INNOVAZIONE PER L’EFFICIENZA ENERGETICA Milano, 02/09/2016 Esigenze e scelte effettuate dal Politecnico di Milano prof. Ennio Macchi – prof. Maurizio Delfanti Politecnico di Milano Dipartimento di Energia Soluzioni per l’efficienza energetica Il Decreto 102/2014 • Il decreto 102/14, in attuazione della direttiva 2012/27/UE, stabilisce un quadro di misure per la promozione/miglioramento dell'efficienza energetica che concorrono all’obiettivo nazionale di risparmio energetico riduzione, entro l'anno 2020, di 20 MToe dei consumi di energia primaria Promozione dell'efficienza energetica negli edifici Miglioramento della prestazione energetica degli immobili della Pubblica Amministrazione Diagnosi energetiche e sistemi di gestione dell'energia Misurazione e fatturazione dei consumi energetici • Il decreto 102/14, inoltre, detta norme finalizzate a rimuovere gli ostacoli sul mercato dell'energia e a superare le carenze del mercato che frenano l'efficienza nella fornitura e negli usi finali dell'energia. Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Sistemi Efficienti di Utenza (SEU) Delibera 578/2013/R/eel • Il Sistema Efficiente di Utenza (SEU) è un sistema in cui: o uno o più impianti di produzione di energia elettrica, alimentati da fonti rinnovabili o CAR, gestiti dal medesimo produttore (anche diverso dal cliente finale) • o sono direttamente connessi, tramite un collegamento privato, a un cliente finale o sono realizzati all’interno di un’area di proprietà o nella disponibilità del cliente. I SEU, definiti dal d.lgs 115/08 e regolati dalla Delibera AEEG 578/2013/R/eel, permettono di realizzare modelli di business per FER/CAR in grid-parity (senza incentivi). • Il vantaggio di questi sistemi è legato ad uno «sconto» sulle componenti tariffarie relative al dispacciamento, alla trasmissione/distribuzione/misura e agli oneri generali di sistema. o I corrispettivi tariffari sono applicati all’energia elettrica prelevata nel punto di connessione e solo in minima parte (5%) all’energia autoconsumata (componenti A, UC, ad esclusione della AE) Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. 4 Soluzioni per l’efficienza energetica La riforma dei mercati elettrici: il nuovo DCO 298/2016/R/EEL • DCO 298/2016/R/EEL: apertura del Mercato dei Servizi di Dispacciamento a carichi e piccoli generatori che potranno così fornire risorse di regolazione. • La prima fase sarà operativa ad inizio 2017 e avrà durata biennale; MSD sarà sempre basato su un Central Dispatch Model, ma saranno abilitate, eliminando i vincoli di Terna sul Codice di Rete: unità di produzione rilevanti alimentate da FRNP (singolarmente) aggregati di UP non rilevanti (FRNP e non) su base zonale aggregati di unità di consumo (rilevanti e non) su base zonale • Gli aggregati di carico e produzione Prezzo medio mensile dei servizi a salire nel 2015 possono accedere a MSD 140 esclusivamente per il tramite del 120 proprio Utente del Dispacciamento 100 Terna definirà una soglia per la grandezza dell’aggregato: 1 MW? €/MWh • 80 60 40 Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. 20 0 1 2 3 4 5 6 7 mese 8 9 10 Sud 11 12 Nord Soluzioni per l’efficienza energetica La Commissione Energia del Politecnico di Milano • La Commissione Energia è stata istituita l’11 giugno 2012. • Ha come compiti prevalenti: definizione delle strategie di Ateneo in materia di Energy management, risparmio economico, di conservazione e uso razionale dell’energia; verifica della conformità delle azioni intraprese con le normative vigenti; analisi dei contratti di fornitura dei servizi energetici; verifica della corretta gestione/manutenzione impianti; monitoraggio/controllo dei consumi di energia e acqua; consuntivi energetici e bilanci di previsione. • La Commissione Energia è costituita da: Ennio Macchi (Coordinatore); Maurizio Delfanti (Energy Manager); CE DG SSA ASICT … Gianpaolo Cugola; Mario Motta; Manuela Grecchi Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. AGIS ATE Soluzioni per l’efficienza energetica I consumi totali del Politecnico nel 2015 Fonte o vettore energetico Gasolio Benzina autotrazione Gas naturale Elettricità approvvigionata dalla rete elettrica Calore consumato da fluido termovettore acquistato Unità Quantità convertita in TEP 10.836,7 litri 9,320 2.732,7 litri 2,091 3.280.602,4 Sm³ 2.742,584 42.991,5 MWh 8.039,412 855,5 MWh 88,113 Quantità da convertire Totale consumi espressi in TEP Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. 10.881,5 Soluzioni per l’efficienza energetica Il progetto nasce dall’esigenza di rinnovare il campus in chiave sostenibile per sperimentare le innovazioni prodotte dalla ricerca universitaria come occasione per ripensare stili di vita diversi e costruire ambienti più accoglienti, quindi: partiamo da noi stessi per proporre un modello migliore, esemplare e di riferimento per l’intera città Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Campus Sostenibile: la logica di progetto Come ripensare Città Studi in chiave sostenibile? – Progettando il campus in modo condiviso con la comunità (Living Lab) – Rendendo le università un laboratorio della sostenibilità – Applicando sul posto le innovazioni prodotte dalla ricerca universitaria – Favorendo lo sviluppo di atteggiamenti consapevoli – Integrando in modo virtuoso le università con il loro contesto in sintesi… sperimentando e proponendo un modello esemplare di riferimento per l’intera città in una logica collaborativa CREARE ALLINEAMENTI E INDIRIZZARE IL PROCESSO Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Campus Sostenibile: il concept del progetto Un approccio bottom-up, basato sulla condivisione del progetto con la comunità, sia interna che esterna Lavorare a uno spettro ampio di azioni: dal layout fisico del campus all’efficienza energetica, fino ai comportamenti delle persone Lavorare al contesto urbano fisico in ottica di rinnovamento Superare i confini disciplinari Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica MASTERPLAN: temi per la sostenibilità PEOPLE ENERGY ENVIRONMENT MOBILITY TAVOLO ENERGY: • risparmio energetico (riduzione dei consumi e delle dispersioni) • utilizzo diffuso delle fonti rinnovabili • monitoraggio e gestione energetica • sperimentazione di sistemi innovativi per il controllo energetico OBIETTIVI: • implementazione di sistemi innovativi per il monitoraggio dei consumi energetici • applicazione di tecniche e sviluppo di modalità gestionali per il risparmio energetico • copertura di parte del fabbisogno energetico con fonti rinnovabili ATTIVITA' IN CORSO: • Rilievo/restituzione consumi allo stato di fatto FOOD & HEALTH (dal 2011) Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to • Energia. installazione di sensori per il monitoraggio Soluzioni per l’efficienza energetica Diagnosi energetica: consumi termici per edificio (m3 gas/m3 edificio) 14.00 12.00 Leonardo Lambru La Masa Durando schini Il Campus Leonardo: mc di gas/mc di edificio 10.00 • ha edifici storici • pesa per il 50% dei consumi totali di gas naturale • ha consumi specifici molto elevati 8.00 6.00 4.00 2.00 Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. DU_09 DU_08 DU_07 DU_06 DU_05 DU_04 DU_03A DU_03 DU_02 DU_01 LM_16 LM_16a LM_15 LM_14 LM_13 LM_24 LM_20 LM_12 LM_19 LA_25A LA_25 LA_27 LE_21 LA_26 LE_20 LE_19 LE_16 LE_15 LE_14 LE_13 LE_12 LE_11 LE_09 LE_08 LE_06 LE_05 LE_04A LE_04 LE_03 LE_02 LE_02A LE_01 0.00 Soluzioni per l’efficienza energetica Campus Leonardo: i consumi elettrici per edificio Gennaio 2016 (kWh/m2 edificio) Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Edificio 1 Edificio 2 Edificio 2A Edificio 3 Edificio 4 Edificio 4A Edificio 5 Edificio 6 Edificio 7 Edificio 8 Edificio 9 e 9A Edificio 10 Edificio CT1 Edificio 11 Edificio 12 Edificio 13 Edificio 14 Edificio 15 Edificio 16 Edificio 18 Edificio 19 Edificio 20 Edificio 21 kWh/m2 6,64 2,38 2,17 5,78 1,62 1,83 5,89 6,62 7,37 6,41 4,80 7,21 5,21 8,01 4,88 2,72 7,59 6,71 7,72 6,51 Soluzioni per l’efficienza energetica Sistema di trigenerazione per il Campus Leonardo (SEU) • Tra le azioni intraprese, è risultato prioritario l’intervento sul Campus Leonardo • Alla luce delle analisi condotte, grazie anche all’attuale contesto normativo regolatorio, è risultata di assoluta priorità l’applicazione della trigenerazione, per o conseguire una maggiore efficienza energetica nei processi di produzione di acqua calda per riscaldamento, acqua fredda per condizionamento ambiente, combinando la produzione di tali flussi energetici con la produzione di EE in gran parte per autoconsumo (trigenerazione) o • abbattere significativamente i costi di approvvigionamento energetico La gestione ottimizzata dei flussi energetici (termici; elettrici) del Campus Leonardo, verso una gestione più efficiente, efficace e innovativa delle sfruttamento/coinvolgimento delle infrastrutture, risulterà: o possibile grazie a un maggiore competenze scientifiche presenti in Ateneo, o sinergica rispetto alle ricerche in campo energetico ed elettrico, per le quali costituisce un importante field- test (vedi Progetto SCUOLA) Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica JMS612F02 100% P.Introdotta kW 4.604 Consumo Gas Smc/h 485 P.E_Lorda kWe 2.000 P.T_Totale kWt 1.788 COP_ABS kWf/kWt 0,70 P_Frigorifera kWf 1.252 eff_el_CHP % 43,4% eff_th_CHP % 38,8% eff_CHP % 82,3% • Installato in via 75% 3.549 374 1.498 1.431 0,70 1.002 42,2% 40,3% 82,5% Golgi, 50% 2.494 263 990 1.035 0,70 725 39,7% 41,5% 81,2% 39, nell’edificio che già oggi ospita la Centrale Termica (CT2) • Riscaldamento e energia elettrica per tutti gli edifici del Campus Leonardo • Condizionamento per gli edifici 19, 20, 21… • …e per altri nuovi edifici Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Il sistema scelto per il Campus Leonardo Soluzioni per l’efficienza energetica Prestazioni previste e modalità di funzionamento STAGIONE INVERNALE E.T. per Riscaldamento MWh 6.755,609 Eel prodotta MWh 7.271,851 Eel autocons. MWh 5.498,757 E.T. in Dissipazione MWh 37,156 Eel immessa rete MWh 1.773,094 STAGIONE ESTIVA E.T. in Dissipazione MWh 0 Eel prodotta MWh 1.829,700 E.T. per Assorbitore MWht 1.721,922 Eel autocons. MWh 1.727,010 Eel immessa rete MWh 102,691 h/anno F1 F2 F3 Tot. INVERNO 1.328 967 1.704 3.999 Prof. M. Delfanti – Politecnico di162 Milano – Dip.to ESTATE 714 87 Energia. TOTALE 2.042 1.129 1.791 963 4.962 PES = 21,38% CAR = 79,67% E.F. da Assorbitore MWhf 1.205,346 Soluzioni per l’efficienza energetica Il progetto SCUOLA: Edificio 25 situazione esistente Area MILANO (Citta Studi): Politecnico Milano (Campus Leonardo) Edificio 25: edificio esistente; generatori potenza termica: 2 Caldaie a gas anno 1994 (244+244 kW termici) 1 Chiller condensato ad aria (480 kW frigoriferi) sistema aria (primaria) di rinnovo a portata costante (38000 m3/h); sistema di controllo delle temperature tramite ventilconvettori Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Il progetto SCUOLA, Edificio 25: gli interventi • Nessun intervento sull’involucro • Modifiche al sistema HVAC Caldaie + Chiller → 2 PdC reversibili (aria/acqua + acqua/acqua) Sistema ad aria (primaria) a portata costante → Sistema ad aria a portata variabile (max 38000 m3/h) ventilconvettori → nessun intervento • Ulteriori interventi HVAC Utilizzo vasca accumulo (prevenzione incendi) per accumulo termico ad utilizzo estivo (23 m3) Free-cooling con acqua di falda Mantenimento caldaie per backup Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica La pompa di calore ad acqua di falda • Pompa di calore RC con potenza termica pari a 429 kW. • L’acqua è aspirata dalla falda sotterranea alla temperatura costante di 15°C tramite un pozzo di emungimento e, dopo aver attraversato lo scambiatore di calore, è reimmessa in falda tramite il pozzo di resa. • La PdC è utilizzata in inverno per produzione di la acqua calda a 40°C e in estate per la produzione di acqua refrigerata a 7°C generatore principale a servizio dell’edificio durante tutto l’anno. Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Le variabili che influenzano il funzionamento di un sistema HVAC Il consumo di un sistema HVAC dipende da due aspetti: 1. situazione di carico esterna: meteo – carichi esterni e di ventilazione; interna: occupazione delle aule – carichi interni. 2. prestazioni desiderate (livelli di comfort ambiente). comfort termico: temperatura e umidità interna; qualità dell’aria: concentrazione inquinanti di origine interna. Ottenimento della prestazione: mantenimento dei corretti valori di portata (aria di rinnovo e acqua di alimentazione dei terminali) e delle corrette temperature di generazione della potenza termica. Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Portata costante vs portata variabile controllo tradizionale (impianti a portata costante) regolazione di campo e serie di set-point da mantenere: le portate e le temperature di generazione sono quelle capaci di garantire la prestazione di progetto (la più onerosa) nella situazione di progetto (la più gravosa). I valori di portata e di temperatura così definiti non sarebbero necessari in condizioni meno onerose: un sistema evoluto deve essere funzionalmente in grado di modulare: ‐ Portate di distribuzione (aria e acqua) – passaggio al VAV ‐ Temperature di generazione (acqua) – definizione UTA a differenti set di produzione. Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Il controllo predittivo Il ogni controllo giorno predittivo per il giorno implementato consente successivo, effettive le di considerare, condizioni meteo e le prestazioni che si desiderano ottenere. Classe di comfort (UNI EN 7730) (estate) A B C Edificio 25 Temperatura operativa [°C] 24.5±1 24.5±1.5 24.5±2.5 3 Profili di consumo elettrico giornalieri possibili EMS Scelta del profilo da attuare Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica La logica del controllo: funzionamento • Generazione profilo (procedura ripetuta per 3 volte): 1. definizione del livello di comfort 2. ottimizzatore Edificio: previsione del fabbisogno giornaliero per mantenere il livello di comfort prescelto tramite logiche di controllo avanzate 3. ottimizzatore Impianto: gestione ottimale delle macchine per garantire la richiesta termica dell’edificio --> profilo di consumo elettrico • Attuazione del profilo scelto dall’EMS, tramite set point ambiente e impianto Previsioni occupazione edificio Ottimizzatore Edificio Previsioni meteo Fabbisogno termico Set point ambiente Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Ottimizzatore Impianto Profilo di consumo elettrico Set point impianto Soluzioni per l’efficienza energetica La logica del controllo: fase 1 FASE 1: simulazione dinamica dell’edificio fabbisogno stimato in Classe A,B,C - dati 28 giugno 2016 occupazione 100% Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica La logica del controllo: fase 2 FASE 2 : ottimizzazione dei generatori (Dcogen) CLASSE A Ottimizzazione generatori e accumulo dati 28 giugno 2016 occupazione 100% Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica La logica del controllo: fase 3 FASE 3: Valutazione dei consumi per ogni fascia di Comfort I tre profili vengono inviati al sistema Energy Manager System (EMS) che, valutando in base alle condizioni della rete, ad una eventuale negoziazione o semplicemente in base alle richieste di riduzione di carico, decide su quale livello di comfort far funzionare l’impianto il giorno successivo. Previsione consumi elettrici (curve A,B,C) dati 28 giugno 2016 occupazione 100% Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica La logica del controllo: fase 4 e fase 5 FASE 4: I tre profili vengono inviati al sistema Energy Manager System (EMS) che, valutando in base alle condizioni della rete, ad una eventuale negoziazione o semplicemente richieste di riduzione di carico, decide su quale livello di comfort far funzionare l’impianto il giorno successivo. FASE 5: In base al livello di comfort definito, SI TRASMETTE AL CAMPO: a) Profilo set point di Temperatura ed Umidità da inviare ai regolatori ogni ora del giorno successivo mantenere i profili di consumo previsti. b) Profilo orario di attivazione delle macchine (scenari) I profili orari dei differenti sistemi di generazione della potenza termica, includendo la scarica dell’accumulo (se preventivamente e l’adozione del free cooling (ad aria e/o ad acqua) Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. caricato) Soluzioni per l’efficienza energetica Implementazione SCADA Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Integrazione edificio-rete elettrica Stagione invernale: possibilità di modulazione del carico fino ad azzerarlo. Rilassamento dei vincoli legati al comfort (si riscalda di meno l’ambiente) Accensione delle caldaie ausiliarie per garantire il fabbisogno totale anche in condizioni di richiesta massima con pompe di calore spente serve un preavviso breve e una durata significativa (> 1h). È possibile aumentare la richiesta elettrica rilassando i vincoli di comfort (si riscalda di più l’ambiente o si produce calore in condizioni di minor efficienza, incrementando la temperatura di mandata). Stagione estiva: possibilità di modulazione del carico fino ad azzerarlo. Modulare la potenza, anche per durate di tempo dell’ordine dell’ora, alterando le condizioni di comfort interno (aumento della temperatura e dell’umidità relativa, mantenendo però la qualità dell’aria, misurata dalla sonda di CO2 + app locali). Utilizzo della vasca antincendio (accumulo di freddo): consente di raffreddare l’edifico senza PdC per periodi limitati di tempo (<30 min). Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Applicabilità ad altri contesti In caso di applicazione su edifici di nuova costruzione ulteriori vantaggi potrebbero essere conseguiti agendo su: • • edificio: - schermi solari; - miglioramento generale del comportamento dell’involucro. impianti: - migliore coibentazione delle reti, utilizzo di terminali a bassa temperatura (riferiti al caso invernale); - realizzazione di un sistema di recupero di calore dall’aria espulsa sulle UTA; - implementazione di un volume di accumulo maggiore e più isolato utilizzabile anche per il caso invernale; • … Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Lessons learned • Controllo smart: scelta del generatore più efficiente alle condizioni ambientali e di carico considerate sfruttamento di un accumulo termico per lo spostamento dei carichi quando la generazione è economicamente conveniente la scelta della temperatura ottimale per la generazione dell’energia termica/frigorifera • Riduzione dei consumi: trasformazione CAV – VAV riduzione fino al 50%; controllo predittivo: 5-10%. • Ulteriori vantaggi: contrattazione con il gestore. modulazione del carico tramite modulazione delle classi di comfort. … Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Servizi interattivi per gli utenti Energy Information System Totem informativo Consumi energetici Temperatura Umidità Luminosità Qualità dell’aria Feedback utente App SCUOLA SmartOffice Condizioni meteo Monitoraggio degli ambienti e del consumo energetico •derivazione del profilo energetico dell’ambiente •analisi comfort utenti •analisi comportamento utenti Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Azioni future presso il PoliMI Monitoraggio/verifica dei consumi con l’ottimizzazione dei sistemi già in campo; Hw/sw che permetta il controllo in tempo reale dei consumi energetici di ciascun Campus, edificio e singoli carichi/gruppi significativi; Individuazione ambiti di miglioramento e CBA per interventi di efficientamento (tecnologie efficienti, p.e. HVAC; Illuminazione; Azionamenti). Analisi costi/benefici per installazione di sistemi di cogenerazione/trigenerazione (come già effettuato sul campus Leonardo); Analisi costi/benefici per installazione di sistemi generazione di caldo/freddo ad acqua di falda (come in corso su Edificio 25; come nel Progetto Renzo Piano); Sistemi di condizionamento a portata variabile e con integrazione di free cooling (come in corso su Edificio 25); Impianti FV sulla copertura degli edifici per la massimizzazione dell’autoconsumo (come in corso su campus Bovisa) Sensibilizzazione dell'utenza del Politecnico (studenti, docenti, personale tecnico-amministrativo). Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Azioni future presso il PoliMI: la riqualificazione area Bassini Nuova CF ad acqua di falda; messa a sistema della CF ed. 11 Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia. Soluzioni per l’efficienza energetica Il materiale relativo al Campus Sostenibile è stato reso disponibile grazie al lavoro del Servizio Sostenibilità di Ateneo (SSA) Il materiale relativo al Progetto SCUOLA è stato reso disponibile grazie al lavoro di: G.P. Manzolini; V. Olivieri; M. Pozzi; F. Pedranzini; M. Zanchi [email protected] http://www.energia.polimi.it Prof. M. Delfanti – Politecnico di Milano – Dip.to Energia.