A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
Tecnologie – Efficienza, risparmio, recupero 1. Principi 2. Tipologie a) settore residenziale b) settore terziario c) settore industriale d) trasporti
XIII - 0
Principi
mettere meno acqua nel secchio
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recuperare l’acqua dispersa
tappare i buchi
XIII - 1
Chiarificazione semantica Efficientamento
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ottenere gli stessi output con meno input
Risparmio ottenere la stessa qualità della vita con meno output, e quindi con meno input
Recupero sostituire una parte dell’input con una parte dell’output
XIII - 2
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Esempi Efficientamento
Risparmio
Recupero
Calore in casa
migliorare l’isolamento
compartimentare la casa in modo da avere il calore giusto dove serve
mettere una caldaia a condensazione
Automobile
fare più chilometri con un litro
ridurre la velocità (perchè tanto si arriva lo stesso anche se ci si mette 10 minuti di più)
usare il KERS
Luce
usare LED invece che lampadine a incandescenza
concentrare la luce dove serve
aumentare la vita della lampadina
Motori industriali
sostituire il motore con uno più nuovo ed efficiente
adattare le dimensioni alla potenza ottimale
ridurre le lavorazioni recuperando materia prima seonda
operare il motore nel regime di massima efficienza adattare il controllo alle caratteristiche del consumo
XIII - 3
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Supply curve riduzione GHG nel 2030
McKinsey, 2007
XIII - 4
Residenziale Piano d’Azione Italiano per l’Efficienza Energetica 2011 % risparmio previsto al 2016 sul totale
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Misura Impiego di impianti di riscaldamento efficienti
45%
Isolamento pareti
22%
Sostituzione lampade ad incandescenza
8%
Camini termici e caldaie a legna
6%
Sosituzione scalda acqua elettrici
4%
Sostituzione elettrodomestici (classe A+ e A++)
4%
Consumi domestici 2010
fonte: www.essediemme.it
XIII - 5
Caldaie a condensazione Combustione stechiometrica metano:
CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2 In realtà, per non avere incombusti, la combustione avviene con sovrasaturazione di aria, quindi con rapporto aria:metano di 10:1 e non 9.52:1, e con produzione limitata di NOx.
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Calore di reazione: -891 kJ/mol → PCI = 39,79 MJ/m3 (9503,86 kcal/m3)
PCI = Potere Calorifico Inferiore (cioè con i gas prodotti ad alta lemperatura)
Se si recupera il calore di evaporazione dell’acqua (1.6 kg/m3 di metano bruciato) si può ottenere una resa superiore al 100%.
XIII - 6
Caldaie a condensazione CH4 + 2O2 + 7,52N2 → CO2 + 2H2O + 7,52N2 Necessità di fare gli scambiatori di calore in acciaio (costo maggiore)
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la CO2 disciolta in acqua forma acido carbonico (H2CO3), quindi il condensato è acido (pH=3÷5)
1 mole in condizioni normali: P (1 atm) n T (0°C) R V Calore di combustione Quantità per m3: moli calore direttamente prodotto nella combustione atomi CH4 bruciati atomi H2O prodotti nella combustione moli H2O prodotte nella combustione kg H2O prodotta nella combustione (calore latente di evaporazione dell’acqua calore latente liberabile se l’acqua viene condensata
101325 1 275.1 8.314 2.26×10–2 891
Pa mol K J/kg K m3/mol kJ/mol
44.3 39.7 2.67×1025 5.34×1025 88.6 1.59 2.27
mol/m3 MJ/m3 atomi/m3 atomi/m3 mol/m3 kg/m3 kJ/kg)
3.6 MJ/m3
9% XIII - 7
Trasmissione del calore 1. Conduzione T0
Q 1
2
n
l1
l2
ln
Tn
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2. Convezione
3. Irraggiamento
XIII - 8
Ponti termici
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Correzione dei ponti termici
“Cappotto” in lana di roccia
XIII - 9
Patrimonio edilizio in provincia di Ravenna Abitazioni in edifici ad uso abitativo per epoca di costruzione 100% 90% 80%
Dopo il 1991
70%
Dal 1982 al 1991
60%
Dal 1972 al 1981
50%
Dal 1962 al 1971
40%
Dal 1946 al 1961
30% 20%
Dal 1919 al 1945 Prima del 1919
10% A Ba B lfo gn agn nsi n ar a aca e di va Ro llo m a C Br gna as isi g o C la he as V ll te als a lB e ol nio og ne s C e e C rvi on a se Co lice tig no Fa la e Fu nz sig a na M no as sa Lu Lo g m o ba Ra rda Ri ven Sa ol o na nt Te 'A ga rm ta e su R l S us an si te r So no la ro lo
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0%
Consumo attuale del patrimonio edilizio della Provincia di Ravenna: da: 249 kWh/(m2*a) per le villette costruite prima del 1919 a:
81 kWh/(m2*a) per grandi condomini costruiti dopo il 1991
XIII - 10
Risparmio ottenibile Confronto tra i consumi delle nuove abitazioni al 2011 e il risparmio ottenibile sull'esistente al 2001 600
Consumi nuove ab (classe C) 500
Risparmio su esistente con classe C
400
Risparmio globale: 50%
Milioni kWh/a
300
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200
100
-
Alf
a a i a llo e no lla senio ce ese n a erme rno gn ss ola e n z a go olo ard rvi va sin na he eli gn l en gn ma lar L u omb R u ante ca Ce on ns sig Fa a v iolo T oti olo isig a Va S Ro So o r L u na B l R C i g B F C l u l d R s o e sa t s Ba a s a s r a t a C ga Ca Ma gn Ba nt'A Sa
Provincia di Ravenna: 190,000 abitazioni Circa 19,000,000 m2 Circa 300€/m2 interventi Investimento totale: da 4 a 5,5 miliardi di euro
XIII - 11
Telecontrollo del riscaldamento Scuole Faenza Tesi V. Crocetti, 2007 andamento annuo
MEDIA STROCCHI
media anno
0,25
0,2
applicazione telecontrollo
tCO2/GG
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0,15
0,1
0,05
minore consumo totale minori fluttuazioni
0 28/10/95
11/03/97
24/07/98
06/12/99
19/04/01
01/09/02
14/01/04
28/05/05
10/10/06
stagioni termiche XIII - 12
Lampadine
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La candela (cd - intensità luminosa) è una delle sette unità definite nel sistema internazionale delle unità di misura, il suo simbolo è “cd” ed è definita come l’intensità luminosa di una sorgente emettente una radiazione monocromatica della lunghezza d’onda pari a 555 nm e di intensità radiante di 1/683 di watt per steradiante. Il lumen lm - (flusso di luce) è definito come l’intensità di una candela che fluisce in un’angolo solido di un steradiante. Per luce a 555 nm emessa uniformemente nello spazio, 1 lm=4π cd. Per lunghezze d’onda diverse, il lumen è “pesato” con la funzione di risposta degli occhi, che ha il massimo a 555 nm. Se si prende un emettitore di luce a 555 nm, che utilizza 4π W di potenza, il massimo flusso di luce ottenibile è di 1 W/sr = 683 cd = 683 lm/sr. La massima efficienza luminosa è quindi 683 lm/W a 555 nm. Per lunghezze d’onda diverse, la massima efficienza luminosa cala.
Alogene
Fluorescenti compatte
Fluorescenti 18 mm
Fluorescenti 16 mm
LED
11-12
18-22
60-70
77-100
80-100
50-150 (dipende dal colore)
lm/Watt
Durata (indicativa)
1000
2000-3000
600015000
8000
8000
100000
ore
Temp. di Colore
2700
3000
IRC
100
100
85
50-98
85
15-1000
5-150
3-23
10-58
14-80
Incandescenza Efficienza Luminosa
Alimentazione
2700-4000 2700-6500 3000-6000
Kelvin Watt
Efficienza luminosa: è il rapporto tra il flusso luminoso emesso da una sorgente e la potenza elettrica assorbita espressa in lumen/Watt. Temperatura di colore: indica la tonalità della luce e si misura in gradi Kelvin (°K). Più è alta la temperatura di colore e più si hanno tonalità fredde. Per temperature di colore maggiori ai 4.000°K si hanno luci bianche e fredde, per temperature inferiori ai 3.000°K, si ha una tonalità calda tipica delle lampade ad incandescenza. Indice di resa cromatica: varia tra 0 e 100, e indica come i colori percepiti sotto un'illuminazione artificiale, si accostino ai colori reali. Più è alto l’IRC e più è elevata la resa cromatica. XIII - 13
Elettrodomestici Direttiva Europea 2010/30/UE e integrazioni tecniche: • frigoriferi, congelatori e loro combinazioni • lavatrici, essiccatori e loro combinazioni • lavastoviglie • forni • scaldacqua e serbatoi di acqua calda • fonti di illuminazione • condizionatori d'aria
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La classificazione è basata su un Indice di Efficienza Energetica (Energy Efficiency Index: EEI), che rappresenta il rapporto tra il consumo annuale dell’apparecchio ed il consumo standard di un modello simile di riferimento. Ad esempio, a parità di volume interno, un frigorifero in classe A++ ha un IEE tra 22 e 33, mentre un frigorifero in classe A ha un IEE tra 42 e 55, quindi un consumo superiore di un fattore tra 1.3 e 2.5.
XIII - 14
Terziario Piano d’Azione Italiano per l’Efficienza Energetica 2011 Misura Riqualificazione energetica del parco edifici esistente
45%
Isolamento pareti
20%
Sostituzione lampade ad incandescenza e introduzione di sistemi di controllo Condizionatori efficienti A. Contin - Energie Rinnovabili e Gestione dell’Energia
% risparmio previsto al 2016 sul totale
Lampade efficienti e sistemi di regolazione del flusso luminoso (illuminazione pubblica)
17% 10% 5%
Si tratta fondamentalmente di interventi simili a quelli per le abitazioni
XIII - 15
Industria Piano d’Azione Italiano per l’Efficienza Energetica 2011 Misura
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Refrigerazione. inverter su compressori. sostituzione caldaie. recupero cascami termici Cogenerazione ad alto rendimento Installazione di motori elettrici a più alta efficienza e rifasamento Lampade efficienti e sistemi di controllo
% risparmio previsto al 2016 sul totale 48% 31%
recupero calore
13% 7%
XIII - 16
Motori elettrici
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Il campo magnetico rotante generato in un motore asincrono trifase.
Motori asincroni: • statore = parte fissa • rotore = parte rotante (il rotore è fatto da avvolgimenti nei quali viene indotta una corrente a causa del campo magnetico variabile dello statore; queste correnti producono campi magnetici che si oppongono ai campi dello statore e fanno muovere il rotore) • ns = giri al minuto del campo = 60υ/p con p=numero di poli e υ=frequenza CA • nr = giri al minuto del rotore interno allo statore < ns a causa del carico meccanico • s = (ns-nr)/ns = rapporto di scorrimento (0
migliori materiali e disegno
regolazione frequenza (inverter)
in questa zona, se nr diminuisce a causa del carico, la coppia T aumenta
Perdite: • effetto Joule • campi magnetici di fuga • attriti nel moto • bassa velocità di rotazione (carico morto addizionale)
Nota: il costo totale legato al ciclo di vita del motore (tipicamente superiore a 10 anni), è composto per il 98% dal costo del consumo d’energia elettrica, mentre circa solo il 2% è dato dal costo iniziale (acquisto più installazione) e dalla manutenzione. XIII - 17
Trasporti
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1992 1995 2000 2006 2009 2014
-
Euro Euro Euro Euro Euro Euro
I II III IV V VI
limiti su emissioni, non su consumo
metano GPL ibride
Monitoraggio delle emissioni di CO2 prodotte dalle autovetture nuove nell’UE: dati relativi al 2008, COM(2009)713 XIII - 18
Trasporti Emissioni di CO2 per kg di combustibile:
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Benzina:
2 C8H18 + 25 O2 --> 16 CO2 + 18 H2O + energia 2 mol C8H18 (114 g/mol) producono 16 mol di CO2 (44 g/mol) 2×114=228 g di C8H18 producono 16×44=704 g di CO2 1 kg di C8H18 produce (704/228)=3.09 kg di CO2 1 litro di C8H18 produce 3.09×0.720=2.22 kg di CO2 a 17 km/litro si producono 2220/17=131 g di CO2/km
Gasolio:
4 C12H23 + 71 O2 --> 48 CO2 + 46 H2O + energia 4 mol C12H23 (167 g/mol) producono 48 mol di CO2 (44 g/mol) 4×167=669 g di C12H23 producono 48×44=2112 g di CO2 1 kg di C12H23 roduce (2112/669)=3.17 kg di CO2 1 litro di C12H23 produce 3.17×0.832=2.64 kg di CO2 a 20 km/litro si producono 2640/20=132 g di CO2/km
Metano:
CH4 + O2 --> CO2 + 2 H2O + energia 1 mol CH4 (16 g/mol) producono 1 mol di CO2 (44 g/mol) 16 g di CH4 producono 44 g di CO2 1 kg di CH4 produce (44/16)=2.75 kg di CO2 a 21 km/kg si producono 2750/21=131 g di CO2/km
Ibrida (Prius) 22 km/litro (100 g di CO2/km) 30% in meno a parità di potenza
Fonte e calcolatore: http://www.sunearthtools.com/dp/tools/CO2-emissions-calculator.php?lang=it#txtCO2_9
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Ferrovia Principali interventi Recupero delle perdite di rete Reti DC: 15 to 20 % Reti AC: 3 to 5 %
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Recupero dell’energia di frenata Fino al 30% per treni a breve percorrenza
Oltre all’uso di energia elettrica da fonti rinnovabili
Fonte: European Rail Research Advisory Council, “Towards 2030 – Energy Roadmap for the European Railway sector” XIII - 20
Confronti Passeggeri Mezzo di trasporto
consumo specifico
Automobile
44 gep/pkm
Treno
16 gep/pkm
Aereo
50 gep/pkm
ciclo extraurbano
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Merci Mezzo di trasporto
consumo specifico
Camion
36 gep/tkm
Treno
16 gep/tkm
Aereo
200 gep/tkm
vkm = veicolo chilometro pkm = passeggero chilometro tkm = tonnellata chilometro NOTA: 1 gep = 10000 cal = 41860 J Fonte: Amici della Terra e Ferrovie dello Stato, I costi ambientli e sociali della mobilità in Italia, 5° rapporto (2005)
XIII - 21
