CAPITOLO 1 Valutazione dei consumi globali di energia di un sistema Il sistema a cui faremo generalmente riferimento in questo corso sarà uno stabilimento di azienda manifatturiera, ma tutte le considerazioni e le metodologie ossono essere alicate con le oortune modifiche a qualsiasi altro sistema che utilizzi energia: un azienda di servizi, un osedale, un Comune, un edificio residenziale, una centrale termoelettrica, ecc. Una delle rime cose che devono essere fatte quando si voglia iniziare ad occuarsi di gestione dell energia è quantificare l entità dei consumi energetici. Uno stabilimento uò utilizzare energie di tio diverso (energia elettrica, combustibili di vario genere, fluidi termovettori acquistati all esterno: es. stabilimento allacciato ad una rete di teleriscaldamento), esresse in unità di misura diverse. FIGURA 1. L azienda e il sistema Paese σ ' σ Energia elettrica Azienda Fluidi termovettori Rete Rete di di trasorto trasorto Combustibili Perdite Perdite er er generazione/ trasorti trasorti Centrali Centrali di di generazione generazione Perdite Perdite er er trasformazioni trasformazioni /trasorti /trasorti C' Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 1
Valutazione dei consumi globali di energia di un sistema Come valutare i consumi globali, cumulando quelli relativi alle diverse fonti? Occorre convertire i vari consumi di energia in unità di misura omogenee e oi sommarli. Tiicamente si utilizzano le tonnellate di etrolio equivalenti. Le tonnellate equivalenti di etrolio sono una grandezza con una doia natura: a rigore sono una massa (1 te = 1000 kg di etrolio), ma ossono anche essere visti come energia (1 te energia sviluata dalla combustione di 1 tonnellata di etrolio), assando attraverso il otere calorifico convenzionale del etrolio: H i, = 41860 kj kg. L energia sviluata dalla combustione di 1 t di etrolio vale quindi 41.86 GJ. Per valutare i consumi l azienda ha due ossibilità: riferirsi al volume di controllo racchiuso da σ, che delimita i confini dello stabilimento; riferirsi al volume di controllo racchiuso da σ', che delimita i confini del sistema Paese (es: l Italia). Mentre nel rimo caso si valutano i cosiddetti consumi finali, nel secondo si valutano i consumi di energia rimaria, cioè la somma dei consumi finali (che sono i consumi veri e rori dello stabilimento) iù tutti i consumi di energia dovuti alle erdite imutabili a rocessi di trasformazione e al trasorto. Quest ultimo modo di valutazione dei consumi è quello rescritto in Italia dalla legge n. 10/91 Norme er l attuazione del iano energetico nazionale in materia di uso razionale dell energia, di risarmio energetico e di sviluo delle fonti rinnovabili di energia. L art. 19 revede che tutti i consumatori di energia, sia rivati che ubblici, che suerino una certa soglia di consumo annuo (calcolato in te e in termini di energia rimaria) debbano nominare un tecnico resonsabile er la conservazione e l uso razionale dell energia (anche chiamato energy manager 1 ), il cui nominativo deve essere comunicato al Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato (oggi Ministero delle Attività roduttive). Le soglie sono in realtà due: 10000 te/anno er soggetti del settore industriale; 1000 te/anno er soggetti dei settori civile, terziario, dei trasorti. L energy manager, che uò essere un diendente oure un consulente esterno, deve associare alla conoscenza dei rocessi la conoscenza dell asetto energia. I suoi comiti rinciali sono: redisorre bilanci energetici (conoscere i consumi, conoscere i contratti di acquisto, conoscere chi consuma, ecc.); individuare azioni, interventi, rocedure er romuovere l uso efficiente dell energia nella roria struttura. La circolare del M.I.C.A. del 2 marzo 1992 n. 219/f contiene alcune note eslicative sulla metodologia di valutazione dei consumi di energia rimaria ai fini dell eventuale nomina dell energy manager, secondo quanto rescritto dalla L. 10/91. a) La valutazione dei consumi va riferita all'energia consumata er la roduzione di beni (semilavorati, manufatti ecc.) o er la restazione di servizi (trasorto di ersone o merci, illuminazione, climatizzazione ambienti, fornitura di energia elettrica, ecc.), indiendentemente dal fatto che detti beni e servizi vengano utilizzati in ro- 1. In realtà, la figura dell'energy manager nasce nel mondo anglosassone ai temi della rima crisi etrolifera del 1973, e in Italia con l art. 22 della legge n. 308/82: si revedeva che tutte le imrese con iù di 1000 diendenti e con consumo riferito all'anno recedente sueriore a 10000 te comunicassero ogni anno al Ministero dell'industria il nome del funzionario resonsabile er la conservazione dell'energia; la legge non dava indicazione né di ruolo né di incarichi e rimase sostanzialmente inalicata. 2 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
rio o destinati a terzi. Tale valutazione va riferita ai consumi globali del soggetto, cumulando quelli relativi alle diverse fonti ed ai diversi usi. b) L'energia dei rodotti combustibili è valutata tenendo conto del loro otere calorifico inferiore e dell'energia imegnata er la loro roduzione. La tabella che segue fornisce esemlificativamente l'equivalenza energetica di alcuni rodotti combustibili. I valori in essa riortati sono indicativi e da adottare solo in mancanza di dati recisi sui rodotti combustibili utilizzati. Qualora il combustibile adoerato non rientri fra le voci in tabella (es. biodiesel, GECAM, ecc.), il valore del otere calorifico inferiore va richiesto al fornitore. FIGURA 2. EQUIVALENTI ENERGETICI DI ALCUNI PRODOTTI COMBUSTIBILI (da circolare del Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato del 2 marzo 1992, n. 219/f) Prodotto Gasolio Olio combustibile Gas di etrolio liquefatti (GPL) Benzine Carbon fossile Carbone di legna Antracite e rodotti antracinosi Legna da ardere Lignite Gas naturale Equivalenza 1 t <--> 1.08 te 1 t <--> 0.98 te 1 t <--> 1.10 te 1 t <--> 1.20 te 1 t <--> 0.74 te 1 t <--> 0.75 te 1 t <--> 0.70 te 1 t <--> 0.45 te 1 t <--> 0.25 te 1000 Nm 3 <--> 0.82 te N.B. Condizioni normali ( Nm 3 ): riferite a t = 0 C, = 1 atm. Condizioni standard ( Sm 3 ): riferite a t = 15 C, = 1 atm. 1 Sm 3 = 1.055 Nm 3 c) Si recisa che l'energia dei rodotti derivati da rifiuti organici ed inorganici o da scarti di lavorazione o simili, qualora utilizzati come combustibili, va valutata in raorto al otere calorifico inferiore e tradotta in te mediante la relazione: o o E = m H ------------- i (1.1) dove: E m H i = consumo energetico (te/anno) = massa del rodotto combustibile consumata nell'anno = otere calorifico inferiore del rodotto combustibile = otere calorifico inferiore del etrolio d) L'energia elettrica viene valorizzata secondo la tabella seguente, a seconda che la tensione di fornitura sia AT o MT, oure BT 2 FIGURA 3. EQUIVALENZA TRA ENERGIA ELETTRICA E TEP (da circolare del Ministero dell Industria, del Commercio e dell Artigianato del 2 marzo 1992, n. 219/f) Tensione di fornitura dell'energia elettrica AT o MT BT Equivalenza 1 MWh <--> 0.23 te 1 MWh <--> 0.25 te e) L'energia di fluidi termovettori viene valutata mediante la relazione: 2. BT: fino a 1000 V. MT: da 1 kv a 35 kv. AT: oltre 35 kv. Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 3
Valutazione dei consumi globali di energia di un sistema dove: E = 1.2 m --------------- h (1.2) E m e sono le grandezze di cui all equazione (1.1) = massa del fluido termovettore consumata nell'anno h = variazione di entalia del fluido termovettore 1.2 = fattore correttivo (adimensionale) che tiene conto in modo convenzionale del rendimento di roduzione e distribuzione dell'energia termica. f) Per le fonti rinnovabili si adottano i criteri di conversione validi er l'energia elettrica, qualora sia rodotto tale vettore (es. fotovoltaico, idraulico, eolico), o quelle della formula valida er i fluidi termovettori, se il vettore rodotto è energia termica (es. solare termico o geotermia er usi termici). N.B. Utilizzando i dati della figura 3 si uò ricavare il rendimento medio del sistema elettrico nazionale sottinteso in tali equivalenze: η sist, el = ------- (1.3) C' dove è un certo consumo finale di energia elettrica e C' e la quantità di energia rimaria che è stato necessario consumare affinché la quantità rodotta e resa disonibile. otesse essere Per come è definito, η sist, el tiene conto di: rendimento medio di generazione; erdite di trasformazione MT/AT 3 ; erdite di trasorto sulla rete di trasmissione AT; erdite di trasformazione AT/MT; erdite di trasorto sulla rete di distribuzione MT; erdite di trasformazione MT/BT; erdite di trasorto sulla rete di distribuzione BT. Le erdite er trasformazione non sono state raresentate in modo eslicito nella figura 1, erché sono distribuite in tutto il ercorso dell energia elettrica. Nel caso di fornitura in BT, l equivalenza tra MWh e te è iù favorevole risetto al caso di MT o AT erché sul sistema elettrico nazionale non gravano le erdite dovute alle ultime due cause (gravano sull utente). 3. Normalmente la generazione avviene in MT, oi l energia elettrica viene trasformata in AT er l immissione nella rete di trasmissione. 4 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
DIPARTIMENTO DI ENERGETICA - POLITECNICO DI TORINO ESERCITAZIONE N. 1 DI GESTIONE DEI SISTEMI ENERGETICI 1. L azienda XYZ ha acquistato, nell anno 2000, i quantitativi di energia elettrica e di gas naturale riortati nella tabella seguente. Mese ENERGIA ELETTRICA media tensione GAS NATURALE - caldaie GAS NATURALE - mensa Consumi (kwh) Consumi (Sm 3 ) Consumi (Sm 3 ) Gen 183150 40758 1294 Feb 227610 32849 1532 Mar 273690 22172 1161 Ar 215370 10500 1278 Mag 261990 0 781 Giu 266040 0 984 Lug 279270 0 940 Ago 120456 0 499 Set 252000 0 911 Ott 256518 1230 1760 Nov 264918 24414 798 Dic 207858 31639 1420 a) Calcolare il consumo di energia rimaria (secondo la L. 10/91) dell azienda nell anno considerato, conoscendo: otere calorifico inferiore del gas naturale gas = 47450 kj kg ; otere calorifico inferiore del etrolio etr = 41860 kj kg ; densità del gas naturale ρ gas = 0.76 kg Sm 3. b) Saendo che l azienda XYZ oera nel settore metalmeccanico, dire se è tenuta er legge alla nomina del resonsabile er la conservazione e l uso razionale dell energia. [a) 770.4 te, b) no] 2. L azienda ABC ha consumato in un anno 500 te, così riartiti: 75% energia elettrica BT; 20% gas naturale er riscaldamento; 5% gasolio er autotrazione. Con riferimento alla Figura 2 e alla Figura 3, determinare: a) il consumo di energia elettrica; b) il consumo di gas naturale, esresso in Sm 3 ; c) il consumo di gasolio; d) calcolare il rendimento medio di generazione, trasorto e trasformazione dell energia elettrica che è imlicito nell equivalenza indicata dal Ministero, sia er le forniture in MT che er quelle in BT. [a) 1500 MWh, b) 115593.6 Sm 3, c) 23148 kg, d) η MT = 0.3739, η BT = 0.3440 ] Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni 5
Valutazione dei consumi globali di energia di un sistema 3. Un azienda acquista l energia termica di cui ha bisogno er il riscaldamento degli ambienti ( 1.5 GWh anno ) dalla vicina centrale di teleriscaldamento; er l elettricità (fabbisogno: 2.5 GWh anno ) si rivolge ad un azienda confinante che ossiede un imianto er la roduzione di energia elettrica MT. Dati: la centrale di teleriscaldamento è costituita da caldaie a biomassa ( biomassa = 3.5 kwh kg, ρ biomassa = 350 kg m 3 ) con rendimento medio stagionale dell 80%; l imianto er la generazione dell energia elettrica è a gas naturale ( gas = 34123 kj Nm 3 ), con rendimento medio del 35% Calcolare il consumo annuo di energia rimaria esresso in te, secondo la L. 10/ 91. [ 729.8 te ] 6 Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni