Giovedì, 17 Marzo 2011 10:03

Configurazioni invernale ed estiva del TES

A seconda del fabbisogno energetico richiesto il TES può assumere due diverse configurazioni, da applicare rispettivamente nel periodo invernale e in quello estivo, che coinvolgono le seguenti tecnologie:

Nella configurazione invernale:

  1. un gruppo elettrogeno in assetto di cogenerazione (ad
esempio un motore diesel oppure una turbina a gas);
  2. un sistema di recupero del calore di raffreddamento dalla
camicia del motore e dai gas di scarico;
  3. una rete di distribuzione del calore recuperato all'utenza (o l'alimentazione di una rete già esistente)
  4. un sistema di accumulo del calore eventualmente in esu
bero per il livellamento delle oscillazioni dei carichi;
  5. un sistema di smaltimento di calore eventualmente in eccesso.
Nella configurazione estiva
Nella configurazione estiva il carico termico si riduce al solo fabbisogno di acqua calda per usi igienici mentre cresce il fabbisogno di frigorie per il condizionamento, entra così in gioco il frigorifero ad assorbimento che, alimentato dal calore recuperato dal motore diesel, copre una parte del carico di condizionamento. La quota rimanente del carico frigorifero viene coperta dalla stessa pompa di calore reversibile azionata in questo caso in senso inverso, perciò con funzione di frigorifero. Il motore diesel può dunque funzionare in assetto di cogenerazione anche nella stagione estiva.
L'efficienza del TES si deve ad alcuni fattori principali:
  • l'energia termica distribuita dal tcleriscaldamento è in realtà
un soltoprodotto della produzione locale di energia elettrica;
  • l'energia elettrica prodotta alimenta altri componenti
del TES e l'utenza locale;
  • la pompa di calore può trasformare ogni unità di ener
gia elettrica consumata in almeno 3-4 unità di calore
(purché la temperatura richiesta non superi i 50-55 °C).


La gestione ottimale della centrale è rego
lata da un software che provvede anche al
monitoraggio dei risultati: il suo bilancio fi
nale dovrà rilevare un risparmio di energia
di circa il 40% rispetto ai metodi tradizio
nali di gestione energetica.

Applicazione dei TES

I campi di applica
zione più appropriati sono insediamenti di
una certa dimensione, in cui le utenze ener
getiche di freddo e di calore si integrino
con modalità ed esigenze complesse (ad
esempio i poli tecnologici e commerciali).
Applicazioni di questo tipo sono operanti
negli Stati Uniti fin dalla prima crisi ener
getica degli anni Settanta. In Italia il primo TES è stato realizzato nel 1980 a Reggio Emilia (Progetto RETE-I),con caratteristiche di elevata complessità e di conseguenza con alti rendimenti. Altri ne sono seguiti (ad esempio a Bagno di Romagna), ma a tutt'oggi i TES sono utilizzati molto al di sotto di quanto sarebbe auspicabile.

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Martedì, 15 Marzo 2011 09:14

II sistema a energia totale o TES

Quando attorno a un nucleo iniziale costituito da una macchina di cogenerazione a piccola scala si integrano ulteriori componenti destinati al massimo recupero delle energie disperse, si passa a una configurazione tecnologica più complessa denominata "sistema a energia totale" (Total Energy System, o TES). Il sofisticalo concetto di insieme del TES integra le funzioni di diverse apparecchiature raggiungendo i più elevati rendimenti proprio attraverso il metodo di rendere minima (tendenzialmenle nulla) ogni forma di spreco energetico; perciò possiamo dire che il TES realizza il progetto energetico più efficiente.

Le tecnologie tipicamente integrabili nei TES sono:

  • pompe di calore e frigoriferi a compressione in assetto
reversibile;
  • frigoriferi ad assorbimento;
  • sistemi di accumulo di aequa fredda e calda (per scaglionare anche di alcune ore la fase eli produ/ione e quella della richiesta).
Ne risulta un impianto di una certa complessità, da gestire attentamente sia in fase di progetta/ione che di installazione ed esercizio, il quale è concepito per attuare, in un processo "circolare":
  1. l'utilizzo completo dell'energia erogata, in assenza di
dispersioni,
  2. il recupero di tutte le forme di energia create come "sot
toprodotto" dei processi,
  3. la produzione autonoma di energia.

Una centrale termica unica con rete per il teleriscaldamento, pompe di calore, riscaldamento a bassa temperatura alimenta dunque centralmenle il riscaldamento e il condizionamento. Oltre a produrre l'energia necessaria ai propri consumi evitando dispersioni, l'impianto produce anche una quota di energia in eccesso da rivendere alla rete elettrica. Questo punto è particolarmente importante se si considera che, come abbiamo visto, nelle trasmissioni e trasformazioni almeno il 60% dell'energia viene normalmente sprecata in quanto inutilizzabile.

In termini generali un TES è concepito come segue:
La centrale unica di fornitura dei servizi energetici comprende, in stretta relazione l'uno con l'altro, i seguenti componenti già illustrati:

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Martedì, 15 Marzo 2011 09:11

La cogenerazione

Con il termine "co-generazione" si intende più esattamente la produzione combinata di elettricità e calore: più che di una specifica tecnologia si tratta di un metodo più razionale di produrre energia elettrica e termica, che punta a evitare lo spreco dei due terzi del potenziale energetico del combustibile di partenza (che una centrale termoelettrica scarica necessariamente nell'ambiente sotto forma di calore). Lo spreco si evita sfruttando il calore di scarto della generazione elettrica.

Poiché è più facile trasportare lontano l'energia elettrica prodotta piuttosto del calore, nella scelta della localizzazione è necessario privilegiare quest'ultimo. Pertanto la cogenerazione è stata finora mollo applicata all'interno delle industrie con elevati utilizzi termici (per esempio cartiere o raffinerie); nel settore civile, invece, deve necessariamente essere associala alla presenza di una rete di teleriscaldamento per la distribuzione del calore all'utenza. Le macchine più usate sono i motori diesel o i motori a gas (di potenza da 15 kW a qualche MW). Per grandi impianti si utilizzano anche le turbine a gas di derivazione aeronautica. In questo settore tuttavia sono in corso molte innovazioni e sono ormai disponibili macchine di nuova generazione di alta efficienza e costi competitivi.

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Martedì, 15 Marzo 2011 09:07

La pompa di calore

II principio di funzionamento della pompa di calore e analogo a quello di un frigorifero, salvo il l'atto che il processo avviene in senso opposto: si sottrae calore da una sorgente fredda e lo si fornisce a una temperatura più elevata all'utilizzo finale. Infatti la pompa di calore è detta di tipo "reversibile" quando può essere azionata in senso inverso, ovvero come un vero e proprio frigorifero a compressione.

La massima temperatura che può fornire una pompa di calore non supera i 50-55 °C. Quindi è adatta solo a impianti di riscaldamento che non superino queste temperature (quali i sistemi a irraggiamento. Ma i rendimenti migliori si ottengono quando sono minimi i differenziali di temperatura tra la sorgente fredda (che cede calore) e la zona calda (che lo riceve): per esempio quando da un lato la temperatura finale da produrre è attorno ai 45-50 °C, e dall'altro la sorgente fredda è costituita da acqua (fiume, lago o prelievi di falda) che può garantire temperature abbastanza costanti tutto l'anno (5-10°C anche in inverno). In queste condizioni la pompa raggiunge il coefficiente di prestazione (COP) ottimale di 3,5: ovvero restituisce ben 3,5 kWh sotto forma di acqua calda per ogni kWh consumato.

Le pompe di calore che raffreddano l'aria (la maggior parte di quelle in commercio) sono meno efficienti perché quando in inverno l'aria esterna si raffredda molto il divario tra la sorgente fredda e quella calda sale notevolmente, riducendo drasticamente l'efficienza e spesso anche la stessa convenienza economica.
La pompa di calore è una macchina che è stata introdotta come componente possibile di un TES ma che può essere impiegata anche in modo indipendente per alimentare impianti di riscaldamento a bassa temperatura. Il suo funzionamento richiede una sorgente pregiata quale l'energia elettrica, ma in questo caso l'uso è appropriato poiché, come abbiamo visto, questo apparecchio consente di restituire, sotto forma di energia termica a bassa temperatura, da tre a quattro volte la potenza elettrica consumata.

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Giovedì, 10 Marzo 2011 10:24

Uso appropriato dell'energia

Uso "appropriato" dell'energia significa appunto scegliere la forma di energia più adatta per ogni tipo di uso energetico finale, quella cioè che a monte del processo produce il minore spreco. Scaldare l'acqua domestica con l'energia elettrica, per esempio, dunque a temperature inferiori a 100 °C, è un uso non appropriato dell'elettricità, perché equivale a impiegare una quota tripla di energia rispetto a quella realmente necessaria. L'uso dell'elettricità (che può fornire temperature di oltre 1000°) è invece appropriato nell'industria, dove sono necessarie temperature altissime. Un'eccezione in questo senso è data dall'uso delle pompe di calore.
Va tenuto presente che i piccoli sprechi domestici diventano un fatto enorme in quanto vengono moltiplicati per milioni di persone che li compiono. Pensiamo ad esempio al fatto che, oltre ai boiler, tutte le lavatrici e lavastoviglie usano la forma di energia più pregiata (elettrica) per l'uso più banale (scaldare l'acqua a 30,70 o 90 °C). Dal punto di vista energetico bisognerebbe invece scaldare direttamente l'acqua con il gas o il gasolio, per esempio immettendo anche negli elettrodomestici acqua già riscaldata.

Accorgimenti per un uso mirato delle fonti giuste di energia per i giusti utilizzi: a. Nella verifica delle opportunità:

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Giovedì, 10 Marzo 2011 10:21

Gestione dell'energia e progetto energetico

I problemi della produzione e dell'utilizzo dell'energia vanno affrontati mettendo in relazione tutti gli aspetti coinvolti e introducendo il concetto più generale di "progetto energetico", sostitutivo e comprensivo dei progetti per la climatizzazione e l'alimentazione elettrica . La concezione del progetto energetico può variare moltissimo, a seconda delle dimensioni del problema e delle opportunità offerte dalla situazione. Nel caso di piccoli interventi potrà limitarsi alla valutazione delle migliori soluzioni di impianto in funzione della tipologia costruttiva e del comportamento delle strutture, nonché delle esigenze di utenza. Nel caso di grandi insediamenti, invece, potrà estendersi all'ideazione di relazioni particolarmente efficienti fra le singole installazioni, per giungere non solo al miglior controllo delle dispersioni, ma anche alla produzione autonoma di un surplus di energia. È questo il caso del TES.
L'impiantistica convenzionale dipende ancora molto dall'energia elettrica. Ma quando si parla di "energia elettrica" va chiarito che la massima parte di questo tipo di energia è prodotta in realtà dalla combustione del petrolio, la quale determina conseguenze note sulle quali è qui inutile dilungarsi (altissimi consumi di risorse non rinnovabili, sprechi energetici, contributi alla produzione di anidride carbonica, inquinanti ed effetto serra). In Italia, per esempio, la produzione dell'energia elettrica:
  • è generata solo in piccola parte da fonti rinnovabili: si
tratta di circa il 20% del totale e proviene quasi interamen
te da impianti idroelettrici che sfruttano cineticamente l'e
nergia potenziale dell'acqua, mentre le quote prodotte da
fonti rinnovabili (quali il solare, l'eolico e il geotermico)
sono finora ininfluenti. Va detto che gli stessi impianti
idroelettrici non sempre sono alimentati da soli apporti na
turali. Ad esempio gli impianti idroelettrici di pompaggio (i
sistemi che ripompano a monte, nelle ore notturne, l'acqua
fluita verso il basso nelle ore diurne) richiedono quote
consistenti di energia non rinnovabile.
  • Il restante 80% è prodotto dalla combustione (petrolio,
carbone e metano: in Italia riveste una particolare impor
tanza la produzione da metano). In questo caso la produ
zione comporta grande dispersione di energia perduta nel
le trasformazioni: infatti solo il 35-37%
del contenuto energetico del combustibile di partenza
(energia iniziale) si traduce in energia elettrica, il rimanen
te 60% viene disperso nei fiumi o nell'atmosfera sotto for
ma di calore (acqua calda o aria a seconda degli impianti).
Le centrali di nuova generazione a ciclo combinato regi
strano un progresso in quanto portano questi rendimenti a
livelli del 50%, però possono utilizzare solo metano e, ben
ché lo riducano, non risolvono il problema degli sprechi.

In conclusione, per produrre 1 kWh di energia elettrica si devono utilizzare quasi 3 kWh in termini di combustibile bruciato nelle centrali termoelettriche. La difficoltà della produzione, con tutti i relativi costi economici e ambientali, è una delle ragioni per cui l'energia elettrica rappresenta il vettore di energia più pregiato di cui disponiamo, il cui utilizzo va riferito solo agli usi obbligati.
Ogni fonte energetica può infatti essere classificata come più o meno pregiata in base alle temperature che è in grado di mettere a disposizione: in altre parole il "pregio" di una forma di energia è definito dalla temperatura massima che essa è in grado di produrre.

Perciò la qualità delle forme di energia decresce, diminuendo di pregio, lungo la scala che segue:

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