Università degli Studi di Firenze

Università degli Studi di Firenze SCUOLA DI INGEGNERIA CORSO DI LAUREA IN INGEGNERIA PER L AMBIENTE, LE RISORSE E IL TERRITORIO TESI DI LAUREA TRIENNALE ANNO ACCADEMICO 2014/2015 ANALISI LCA DI UN SISTEMA DI ACCUMULO DI ENERGIA ELETTRICA E TERMICA AD ARIA COMPRESSA PER USO DISTRIBUITO Relatore: Prof. Ing Giampaolo Manfrida Candidato: Giulia Del Santo

Cos è una LCA? Life Cycle Assessment Valutazione del Ciclo di Vita: Procedimento oggettivo di valutazione di carichi energetici ed ambientali relativi ad un processo o un'attività, effettuato attraverso l'identificazione dell'energia e dei materiali usati e dei rifiuti rilasciati nell'ambiente. La valutazione include l'intero ciclo di vita del processo o attività, comprendendo l'estrazione e il trattamento delle materie prime, la fabbricazione, il trasporto, la distribuzione, l'uso, il riuso, il riciclo e lo smaltimento finale. SETAC (Society of Envirolmental Toxicology and Chemistry), 1993

Cos è una LCA? Regolata dalla serie ISO 14040 sull Environmental Management- Life Cycle Assessment. In particolare: ISO 14040 (2006) Principles and framework ISO 14044 (2066) Requirementes and Guidelines STRUTTURA PRINCIPALE: Definizione degli obbiettivi e del campo di applicazione Analisi di inventario Analisi di impatto Valutazione e miglioramento SOFTWARE UTILIZZATO: SimaPro 7.3

Caso di studio: Impianto Micro-CAES 1 3 2 MD C-1 C-2 C-3 CAR EXP EG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Air in 22 33 44 55 66 77 4 5 6 99 8 00 Air out 7 9 CWR HWR Other usage of heat Micro-CAES Sistema di stoccaggio integrato con aria compressa ed acqua calda Alimentato completamente da energia solare Aria ambiente è il fluido di lavoro L energia di pressione è separata dal calore Permette l uso rigenerativo del calore con accumulo termico a bassa temperatura C#: Compressore HE#: Scambiatori di calore PR#:Riduttore di pressione HWR:Serbatoio acqua calda CWR: Serbatoio acqua fredda EXP: Espansore CAR#: Serbatoi di aria

Caso di studio: Impianto Micro-CAES Fasi del processo : - Fase di stoccaggio - Fase di produzione Simulazioni annue per un impianto PV da 8 kwp: PV size PV area (m 2 ) E carico (MJ el ) E comp (MJ el ) E exp (MJ el ) E LPV (MJ el ) E carico = Energia richiesta annualmente dall utenza E EXP = Energia prodotta annualmente dall espansore E LPV = Energia prodotta annualmente dal campo PV e usata direttamente dal utenza E TOT = Energia prodotta annualmente dal sistema nel suo complesso E TH = Energia termica prodotta su base annua E comp = Energia utilizzata dai compressori su base annua E TOT (MJ el ) E TH (MJ th ) 8.0 38.4 22450 27970 2520 9930 12450 14800 La copertura del carico nella fascia 20-22 è soddisfatta solo dal espansore (attraverso il sistema di stoccaggio) considerando che la copertura del carico nella fascia 8-20 è soddisfatta solo l'impianto fotovoltaico. L impianto fotovoltaico 8 KWp permette di coprire quasi completamente (85%) il profilo di carico nella fascia oraria (8-20) secondo le simulazioni annuali

LCA del Micro-CAES Definizione degli obbiettivi e del campo di applicazione SCOPO: Studiare e valutare l impatto ambientale del sistema Micro-CAES e confrontarlo con altri sistemi per la produzione della medesima energia. UNITA FUNZIONALE : 1 kwh VITA UTILE STIMATA: 20 anni

LCA del Micro-CAES Definizione degli obbiettivi e del campo di applicazione INPUT AL SISTEMA: -Materie prime -Energia per la produzione OUTPUT DEL SISTEMA: -Energia elettrica -Energia termica -Rifiuti prodotti -Emissioni Sistema Micro- CAES: 1. Fase di Costruzione 2. Fase di Esercizio 3. Fase di Smaltimento

Analisi di inventario LCA del Micro-CAES 1 2 3 MD C-1 C-2 C-3 CAR EXP EG 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 Air in 22 33 44 55 66 77 4 5 6 99 8 00 Air out 7 9 CWR HWR Other usage of heat 1. Compressore, Coltri MCH11EM standard 2. Bombole, Matar (x11) 3. Espansore, Quasiturbine QT.6LSC Steam-1.5kW 4. Scambiatore di calore, Danfoss D22L-10 5. Scambiatore di calore, Danfoss D22L-10 6. Scambiatore di calore, a tubi a serpentina 7. Serbatoio da 300 l (acqua fredda) 8. Scambiatore di calore, Danfoss D55L-H_40 9. Serbatoio da 300 l (acqua calda) 10. Sistema di tubazione aria 11. Sistema di tubazione acqua 12. Container

Analisi di inventario Per ciascuno degli elementi dell impianto sono stati raccolti dati su: Dati tecnici Materie prime Metodo di produzione Consumi energetici per la produzione Luogo di produzione Tipo di trasporto LCA del Micro-CAES COMPRESSORE Unità di misura Modello Coltri MCH 11 EM standard Dimensioni W89xd44x63 cm Materiali principali Acciaio / Acciaio inox Peso 1 elemento 99 kg Numero elementi 1 / Peso totale 99 kg Metodo di produzione Produzione metallo+realizzazione statore e kwh rotore: 722.5 kwh Assemblaggio componenti 1 kwh Riscaldamento e illuminazione impianto 1.157 kwh Energia per il rodaggio 0.46 kwh Consumo energetico 725.1 kwh tot Tipo di trasporto Camion 16/32 ton / Luogo di produzione Roma Distanza media 200 km percorsa TKM 19.8 tkm

LCA del Micro-CAES Costruzione del Ciclo di vita in SimaPro Fase di costruzione: Assemblaggio dei componenti determinati nell inventario Fase di esercizio: OUTPUT Elettrico (quasiturbina) ENERGIA (MJ/anno) EXERGIA (MJ/anno) EXERGIA (kwh/anno) 2520 2520 700 68.04 % Termico ( calore) 14800 1184 328.88 31.96 Totale / 3704 1028.88 100 Fase di smaltimento: Uno scenario di smaltimento per ogni elemento dell impianto, considerando i trattamenti per le materie prime dei componenti.

Analisi di impatto LCA del Micro-CAES Life Cycle Impact Assessment (LCIA) regolata dalla norma ISO 14042. Metodo utilizzato: ReCiPe- Trasformazione dei dati raccolti in un punteggio che esprime,in maniera proporzionale, un danno Evidenziare l entità delle modificazioni ambientali che si generano a seguito di rilasci nell ambiente (emissioni o reflui) e del consumo di risorse provocati dal sistema in oggetto. Gli impatti ambientali vengono anche espressi tramite la Teoria del Danno ( EcoIndicator99, Analisi EndPoint): Danni alla salute umana (40%) Danni agli ecosistemi (40%) Danni alla risorse (20%)

LCA del Micro-CAES Analisi di impatto Costruzione Micro-CAES+Impianto PV Caratterizzazione-MidPoint 120, 100, % 80, 60, 40, 20, 0, Modulo in silicio monocristallino ad alta efficienza-1 m2 Inverter "Power-one modello PVI-3,0-TL-OUTD" Supporto impianto PV Installazione Quadro Elettrico e Cavi Tubi aria Tubi acqua "COPRAX" dn=20 Serbatoio x2 Scambiatore "Sandvik 3R60" (serpentino) Scambiatore "Danfoss D55L-H-40" Scambiatore "Danfoss D22L-10" x2 Quasiturbine QT.6LSC Steam-1.5 KW Container " CONTAINEX LC.8' " Compressore "Coltri MCH11EM" standard Bombole "MATAR" lt50 (11 bombole) Analizzando 1 p '(GDS) Costruzione CAES+PV 2'; Metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.10 / Europe ReCiPe H/A / Caratterizzazione Asse delle ascisse: Categorie di MidPoint Asse delle ordinate: Percentuale di contributo al profilo ambientale

LCA del Micro-CAES Analisi di impatto Costruzione Micro-CAES+Impianto PV Peso-EndPoint COSTRUZIONE CAES+PV PV CAES PUNTEGGIO TOTALE 2101 1240 857 Pt Human Health 914 584 332 Pt Ecosystems 317 214 103 Pt Resources 870 448 422 Pt Il contributo più evidente al punteggio totale di 2101 Pt è dato dall Impianto PV da 8 kwp, in particolare dalla realizzazione del campo di moduli fotovoltaci da 38.4 m 2 che contribuiscono con 857 Pt, ovvero circa al 39.86%.

Analisi di impatto LCA del Micro-CAES Ciclo di vita (produzione di exergia sistema combinato) Caratterizzazione-EndPoint Exergia totale prodotta= 1028.88 kwh ex /anno CICLO DI VITA Totale Costruzione Esercizio Fine vita Unità Totale 148 102 64.5 18.7 mpt/kwh ex Human Health 68 44.5 32.1 8.54 mpt/kwh ex Ecosystems 24.3 15.4 10.5 1.62 mpt/kwh ex Resources 55.8 42.4 22 8.58 mpt/kwh ex L impianto ha un punteggio complessivo pari a 148 mpt/kwh ex, dove la costruzione ne dà il contributo maggiore. Il fine vita ha un punteggio, e quindi un impatto, negativo perché indica una emissione mancata.

% LCA del Micro-CAES Analisi di impatto Ciclo di vita (produzione di exergia sistema combinato) Caratterizzazione-MidPoint 120, 100, 80, 60, 40, 20, Fine vita microcaes- analisi exergetica Esercizio mono-output exergetico Costruzione microcaes+ impianto PV 0, -20, -40, Analizzando 1 p 'Ciclo di vita Micro-CAES- output exergetica'; Metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.10 / Europe ReCiPe H/A / Caratterizzazione

mpt LCA del Micro-CAES Confronto solo Output Termico Confronto con un Impianto Solare termico Impianto solare costituito da: 5 pannelli a tubi sottovuoto da 1.88 m 2 di apertura ciascuno Superficie lorda= 16.5 m 2 Due boiler da 0.16 m 3 Produzione annua= 4396.85 kwh th 18, Si considera il solo Output termico del CAES, pari a 4111.11 kwh th. 16, mpt/kwh th 14, 12, Micro-CAES + PV 37.1 10, 8, Ciclo di vita SOLARE TERMICO (GDS) Ciclo di vita- solo output termico Solare termico 7.68 6, 4, 2, 0, Human Health Ecosystems Resources Confronto di 1 p 'Ciclo di vita SOLARE TERMICO' con 1 p '(GDS) Ciclo di vita- solo output termico'; Metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.10 / Europe ReCiPe H/A / Pesa

mpt LCA del Micro-CAES Confronto solo Output Elettrico Confronto con un Impianto a Ciclo combinato Impianto a Ciclo Combinato : Potenza istallata: 450 MWe Turbina a gas che produce 290 MWe Turbina a vapore ad alta, media e bassa pressione Posizione: Sud-est Polonia mpt/kwh el Micro-CAES + PV 217 Ciclo Combinato 39 120, 100, 80, 60, (GDS) Ciclo di vita Ciclo combinato (GDS) Ciclo di vita CAES- OUTPUT elettrico Si considera il solo Output elettrico del CAES, pari a 700 kwh el. 40, 20, 0, Human Health Ecosystems Resources Confronto di 0,001 p '(GDS) Ciclo di vita Ciclo combinato' con 1 p '(GDS) Ciclo di vita CAES- OUTPUT elettrico'; Metodo: ReCiPe Endpoint (H) V1.10 / Europe ReCiPe H/A / Pesa

Confronto Output Exergetico LCA del Micro-CAES Ciclo Combinato+ Solare termico Produzione CAES: Exergia totale (termica+elettrica)=3704 MJ ex /anno Produzione Ciclo Combiantato: Exergia elettrica= 2520 MJ ex /anno Produzione Solare Termico: Exergia di calore= 1184 MJ ex /anno mpt/kwh ex Micro-CAES + PV CC + ST Rete italiana CC + ST + Rete italiana Totale 148 28.99 54 82.99 Human Health 68 11.34 / / Ecosystems 24.3 5.91 / / Resources 55.8 11.74 / / Il sistema CAES nella sua duplice capacità di produzione di energia, risulta avere un impatto ambientale di gran lunga minore rispetto ai due sistemi che insieme produrrebbero la stessa quantità di energia

Conclusioni LCA del Micro-CAES Producibilità elettrica: CAES + PV CC Rete italiana CC+ Rete 217 39 54 93 mpt/kwh el Producibilità termica: CAES + PV ST 37.1 7.68 mpt/kwh th Producibilità combinata: CAES + PV CC + st Rete italiana CC+ST+ Rete 148 28.99 54 82.99 mpt/kwh ex ll sistema CAES in base alla sua producibilità energetica annua, il suo impatto, in termini di punteggio, risulta sfavorevole anche se bisogna tener conto che nascendo come un sistema Off-Grid, esso permette da solo l autonomia energetica dell utenza per cui è stato installato.