esercitazione consumi energetici

ESERCITAZIONE 1
Valutazione dei consumi
globali di energia e delle
emissioni 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 possono essere applicate con le opportune modifiche a qualsiasi altro sistema che
utilizzi energia: un’azienda di servizi, un ospedale, un Comune, un edificio residenziale, una centrale termoelettrica, ecc.
Una delle prime cose che devono essere fatte quando si voglia iniziare ad occuparsi di gestione dell’energia è quantificare l’entità dei consumi energetici. Uno stabilimento può utilizzare energie di tipo diverso (energia elettrica, combustibili di
vario genere, fluidi termovettori acquistati all’esterno: es. stabilimento allacciato ad
una rete di teleriscaldamento), espresse in unità di misura diverse.
FIGURA 1.
L’azienda e il sistema Paese
σ’
σ
(QHUJLDHOHWWULFD
$]LHQGD
)OXLGL
WHUPRYHWWRUL
Cee
3HUGLWHSHU
3HUGLWHSHU
WUDVSRUWR
WUDVSRUWR
WUDVIRUPD]LRQL
WUDVIRUPD]LRQL
&HQWUDOLGL
JHQHUD]LRQH
&RPEXVWLELOL
3HUGLWHSHU
3HUGLWHSHU
JHQHUD]LRQH
JHQHUD]LRQH
WUDVSRUWR
WUDVSRUWR
3HUGLWHSHU
3HUGLWHSHU
WUDVIRUPD]LRQL
WUDVIRUPD]LRQL
WUDVSRUWR
WUDVSRUWR
C’
Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
1
Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema
Come valutare i consumi globali, cumulando quelli relativi alle diverse forme di
energia? Occorre convertire i vari consumi energetici in unità di misura omogenee e
poi sommarli. Tipicamente si utilizzano le tonnellate di petrolio equivalenti.
Le tonnellate equivalenti di petrolio sono una grandezza con una doppia natura: a
rigore sono una massa (1 tep = 1000 kg di petrolio), ma possono anche essere visti
come energia (1 tep ↔ energia sviluppata dalla combustione di 1 tonnellata di
petrolio), passando attraverso il potere calorifico convenzionale del petrolio:
H i, p = 41860 kJ ⁄ kg . L’energia sviluppata dalla combustione di 1 t di petrolio vale
quindi 41.86 GJ.
Per valutare i propri consumi, l’azienda ha due possibilità:
• 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 primo caso si valutano i cosiddetti consumi finali di energia, nel
secondo si valutano i consumi di energia primaria, cioè la somma dei consumi finali
(che sono i consumi veri e propri dello stabilimento) più tutti i consumi di energia
dovuti alle perdite imputabili a processi di trasformazione e al trasporto.
Quest’ultimo modo di valutazione dei consumi è quello prescritto in Italia dalla
legge n. 10/91 “Norme per l’attuazione del piano energetico nazionale in materia di
uso razionale dell’energia, di risparmio energetico e di sviluppo delle fonti rinnovabili di energia”. L’art. 19 prevede che tutti i consumatori di energia, sia privati che
pubblici, che superino una certa soglia di consumo annuo (calcolato in tep e in termini di energia primaria) debbano nominare un tecnico responsabile per la conservazione e l’uso razionale dell’energia (anche chiamato energy manager1), il cui
nominativo deve essere comunicato al Ministero dell’Industria, del Commercio e
dell’Artigianato, oggi Ministero delle Attività produttive. Le soglie sono in realtà
due:
• 10000 tep/anno per i soggetti del settore industriale;
• 1000 tep/anno per i soggetti di tutti gli altri settori: civile, terziario, dei trasporti.
L’energy manager, che può essere un dipendente oppure un consulente esterno,
deve associare alla conoscenza dei processi la conoscenza dell’aspetto energia. I suoi
compiti principali sono:
• predisporre bilanci energetici (conoscere i consumi, conoscere i contratti di acquisto, conoscere le utenze energetiche, ecc.);
• individuare azioni, interventi, procedure per promuovere l’uso efficiente
dell’energia all’interno della propria struttura.
I responsabili per l’uso razionale dell’energia in Italia nel 2003 erano circa 2.500
(fonte: F.I.R.E., Federazione Italiana per l’uso Razionale dell’Energia).
Metodologia per il calcolo dei consumi energetici, secondo la circolare M.I.C.A.
n. 219/f (1992). La circolare del M.I.C.A. del 2 marzo 1992 n. 219/f contiene alcune
note esplicative sulla metodologia di valutazione dei consumi energetici ai fini
dell’eventuale nomina dell’energy manager, secondo quanto prescritto dalla L. 10/91.
1. In realtà, la figura dell'energy manager nasce nel mondo anglosassone ai tempi della prima
crisi petrolifera del 1973, e in Italia con l’art. 22 della legge n. 308/82: si prevedeva che
tutte le imprese con più di 1000 dipendenti e con consumo riferito all'anno precedente superiore a 10000 tep comunicassero ogni anno al Ministero dell'Industria il nome del funzionario responsabile per la conservazione dell’energia; la legge non dava indicazione né di
ruolo né di incarichi e rimase sostanzialmente inapplicata.
2
Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
a) La valutazione dei consumi va riferita all’energia consumata per la produzione
di beni (semilavorati, manufatti ecc.) o per la prestazione di servizi (trasporto di persone o merci, illuminazione, climatizzazione ambienti, fornitura di energia elettrica,
ecc.), indipendentemente dal fatto che detti beni e servizi vengano utilizzati in proprio o destinati a terzi. Tale valutazione va riferita ai consumi globali del soggetto,
cumulando quelli relativi alle diverse fonti ed ai diversi usi.
b) La valutazione dei consumi va effettuata in termini di energia primaria ed
espressa in tep.
c) Per i combustibili (combustibili fossili, prodotti derivati da rifiuti organici ed
inorganici o da scarti di lavorazione, ecc.) il calcolo dei tep va effettuato tenendo
conto del loro potere calorifico inferiore. La quantità di petrolio m p in grado di generare la stessa quantità di energia generata dal consumo di una certa quantità di combustibile m avente potere calorifico inferiore H i (valore da richiedere al fornitore) è
pari a:
m⋅H
m p = --------------i
H i, p
(1.1)
dove H i, p è il potere calorifico inferiore del petrolio.
In mancanza di dati precisi sui prodotti combustibili utilizzati, si possono adottare
le equivalenze indicative riportate nella tabella che segue. Essa prende in considerazione soltanto alcuni prodotti combustibili; le equivalenze sono state ottenute utilizzando l’equazione (1.1) e valori convenzionali dei poteri calorifici inferiori H i .
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 petrolio liquefatti (GPL)
Benzine
Carbon fossile
Carbone di legna
Antracite e prodotti antracinosi
Legna da ardere
Lignite
Gas naturale
Equivalenza
1 t <--> 1.08 tep
1 t <--> 0.98 tep
1 t <--> 1.10 tep
1 t <--> 1.20 tep
1 t <--> 0.74 tep
1 t <--> 0.75 tep
1 t <--> 0.70 tep
1 t <--> 0.45 tep
1 t <--> 0.25 tep
1000 Nm3 <--> 0.82 tep
3
o
N.B. Condizioni normali ( Nm ): riferite a t = 0 C , p = 1 atm .
3
o
Condizioni standard ( Sm ): riferite a t = 15 C , p = 1 atm .
3
1 Sm = 1.055 Nm
3
d) L’energia elettrica viene valorizzata secondo la tabella seguente, a seconda che
la tensione di fornitura sia AT o MT, oppure BT2.
EQUIVALENZA TRA ENERGIA ELETTRICA E TEP (da
circolare del Ministero dell’Industria, del Commercio e dell’Artigianato del
2 marzo 1992, n. 219/f)
FIGURA 3.
Tensione di fornitura dell’energia elettrica
AT o MT
BT
Equivalenza
1 MWh <--> 0.23 tep
1 MWh <--> 0.25 tep
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 e delle emissioni di un sistema
e) Per i fluidi termovettori, i tep devono essere valutati mediante la relazione:
m ⋅ ∆h
m p = 1.2 ⋅ --------------H i, p
(1.2)
dove:
m p e H i, p sono le grandezze di cui all’equazione (1.1)
m = massa di fluido termovettore consumata
∆h = variazione di entalpia del fluido termovettore
1.2 = fattore correttivo (adimensionale) che tiene conto in modo convenzionale
del rendimento di produzione e distribuzione dell'energia termica.
NB. Poiché m ⋅ ∆h è l’effetto utile (calore ceduto dal fluido termovettore
all’utenza) e m p ⋅ H i, p è la spesa necessaria, si ha che il rendimento convenzionale di
produzione e distribuzione dell'energia termica implicito nell’equazione (1.2) vale:
m ⋅ ∆h
1
η = --------------------- = ------- = 0.833
1.2
m p ⋅ H i, p
f) Per le fonti rinnovabili si adottano i criteri di conversione validi per l'energia
elettrica, qualora sia prodotto tale vettore (es. fotovoltaico, idraulico, eolico), o quelle
della formula valida per i fluidi termovettori, se il vettore prodotto è energia termica
(es. solare termico o geotermia per usi termici).
Osservazione) Utilizzando i dati della figura 3 si può ricavare il rendimento medio
del sistema elettrico nazionale sottinteso in tali equivalenze:
C ee
η sist, el = ------C’
(1.3)
dove C ee è il consumo finale di energia elettrica e C’ e la quantità di energia primaria che è necessario consumare affinché la quantità C ee possa essere prodotta e
resa disponibile all’utilizzatore.
Per come è definito, η sist, el tiene conto di:
• rendimento medio di generazione;
•
•
•
•
•
•
perdite di trasformazione MT/AT3;
perdite di trasporto sulla rete di trasporto AT (rete di trasmissione);
perdite di trasformazione AT/MT;
perdite di trasporto sulla rete di trasporto MT (rete di distribuzione MT);
perdite di trasformazione MT/BT;
perdite di trasporto sulla rete di trasporto BT (rete di distribuzione BT).
Nel caso di fornitura in BT, l’equivalenza tra MWh e tep è più favorevole rispetto
al caso di fornitura MT o AT perché sul sistema elettrico nazionale non gravano le
perdite dovute alle ultime due cause (gravano sull’utente).
3. Normalmente la generazione avviene in MT, poi l’energia elettrica viene trasformata in AT
per l’immissione nella rete di trasmissione.
4
Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
Contabilizzazione delle emissioni di gas ad effetto serra. L’anidride
carbonica
(CO2) non è il solo gas che provoca l’effetto serra in atmosfera: anche altri gas hanno
effetti simili, spesso molto più dannosi, ma, per fortuna, non vengono emessi in quantità elevatissime come nel caso della CO2, che viene prodotta in tutti i processi di
combustione. I principali altri gas ad effetto serra sono il metano, il protossido di
azoto, l’esafluoruro di zolfo, i gas refrigeranti (clorofluorocarburi CFC, idroclorofluorocarburi HCFC, idrofluorocarburi HFC, ecc.) La comunità scientifica internazionale ha valutato la capacità di ciascuno di essi di contribuire all’effetto serra
rapportandola a quella del più importante, che è l’anidride carbonica. Per tenere
conto anche di questi gas si è soliti considerarli in termini di CO2 equivalente.
Un’azienda può dunque valutare le proprie emissioni di gas serra in termini di
CO2 equivalente secondo opportuni coefficienti di conversione: gli indici GWP (Global Warming Potential).
Gli indici GWP utilizzati in ambito nazionale ed internazionale sono quelli proposti dall’Intergovernmental Panel on Climate Change (IPCC), un’istituzione fondata
nel 1988 dall’ONU (in particolare dall’UNED, United Nations Environment Programme) e dal World Meteorological Organization (WMO) con lo scopo di studiare i
problemi legati ai potenziali cambiamenti climatici su scala mondiale.
E’ stato assunto pari a 1 il potenziale di effetto serra di 1 kg di CO2 per un certo
periodo. Sono stati scelti tre orizzonti temporali di riferimento (20, 100 e 500 anni).
In effetti la diversa azione di un gas serra rispetto all'anidride carbonica dipende dal
periodo in anni che si considera e questo perché i composti riescono ad essere
distrutti naturalmente ad opera della radiazione elettromagnetica ultravioletta con
tempi diversi legati soprattutto alla loro struttura chimica. Il riferimento più frequente
è quello a 100 anni (GWP100).
FIGURA 4. Global Warming Potentials (Fonte: IPCC Third Assessment Report Climate Change 2001: The Scientific Basis, Cambridge, UK, Cambridge
University Press, 2001)
Gas
Denominazione
CO2
Biossido di carbonio
CH4
Metano
N2O
Protossido di azoto
SF6
GWP20
GWP100
GWP500
1
1
1
62
23
7
275
296
156
Esafluoruro di zolfo
15100
22200
32400
CFC-12
R12
10200
10600
5200
HFC-134a
R134a
3300
1300
400
HCFC-22
R22
4800
1700
540
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
...
Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
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Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema
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 riportati nella tabella seguente.
Mese
Gen
Feb
Mar
Apr
Mag
Giu
Lug
Ago
Set
Ott
Nov
Dic
ENERGIA ELETTRICA
media tensione
GAS NATURALE caldaie
Consumi (kWh)
Consumi (Sm )
Consumi (Sm )
183150
227610
273690
215370
261990
266040
279270
120456
252000
256518
264918
207858
40758
32849
22172
10500
0
0
0
0
0
1230
24414
31639
1294
1532
1161
1278
781
984
940
499
911
1760
798
1420
3
GAS NATURALE mensa
3
a) Calcolare il consumo di energia primaria (secondo la L. 10/91) dell’azienda
nell’anno considerato, conoscendo:
• potere calorifico inferiore del gas naturale Hi, gn = 47450 kJ ⁄ kg ;
• densità del gas naturale ρ gn = 0.76 kg ⁄ Sm 3 .
b) Sapendo che l’azienda XYZ opera nel settore metalmeccanico, dire se è tenuta
per legge alla nomina del responsabile per la conservazione e l’uso razionale
dell’energia.
c) A quanto ammontano i consumi finali di energia dell’azienda (espressi in tep)
nel 2000? A cosa è dovuta la differenza tra consumi di energia primaria e consumi
finali?
[a) 798.4 tep , b) no, c) 394 tep ]
2.
I consumi di energia primaria dell’azienda ABC in un anno sono stati pari a
500 tep , così ripartiti:
• 75% energia elettrica BT;
• 20% gas naturale per riscaldamento;
• 5% gasolio per autotrazione.
Con riferimento alla Figura 2 e alla Figura 3, determinare:
a) il consumo di energia elettrica;
3
b) il consumo di gas naturale, espresso in Sm ;
c) il consumo di gasolio;
d) calcolare il rendimento medio di generazione, trasporto e trasformazione
dell’energia elettrica che è implicito nell’equivalenza indicata dal Ministero, sia per
le forniture in MT (o AT) che per quelle in BT.
3
[a) 1500 MWh , b) 115593.6 Sm , c) 23148 kg , d) η MT = 0.3739 , η BT = 0.3440 ]
6
Gestione dei Sistemi Energetici - Esercitazioni
Un’azienda acquista l’energia termica di cui ha bisogno per il riscaldamento degli
ambienti ( 1.5 GWh ⁄ anno ) dalla vicina centrale di teleriscaldamento; per l’elet-
3.
tricità (fabbisogno: 2.5 GWh ⁄ anno ) si rivolge ad un’azienda confinante che
possiede un impianto per la produzione di energia elettrica MT.
Altri dati:
• la centrale di teleriscaldamento è costituita da caldaie a biomassa
3
( H i, bio = 3.5 kWh ⁄ kg , ρ bio = 350 kg ⁄ m ) con rendimento medio stagionale
dell’80%;
• l’impianto per la generazione dell’energia elettrica è a gas naturale
3
( H i, gn = 34123 kJ ⁄ Nm ), con rendimento medio del 35%
Calcolare il consumo annuo di energia primaria espresso in tep, secondo la L. 10/
91.
[ 729.8 tep ]
4.
Calcolare i chilogrammi di CO2 emessi durante la combustione completa rispettivamente di:
a) 1 litro di benzina;
b) 1 litro di gasolio;
c) 1 metro cubo standard di gas naturale.
kJ
Potere calorifico inferiore ⎛ ------⎞
⎝ kg⎠
Combustibile
Formula bruta
Densità
Benzina
C y H 1.87y
kg
0.75 -----l
44000
Gasolio
C y H 1.8y
kg
0.81 -----l
43200
Gas naturale
C y H 3.8y N 0.1y
kg
0.76 ---------3Sm
45000
d) A quanto ammontano le emissioni di CO2 per unità di energia sviluppata in
ciascuno dei tre casi?
g
g
g
[a) 2.38 kg , b) 2.58 kg , c) 1.94 kg , d) 72 -------- , 74 -------- , 57 -------- ]
MJ
5.
MJ
MJ
La tabella che segue è un estratto del Rapporto Ambientale 2003 dell’azienda
AEM Milano, riguardante le emissioni in atmosfera4.
Tipologia di emissione
Unità di misura
Valore
CO2
t
1089243
NOx
t
652
CO
t
30
Gas naturale
migliaia Nm3
17364
SF6
kg
184
R22
kg
32
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Valutazione dei consumi globali di energia e delle emissioni di un sistema
Le prime tre sostanze derivano dai processi di conversione dell’energia che hanno
luogo nelle sue centrali termoelettriche, mentre le emissioni di gas naturale sono
imputabili a perdite durante il processo di distribuzione del gas, quelle di esafluoruro
di zolfo a perdite in quadri ed interruttori elettrici, quelle di R22 a perdite negli
impianti di raffreddamento che servono processi/fabbricati.
Calcolare le emissioni di CO2 equivalente, usando i fattori di conversione a 100
anni proposti dall’Intergovernmental Panel on Climate Change.
Altri dati: approssimare il gas naturale a metano, densità del metano
kg
ρ = 0.7174 ----------3- .
Nm
Di seguito sono riportati i Global Warming Potential a 100 anni delle sostanze
interessate.
Tipologia di emissione
GWP100
CO2
1
NOx
-
CO
-
CH4
23
SF6
22200
R22
1700
[1.38 milioni t CO2 eq.]
4. Fonte: http://www.aem.it/home/cms/ambiente/ambiente_qualita_sicurezza/
rapporto_ambientale/anno_2003/includes/Pagine8_ambientale2003.pdf
8
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