strumentazione laborat. 25.191 Strumentazione uffici 3.488 Officina 69.649 TOTALE 185.159 Illuminazione 14,9% Climatizzazione 32,0% Strumentazione uffici 1,9% Officina 37,6% Strumentazione laboratori 13,6% Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 9
Valutazione prestazione energetica 1. Definizione indicatori di prestazione energetica (KPI) 2. Calcolo KPI 3. Definizione benchmark 4. Confronto KPI-benchmark KPI > benchmark Struttura energivora GENERALE KPI Valore Benchmark U.M. Consumo di energia elettrica annua per unità di superficie 69,6 27,8 kwh/(m 2 anno) Consumo di energia elettrica annua per kwh/(operatore 5.004 740 operatore anno) ZONA UFFICI KPI Valore Benchmark U.M. Necessari interventi di efficientamento energetico Consumo di energia elettrica annua del condizionamento per unità di superficie Consumo di energia elettrica annua dell illuminazione per unità di superficie 131 15,0 kwh/(m 2 anno) 10,0 9,0 13,0 kwh/(m 2 anno) Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 10
2 - INTERVENTI DI EFFICIENTAMENTO ENERGETICO
Produzione FV [kwh/mese] Impianto fotovoltaico 16.000 14.000 14.40214.562 13.389 12.870 12.000 10.000 8.000 6.000 4.000 2.000 0 6.197 5.230 11.071 9.840 10.342 7.945 5.304 4.624 Numero totale moduli 324 Potenza totale 87,48 kw p Superficie captante moduli 518 m² Energia totale prodotta 115.778 kwh/anno Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 12
1 366 731 1096 1461 1826 2191 2556 2921 3286 3651 4016 4381 4746 5111 5476 5841 6206 6571 6936 7301 7666 8031 8396 Produzione FV [kwh/h] 1 366 731 1096 1461 1826 2191 2556 2921 3286 3651 4016 4381 4746 5111 5476 5841 6206 6571 6936 7301 7666 8031 8396 Consumo [kwh/h] Plus/Minus [kwh/h] 1 382 763 1144 1525 1906 2287 2668 3049 3430 3811 4192 4573 4954 5335 5716 6097 6478 6859 7240 7621 8002 8383 Accoppiamento consumi - produzione impianto FV 120 100 100 80 60 50 0 40 20 0-50 -100-150 120 100 80 60 40 20 30.000 25.000 20.000 15.000 10.000 5.000 0 Consumi en.el. Produzione FV 0 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 13
Accumulo elettrico 0,2 VAN/VAN 0 kwh 0-0,2-0,4-0,6 0 25 50 75 100 125 40 kwh -0,8 Capacità accumulo [kwh] Grandezza Senza accumulo Con accumulo (40 kwh) Copertura FV 44,9% 50,9% Impianto FV Immessa in rete 34,6% 27,2% Accumulo Rete elettrica Autoconsumo 65,4% 72,8% Utenza Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 14
Sonde geotermiche a bassa entalpia Pompa di calore aria-acqua Sonda geotermica e pompa di calore aria-acqua Acqua pozzo CRS (T = 24 C) EER = 5,77 COP = 5,50 n.2 pompe di calore Uniflair mod. ARAH0744A n.1 pompa di calore Aermec mod. WRL 650 Funzionamento Potenza termica [kw] Potenza elettrica[kw] EER/COP Raffrescamento 165 54,0 3,38 Funzionamento Potenza termica [kw] Potenza elettrica[kw] EER/COP Raffrescamento 169 33,5 5,05 Riscaldamento 179 63,4 3,09 Riscaldamento 187 40,2 4,65 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 15
Dimensionamento sonda ad acqua di falda Pompa sommersa Portata utile In riscaldamento: 24.540 l/h In raffrescamento: 29.130 l/h Prevalenza Perdite di carico (concentrate, distribuite) Caratterizzazione pozzo 1. Portata acqua disponibile 2. Temperatura acqua 3. Caratteristiche chimiche acqua 4. Utilizzo acqua emunta Scambiatore di calore a piastre Separa circuito primario (sonda) e secondario (pompa di calore) Resistenza attacco fisico-chimico acqua di falda Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 16
Energia utile [kwh/h] 1 400 799 1198 1597 1996 2395 2794 3193 3592 3991 4390 4789 5188 5587 5986 6385 6784 7183 7582 7981 8380 Dimensionamento sonda geotermica verticale Metodo IGSHPA - International Ground Source Heat Pump Association 250 200 150 100 50 0-50 -100-150 -200-250 Grandezza Valore Tipologia tubazione Doppio U Diametro tubo 40 mm Spessore tubo 3,7 mm Numero sonde 7 Lunghezza sonda 97 m Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 17
Altri interventi Coibentazione controsoffitto Recupero calore aria primaria Sostituzione/Modifica infissi esterni Cambio fornitore energia elettrica Sostituzione apparecchi illuminanti Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 18
Logica funzionamento micro-grid Componenti Impianto fotovoltaico Pompa di calore Utilities (illuminazione, ACS, etc.) Accumulo elettrico Rete elettrica Logica di gestione Privilegiare l utilizzo dell energia prodotta dall impianto fotovoltaico Massimizzare l utilizzo dell energia autoprodotta (autoconsumo) Minimizzare l energia prelevata dalla rete In caso di sovrapproduzione del fotovoltaico, l energia deve essere inviata all accumulo elettrico Precedenza all accumulo delle batterie rispetto alla ricarica dei veicoli L energia sovraprodotta deve essere immessa in rete solo dopo la saturazione dei sistemi di accumulo (batterie e veicoli) In caso di consumi maggiori rispetto alla produzione da FER, deve essere privilegiata l energia accumulata rispetto a quella proveniente dalla rete Gestione delle utilities: funzionamento di determinati componenti nelle ore in cui si prevede di avere sovrapproduzione dell impianto fotovoltaico Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 19
Sistema di gestione dell energia Produzione da FER 50% 60% Autoconsu mo energia da FER Obiettivo Percentuale raggiungimento annuo 1 2 3 Totale Produzione da FER - 50% - 50% Emissioni CO 2-60% -20% Consumi energia elettrica Autoconsumo energia da FER - - 60% 60% Consumi energia elettrica -7,5% - -12,5% -20% Emissioni di CO 2-7,5% -22,5% -30% -60% Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 20
Produzione FER [kwh/anno] Autoconsumo FER [kwh/anno] Risparmio energia [kwh/anno] Riduzione emissioni CO 2 [kg/anno] Traguardi energetici Intervento Coibentazione controsoffitto - - -8.056-4.028 Sostituzione infissi - - -2.503-1.251 Recupero calore aria primaria - - -6.515-3.258 Impianto fotovoltaico 115.776 - - -57.888 Accumulo elettrico - 84.297 - - Sostituzione lampade - - -11.708-5.854 Sostituzione pompa di calore e sonda geotermica - - -24.350-12.175 TOTALE 115.776 84.297-53.132-84.454 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 21
Pianificazione interventi MADM Multi Attribute Decision Making Intervento 1 2 3 4 5 Sostituzione centri illuminanti 5 5 3 2 5 Coibentazione controsoffitto 3 3 2 5 2 Sostituzione infissi esterni 4 2 3 5 5 Impianto fotovoltaico 4 4 2 1 3 Accumulo elettrico 2 1 3 1 5 Recupero calore aria primaria 2 2 3 5 2 Sostituzione pompa di calore e sonda geot. 4 3 2 1 3 Criterio Peso Intervento Giudizio pesato 1 - Performance energetica 25 2 - Performance economica 15 3 - Basso costo d investimento 25 4 - Miglioramento del comfort ambientale 10 5 - Semplicità di realizzazione tecnica 25 TOTALE 100 Sostituzione centri illuminanti 420 Coibentazione controsoffitto 270 Sostituzione infissi esterni 380 Impianto fotovoltaico 295 Accumulo elettrico 275 Recupero calore aria primaria 255 Sostituzione pompa di calore e sonda geotermica 280 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 22
Pianificazione interventi Obiettivo Traguardi annuali 1 2 3 Totale Target 1 Sostituzione apparecchi illuminanti Sostituzione/modifica infissi esterni Produzione da FER - 62,5% - 62,5% 50,0% Autoconsumo energia da FER - - 72,8% 72,8% 60,0% 2 Realizzazione impianto fotovoltaico Consumi energia elettrica -7,7% - -21,0% -28,7% -20,0% Emissioni di CO 2-7,7% -62,5% -21,0% -91,2% -60,0% 3 Accumulo elettrico Coibentazione controsoffitto Recupero calore aria primaria Sostituzione pompa di calore e sonda geotermica Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 23
3 - ANALISI ECONOMICA ED AMBIENTALE
Analisi economica Costi Impianto Esercizio Dismissione Indicatori economici Valore Attuale Netto (VAN) Pay Back Time (PBT) Intervento Costo VAN PBT Fotovoltaico 105.000 185.800 6 Accumulo 20.000 2.500 9 Pompa di calore + SAF 35.000 35.700 9 Pompa di calore + SGV 85.000 < 0 - Coibentazione controsoffitto 79.000 < 0 - Recupero calore aria primaria 30.000 6.700 12 Apparecchi illuminanti 28.400 34.500 7 Infissi 45.000 21.000 14 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 25
Analisi degli impatti ambientali Water Footprint Assessment (WFA) Life Cycle Analysis (LCA) ReCiPe (livello di midpoint, approccio gerarchico H) Eco-indicator 99 H CML Baseline Indicatore Unità di Misura Scenario attuale SGAF SGV GREY WATER FOOTPRINT m 3 /kwh 150 102 82 BLUE WATER FOOTPRINT m 3 /kwh 1,14 0,47 0,57 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 26
LCA - Metodo ReCiPe Categoria di impatto Unità di Misura Scenario attuale Geotermia - acqua di falda Geotermia - terreno Cambiamento Climatico kg CO 2 eq 0,51 0,13 0,15 Consumo di risorse fossili kg petrolio eq 0,08 0,02 0,02 Ecotossicità delle acque dolci kg 1,4-DB eq 6,1E-09 5,51E-09 5,46E-09 Eutrofizzazione delle acque dolci kg P eq 3,6E-09 8,92E-10 1,01E-09 Tossicità per l uomo kg 1,4-DB eq 2,6E-04 1,64E-04 1,47E-04 Ecotossicità marina kg 1,4-DB eq 6,9E-07 6,43E-07 6,16E-07 Eutrofizzazione marina kg N eq 2,6E-05 7,08E-06 7,64E-06 Formazione di particolato solido kg PM 10 eq 1,8E-04 5,01E-05 5,36E-05 Formazione di smog fotochimico kg NMVOC 7,4E-04 1,99E-04 2,14E-04 Acidificazione terrestre kg SO 2 eq 5,6E-04 1,58E-04 1,68E-04 Ecotossicità terrestre kg 1,4-DB eq 4,5E-08 4,47E-08 4,13E-08 Esaurimento della risorsa idrica m 3 1,1E-03 4,73E-04 5,74E-04 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 27
LCA - Metodo Eco-indicator 99 H Categoria di impatto Unità di Misura Scenario attuale Geotermia - acqua di falda Geotermia - terreno Ecosistemi - totale PDF*m 2 *anno 4,06E-03 1,10E-03 1,18E-03 Qualità degli Ecosistemi Acidificazione ed Eutrofizzazione Qualità degli Ecosistemi - Ecotossicità PDF*m 2 *anno 4,06E-03 1,10E-03 1,18E-03 PDF*m 2 *anno 1,56E-09 1,04E-09 8,63E-10 Salute Umana - totale DALY 1,75E-07 4,64E-08 5,19E-08 Salute Umana - Cancerogeni DALY 2,11E-12 1,40E-12 1,16E-12 Salute Umana Cambiamento Climatico Salute Umana Effetti respiratori causati da sostanze inorganiche Salute Umana - Effetti respiratori causati da sostanze organiche DALY 1,06E-07 2,77E-08 3,18E-08 DALY 6,84E-08 1,87E-08 2,00E-08 DALY 6,42E-11 1,64E-11 1,82E-11 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 28
LCA - Metodo CML Baseline Categoria di impatto Unità di Misura Scenario attuale Geotermia - acqua di falda Geotermia - terreno Acidificazione potenziale kg SO 2 eq. 5,47E-04 1,56E-04 1,65E-04 Cambiamento Climatico - GWP100 kg CO 2 eq. 5,10E-01 1,33E-01 1,52E-01 Riduzione di risorse abiotiche combustibili fossili MJ 3,73E+00 8,82E-01 9,83E-01 Eutrofizzazione kg PO 4 -- eq. 9,54E-05 2,64E-05 2,81E-05 Ecotossicità delle acque dolci kg 1,4-diclorobenzene eq. 6,36E-06 2,91E-06 2,99E-06 Tossicità per l uomo kg 1,4-diclorobenzene eq. 3,80E-03 1,19E-03 1,25E-03 Ecotossicità marina kg 1,4-diclorobenzene eq. 3,87E+01 1,03E+01 1,10E+01 Ossidazione fotochimica kg etilene eq. 2,30E-05 7,24E-06 7,33E-06 Ecotossicità terrestre kg 1,4-diclorobenzene eq. 1,84E-05 1,75E-05 1,58E-05 Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 29
4 - RISULTATI
Risultati Analisi energetica Consumi principali: officina, climatizzazione, illuminazione, macchine laboratorio Posizionamento temporale: orario d ufficio (dal lunedì al venerdì) Consumi specifici: superiori rispetto ai benchmark Struttura energivora Analisi tecnica Valutazione di diversi interventi di efficientamento energetico Raggiungimento degli obiettivi di riduzione dei consumi energetici e delle emissioni di CO 2, produzione da FER e quota autoconsumo Analisi economica Convenienza economica di alcuni interventi: impianto fotovoltaico, sostituzione pompa di calore e sonda geotermica ad acqua di falda, sostituzione apparecchi illuminanti, sostituzione/modifica infissi esterni Analisi ambientale Utilizzo dei metodi Life Cycle Analysis (LCA) e Water Footprint Assessment (WFA) L utilizzo della geotermia, in entrambe le configurazioni analizzate, sono alternative valide a sostituire la soluzione tecnologica attuale, che ha mostrato impatti notevolmente superiori Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 31
5 - SVILUPPI FUTURI
Sviluppi futuri Caratterizzazione del pozzo del CRS Realizzazione degli interventi di efficientamento energetico Monitoraggio e confronto dei risultati dell impianto sperimentale con quelli del modello analitico Accoppiamento di un accumulo termico in associazione a quello elettrico Utilizzo del syngas per l alimentazione di una pompa di calore con motore endotermico Realizzazione smart grid con CRS, Museo del Carbone e Museo dei Paleoambienti sulcitani Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 33
Smart grid 4.0 Monitoraggio consumi Big data and analytics Algoritmi previsionali Previsioni meteo Digital twin Dall efficientamento energetico allo sviluppo di una smart grid per il Centro Ricerche Sotacarbo 34
GRAZIE PER L ATTENZIONE Pier Francesco Orrù Phone: (+39) 070 675 5350 E-mail: pforru@unica.it