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Approvvigionamento energetico degli edifici da energia solare labelab s.r.l www.energialab.it www.rifiutilab.it www.acqualab.it Ing. Filippo Barattini
Indice della presentazione
1. ENERGIA SOLARE: di cosa stiamo parlando???
2. MOTIVAZIONI alla base del SOLARE come scelta strategica
3. STRATEGIA per un nuovo MODELLO di
APPROVVIGIONAMENTO ENERGETICO
4. EDIFICIO COLLETTORE/PRODUTTORE di ENERGIA
5. OPPORTUNITA’ TECNICHE CONSOLIDATE
6. NUOVI SCENARI all’ORRIZZONTE
7. La SFIDA del FUTURO PROSSIMO
2 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Il significato di energia solare
Per ENERGIA SOLARE si intende l'energia raggiante sprigionata dal Sole per
effetto di reazioni nucleari (fusione dell'idrogeno) e trasmessa alla Terra (ed in
tutto lo spazio circostante) sotto forma di radiazione elettromagnetica.
…convertita in energia TERMICA e/o ELETTRICA
DIRETTAMENTE INDIRETTAMENTE
Mediante trasformazione della luce Mediante i seguenti vettori:
(Pannelli Solari/Fotovoltaici)
• Biomasse + FORSU;
• Vento;
GEOTERMIA
GEOTERMIA
• Acqua;
• Combustibili Fossili
3 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Ogni anno il sole fornisce
15.000 volte più energia di
quanta ne venga consumata
dall’intera popolazione, senza
contare l’energia solare
trattenuta dalla superficie della
terra, dai corsi d’acqua e dal
materiale vegetale !!!
…il fabbisogno energetico
dell’umanità non può essere DENSITA’ ENERGETICA
soddisfatto dalla sola energia
solare??? FONTE DENSITA'
kWh/m2
0,1 ÷ 0,2
3
500
Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
650
4
Motivi a supporto del solare
1. ESAURIMENTO delle scorte dei COMBUSTIBILI FOSSILI e COSTI
associati
2. EMISSIONI in atmosfera associate all’utilizzo delle Fonti Energetiche
Rinnovabili (SOLARI), in particolare in riguardo a:
• CO2
• Polveri totali, fine ed ultrafini;
• NOx e SOx e loro inquinanti secondari derivati (Polveri secondarie
fine ed ultrafine, Ozono, e piogge acide)
3. Punto di forza (assieme al risparmio ed all’efficienza energetica) per il
raggiungimento degli obiettivi di Kyoto.
5 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
UNA POSSIBILE STRATEGIA VINCENTE
…ripensare ad un nuovo sistema di approvvigionamento energetico in
campo industriale, agricolo, civile e settore terziario, privilegiando, nell’ordine:
1. Produzione di energia da solare diretto (fotovoltaico e termico), indiretto
(idroelettrico, eolico) e da geotermia, che non hanno emissioni in
atmosfera!!!
2. Produzione di energia da combustione (con emissioni in atmosfera) da
biomasse e FORSU privilegiando le tecnologie più performanti (es.
Digestione anaerobica, Pirolisi, Gassificazione);
3. Produzione di energia dal vettore H2 ottenuto da biomasse o dall’acqua in
fuel cells a ciclo chiuso.
Generazione distribuita
Vs
Distribuzione basata sulle macroreti
e combustibili fossili
6 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
EDIFICIO = COLLETTORE E/O PRODUTTORE
DI ENERGIA
1. Analisi delle caratteristiche e
criticità ambientali territoriali del
sito: condizioni climatiche e vincoli
territoriali
2. Modelli progettuali di edifici a basso
consumo con impiantistica
(energetica a fonti rinnovabili) integrata!
ENERGIA
ENERGIASOLARE
SOLARECOME
COMEFONTE
FONTEUNICA
UNICAPER
PERGLI
GLIEDIFICI!!!
EDIFICI!!!
7 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
CONDIZIONAMENTO AMBIENTI e ACS
1. SOLARE TERMICO (riscaldamento e ACS)
INTEGRATO
2. CALDAIE, FOCOLARI e TERMOCAMINETTI
(Legna, Cippato, Pellets, Mais)
3. GEOTERMIA (Pompe di calore)
8 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
ENERGIA ELETTRICA
IL CONTO ENERGIA: I NUOVI INCENTIVI PER L’ENERGIA
ELETTRICA DA FOTOVOLTAICO
9 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Inquadramento normativo
• Direttiva 2001/77/CE “promozione dell'energia elettrica prodotta da fonti
energetiche rinnovabili nel mercato interno dell'elettricità ”
• D.Lgs. 387/03 “Recepimento della Dir. 2001/77/CE sulla promozione
dell'energia elettrica prodotta da fonti energetiche rinnovabili nel mercato interno
dell'elettricità”
• Dm 28 Luglio 2005 “Criteri per l’incentivazione della produzione di energia
elettrica mediante conversione fotovoltaica della fonte solare”
• Dm 6 Febbraio 2006;
• Delibere AEEG
10 Ing. F. Barattini - ENERGIALABSchema di impianto secondo i decreti “conto energia” 11 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Analisi economica dell’investimento “fotovoltaico” con il Conto Energia
Anno richiesta
2005 L’analisi è stata realizzata considerando le esigenze di una famiglia di 4 persone:
2007 2008 e
e 2006
incentivo €/kWh succ.
€/kWh Consumo annuo di energia elettrica
Potenza (P) 3.900 kWh
(potenza elettrica installata di 3 kWp)
1 kW ≤ P ≤ 20 kW 0,445 0,436 Decresce
del 2% Spesa annuale per l’energia elettrica consumata (3.900 kWh x 0,19 €/kWh)
20 kW < P ≤ 50 kW 0,46 0,451 rispetto al (considerando 0,19 €/kWh da fonte dati AEEG) = 741 €;
valore
50 kW < P ≤ 1000 dell’anno Costo impianto fotovoltaico da 3 kWp
0,49 0,48 19.800 €
kW prima
(con installazione e IVA al 10%)
Produzione annua di energia elettrica
(considerando una produzione di 1.300 kWh per ogni kWp 3.900 kWh
di potenza installata)
Ricavo annuale corrisposto dal GRTN con tariffa (3.900 kWh x 0,445
incentivante fissata per il 2005 pari a 0,445 €/kWh €/kWh)= 1735, 5 €
Beneficio Economico Annuo
(1735,5 €+ 741 €)=
(somma del ricavo annuale da tariffa incentivante e del
2.377,50 €/anno
costo annuale evitato per la bolletta di energia elettrica)
(19.800 € / 2.377,5 €/anno)
Tempo di ritorno semplice: Indice economico di prima
=
analisi
8 anni
Tempo di ritorno attualizzato: Indice economico che tiene
conto dell’aumento del costo della vita e del denaro nel 11 anni
tempo.
Rendimento dell’investimento (da confrontare con altri
investimenti alternativi come ad es. deposito bancario il 12 %
cui rendimento medio è pari a circa 2/3 %).
12 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB13 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
TRIGENERAZIONE
Lo sfruttamento dell’energia termica in surplus di un
impianto solare
Il ricorso ad impianti capaci di utilizzare
l’energia solare in eccedenza nei mesi
estivi, permette di migliorare le prestazioni
e l’efficienza dei sistemi solari
Utilizzare il calore generato dalla
radiazione solare sui collettori solari, per
il raffrescamento degli ambienti,
mediante le “macchine ad assorbimento”
14 Ing. F. Barattini - ENERGIALABFunzioni del ciclo
1) Generatore di vapore: il fluido
assorbe la quantità di calore QG
alla temperatura T1;
2) Condensatore: il vapore
condensa ad alta pressione, alla
temperatura ambiente T0,
cedendo il calore QC;
3) Evaporatore: alla pressione
PEEDIFICI ENERGICAMENTE AUTOSUFFICIENTI
Ovvero indipendenti dalle reti di distribuzione di energia alimentate da fonti
fossili o nucleari!!!
…qual’è l’ostacolo principale all’emancipazione energetica???
La scarsa efficienza dei sistemi di accumulo dell’energia prodotta dalle fonti
rinnovabili (solari)
…ma mentre per il “TERMICO” si rimedia con impianti solari (per riscaldamento
ambienti e ACS) integrati con sistemi a biomasse, per il “FOTOVOLTAICO” i
problemi rimangono irrisolti (aggravato dal fatto che il conto energia non è
valido per gli impianti STAND ALONE)
16 Ing. F. Barattini - ENERGIALABL’era dell’idrogeno: tecnologia FUEL CELL
Il vettore idrogeno sarà la risposta concreta ai problemi che il solare riscontra in
termini di efficienza di stoccaggio dell’energia (soprattutto per il fotovoltaico)
Solo un idrogeno generato da
fonti rinnovabili può offrire
realmente una strada
“sostenibile” all’energia.
L’idrogeno prodotto da
combustibili fossili (processi
di reforming) non risolvono il
problema dell’inquinamento
ma, al più, lo spostano al sito
di generazione dell’idrogeno.
Inoltre, l’idrogeno da
reforming non è direttamente
impiegabile nelle celle a
combustibile polimeriche, le
più promettenti dal punto di
vista energetico.
17 Ing. F. Barattini - ENERGIALABLa cella a combustibile
La filiera dell’idrogeno
Pannelli fotovoltaici
Accumulatore di
Elettrolizzatore
idrogeno
Energia elettrica
η=75% tra energia elettrica dal modulo Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
18
e energia chimica nell’idrogenoη= 40 ÷ 60 % tra energia chimica Oltre ad una elevata efficienza di
nell’idrogeno e energia elettrica al conversione la tecnologia F.C.
motore presente elevate prestazioni
ambientali
19 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB20 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
…850 miliardi di dollari = sussidio annuo (diretto ed indiretto) a favore
esclusivo delle fonti fossili e nucleari !!!
21 Ing. F. Barattini - ENERGIALABScenario tendenziale secondo modello “MARKAL-MACRO”
Consumo di energia per fonti primarie nello Quota delle diverse fonti sul consumo di energia
scenario Tendenziale primaria nello scenario Tendenziale
Prezzi delle fonti fossili nello scenario Tendenziale
22 Ing. F. Barattini - ENERGIALABUna delle possibili teorie dell’andamento esaurimento 23 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Cambiamenti Climatici per Gas effetto serra
Simulazione ARPA METEOCLIMA
Scenario al 2100 con il trend Scenario apocalittico con
aumento CO2 ed innalzamento di scioglimento tutti i ghiacci del polo
80 cm del livello mare
24 Ing. F. Barattini - ENERGIALABAspettativa di vita legata agli Ossidi di Azoto 36 Mesi di vita dovuti ai livelli riscontrati nella pianura Padana 25 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Revisione del PNR da delibera CIPE 123/2002 26 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
27 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Ventilazione (naturale forzata e domotica)
Problema inquinamento in ambienti domestici (IAQ - Indoor Air Quality)
1. Il 30 % delle abitazioni ed il 40 IN D OOR A IR QU A L IT Y
% del materiale edile può
EFFETTI INQUINANTI
nuocere alla salute (stima Effetti Effetti Danni
Odori SBS
OSM); biologici carginogeni materiali
Bioeffluenti
NOx
Sox
2. Si trascorre almeno il 60% CO
VOC
della vita in ambienti confinati, Ozono
in presenza di “rischi invisibili”. Radon
Contamin. Biologici
Manifestazioni: ETS
Fibre
• Respiratorie; Umidità
Legenda
• Oftalmiche; Effetti documentati
Effetti sospetti
• Neuropsichiche. SBS Sick Building Sindrome
"La qualità dell'aria negli ambienti interni". De Santoli & Fracastoro AICARR 1998
Mediante un sistema DNV (Demand Naturally
Ventilating oppure DCV (Demand Controlled
Ventilating)
28 Ing. F. Barattini - ENERGIALABcamino solare a pannello con flusso posteriore
29 Ing. F. Barattini - ENERGIALABI sistemi di gestione e controllo automatizzati (detti DOMOTICI o di CASA INTELLIGENTE)
sono il mezzo più efficace per economizzare energia, migliorando contemporaneamente le
prestazioni dell’edificio e la qualità della vita al suo interno
30 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB31 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Tipologia pannelli e componenti principali d’impianto
Struttura di un collettore piano Collettore a tubi
evacuati, con scambio
di calore ad immersione
Componenti principali di un impianto solare
termico
32 Ing. F. Barattini - ENERGIALABSistemi per la produzione di ACS
• Semplicità di installazione;
• Circolazione fluido
autoregolante;
• Costo contenuto;
• Adatto ai climi miti;
• Bassa efficienza;
Impianto a circuito chiuso a circolazione naturale
33 Ing. F. Barattini - ENERGIALABCircolazione forzata con doppio scambiatore Circolazione forzata con doppio serbatoio
(integrato con caldaia) alimentato dal primario ed integrato con caldaia
I principi di controllo e regolazione sono • riduzione fenomeni di miscelazione;
ampiamente consolidati;
• tempi di raggiungimento Tut. Rapidi;
Assemblaggio circuiti semplici
• Max efficienza sistema;
Attacco ∆T = 10 ÷ 15 °C
• Costoso e complesso.
Stacco ∆T = 4 ÷ 5 °C Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
34Caldaia a condensazione
• scambiatore di calore fumi-acqua
molto abbondante abbassa la
temperatura dei fumi (fino a
temperatura acqua di ritorno);
• il vapore d’acqua contenuto nei fumi
condensa cedendo all’acqua del
generatore il suo calore latente;
•i materiali di costruzione sono tali da
resistere all’azione acida del
condensato.
35 Ing. F. Barattini - ENERGIALABSistemi produzione ACS/RA
Sistema particolarmente diffuso in
Svizzera.
Non richiede particolari sistemi di
controllo eccessivamente costosi e
complessi;
Se lo scambiatore fosse interno, nel
caso di richiamo frequente
dell’utenza, l’acqua potabile fredda
in ingresso al piccolo tank
interferisce negativamente con la
stratificazione del serbatoio di buffer
La linea di ritorno riscaldamento
può andare sia nel tank che in
caldaia
Sistema “Combi” con serbatoio “tampone” e scambiatore
esterno per la rimozione del calore
36 Ing. F. Barattini - ENERGIALABPrestazioni e Pay-Back del solare termico
Impianto solare termico in abitazioni private (famiglia 4 persone) per ACS 45°C
Risparmio
Superficie Serbatoio Costo Costo Contributo Pay Back
Impianto 2 2 energetico
(m ) (l) (€/m ) totale (€) solare % (anni)
kWh/anno
Compatto ad
2 150 600 1200 43 * 1946 7
accumulo integrato
Circolazione naturale 3,8 300 600 2280 56* 2565 10
Circolazione forzata
3,8 300 800 3040 56* 2565 13
per ACS
Combinato per ACS e
10 700 750 7500 20** 4235 20
riscaldamento
* relativo al fabbisogno energetico per acqua calda sanitaria;
** relativo al fabbisogno totale per acqua calda sanitaria e riscaldamento. 0,085 €/kWh = Costo medio
gas calcolato su efficienza
media caldaia del 75%
EMISSIONE di CO2 per 1 kWh energia
tonn tonn
0,58
kg CO2/kWh CO2/pers.*anno CO2/pers.*anno
0,6 Impianto evitate evitate
0,5 (GAS) (ELETTRICO)
0,4
Compatto ad accumulo
0,12 0,28
0,25 integrato
0,3
Circolazione naturale 0,16 0,37
0,2
0,1 Circolazione forzata per
0,16 0,37
ACS
0
Scaldabagno elettrico Caldaia a gas metano Combinato per ACS e
0,26 0,61
riscaldamento
37 Ing. F. Barattini - ENERGIALABElementi fondamentali nel dimensionamento
Fattore di copertura solare VS efficienza del sistema
FS=[Qus/(Qus+Qtr)]x100
η = [Qus / (ExA)] x 100
Superare l’intervallo di valori indicato (60 ÷ 70 %) non risulta consigliabile. Ad una accresciuta
superficie installata non corrisponde un altrettanto significativo risparmio ed il tempo di ritorno
aumenta considerevolmente.
38 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB39 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Caldaie a Legna/Cippato/Pellets/Mais
1 litro Gasolio = 2 kg pellets Gasolio da riscaldamento: 1 €/L
PCI pellets = 5 kWh/kg Pellets: 0,3 €/kg
PCI legna = 2,5 Kwh/kg Mais: 0,15 €/kg
Per riscaldare un edificio di 100 m2 in classe
D occorrono 9.000 kWh/anno.
2.700 kg di CO2
• 900 litri di Gasolio (ovvero circa 900 €)
€ evitate !!!
• 1.800 Kg di Pellets (ovvero 540 €)
€
40 Ing. F. Barattini - ENERGIALABSchema di impianto
I rendimenti delle caldaie in commercio stanno in un range fra 80 ÷ 90 %
41 Ing. F. Barattini - ENERGIALABEsempio di una caldaia a Pellets 42 Ing. F. Barattini - ENERGIALAB
Stoccaggio del combustibile
Possibilità di stoccaggio sotterraneo
nel caso non ci sia uno spazio
chiuso per il serbatoio
43 Ing. F. Barattini - ENERGIALABUn esempio di caldaia a doppio combustibile
(Pellets/Mais)
L’innesto della combustione è sempre a pellets!!!
L’efficienza della combustione non varia
sensibilmente, mentre il risparmio gioca
notevolmente a favore del MAIS (circa il 50% in
meno)
44 Ing. F. Barattini - ENERGIALABTERMOCAMINETTI A LEGNA/PELLETS: soluzione
estetica a scapito della comodità
• hanno una resa minore delle caldaie pellets/cippato (< 80%);
• si integrano senza problemi con i sistemi solari e/o caldaie tradizionali;
• esistono anche modelli per riscaldamento ad aria con ventilazione forzata per
portare il calore45in tutti gli ambienti della
Ing. F.casa;
Barattini - ENERGIALABPompa di calore: complementare e/o alternativa al solare
• Si integrano facilmente con sistemi
riscaldamento solari e tradizionali;
•danno un minimo ingombro;
• Non danno emissioni e la qualità aria è
ottimale;
• Risparmi fra il 55 e 70 % per
riscaldamento ACS e Ambienti e fino al
90% per raffrescamento;
• Può essere posizionato su qualsiasi
terreno anche se la potenzialità termica
dipendono dal terreno a contatto con le
sonde geotermiche
Costo impianto climatizzazione tradizionale: 6.000 € / spesa annuale 1650 €
Costo impianto climatizzazione geotermico: 10.000 € / spesa annuale 800 €
RISPARMIO ANNUO 850 € & TEMPO AMMORTAMENTO EXTRA COSTO: 4,8 ANNI
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