Giornata di studioGiornata di studioProblematiche di misura e taratura nelle Problematiche di misura e taratura nelle

misure di energia e ambientalimisure di energia e ambientali

Prof. Marco Dell IsolaDipartimento di Meccanica Strutture Ambiente e Territorio

Università degli Studi di CassinoVia Di Biasio, 43 03043 Cassino (Fr)

E-mail: dellisola@unicas.itwww.unicas.it

Importanza della misura di energia: i consumi energetici in Italia nel 2002

58.1 MTep di gas naturale

90.9 MTep di petrolio

12.4 MTep da fonti rinnovabili

11.1 MTep da importazione

Contabilizzazione, Bilanci e Rendimenti

BILANCI e RENDIMENTI:

Misura delle variazioni di energia e di flussi energetici

TRANSAZIONI COMMERCIALI Contabilizzazione dei flussi energetici

1

1

u

e

N

uu

metododiretto N

ee

E

E

1 1

1

e d

e

N N

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metodoindiretto N

ee

E E

E

1

1 1

u

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N

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metodoindiretto N N

u du d

E

E E

Quale energia?

Misurare la quantità di energia in differenti forme:

ChimicaElettricaMeccanicaTermica

Misurare la qualità dell energiaExergiaInquinamento ambientale prodottoRinnovabilitàContinuità e qualità dell erogazione

Problematiche di misura dell energia

Contabilizzazione dei combustibili fossili (benzina, gas naturale, ecc.) effettuata ancora in volume

Misuratori di energia elettrica e termica non sottoposti al controllo metrico-legale;

Assenza di misuratori di energia termica (CET nei condomini con sistemi di riscaldamento centralizzati)

Liberalizzazione del mercato italiano ed europeo dell energia elettrica e del gas

Misura indiretta

Misura energia elettrica (es. corrente e tensione)

Misura energia termica (es. temperatura e portata)

Misura energia meccanica (es. coppia e spost. angolare)

Misura energia chimica (es. massa e comp.chimica)

Misura dei flussi di energia meccanicaLa misura del flusso di energia meccanica (ovvero del lavoro meccanico fornito da un motore o assorbito da una macchine utensile) è fondamentale per descrivere le prestazioni di una qualunque macchina motrice o operatrice.Solo attraverso la misura dei flussi di energia in ingresso e uscita è possibile determinarne il rendimento. Molto spesso (i.e. negli impianti di conversione dell energia) è, inoltre, necessario misurare accanto al lavoro meccanico il flusso convettivo di energia meccanica (cinetica e potenziale) associata al flusso di massa.

Masse Campione

Blocchetti piano paralleli

Torsiometri

ContagiriL = C . SaLavoro d elica

Bilance di pressioneAltimetriE = M.g.zEnergia potenziale

Tubo di pitot

Bilance di pressioneAnemometriE = ½ M . V2

Energia cinetica

Masse Campione

Blocchetti piano paralleli

Dinamometri

celle di caricoL = F . S

Lavoro di variazione di volume

Campioni StrumentiGrandezza fisica

(misura diretta)

Grandezza fisica

(misura indiretta)

Misura del Lavoro meccanico:Principi di misura

Torsiometri (esempio)un ponte estensimetrico,

elemento meccanico elastico

trasmissione segnale elettrico e alimentazione elettrica (contatti striscianti e trasformatore rotante)

Contagiri (esempio)rilevatore di posizione

contatore

Banchi dinamometrici (esempio)freno

motore

Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Meccanica

Standardizzazione delle tecniche di misura riconducibili a settori consolidati e metrologicamente riferibili

I settori in questione si riferiscono infatti a:

la metrologia dimensionale (spostamenti lineari ed angolari)

la dinamometria (massa, forza e coppia)

la frequenza e il tempo---

Potenza meccanica

(Banchi dinamometrici)

--4

(1)

Spostamento angolare

(contagiri)

--31Spostamento

--5Coppia

--18Forza

Servizi Metrico-legali

Centri SINAL

Centri SIT

Grandezze

Energia Meccanica

Misura dei flussi di energia termica

Le misure del flusso di energia termica possono essere ricondotte alle tre modalità di scambio termico e alla direzione dello scambio ovvero a: i) la misura dell energia termica trasmessa per conduzione attraverso superfici di controllo; ii) la misura del flusso di energia termica trasmessa per mezzo di un fluido termovettore; iii) la misura della radiazione termica (mediante la misura diretta del flusso radiativo o indirettamente mediante la misura della temperatura della superficie emittente con tecniche termografiche).

TRP

MRC Heat Flux Meter

(Calorimetri)Q/A = k/L T

Energia termica conduttiva

Corpi neri (MRC)

Lampade, foto-rilevatori

Heat Flux Meter

(Radiometri,pirometri) Q/A = T4

Corpi neri (MRC)

Lampade, foto-rilevatori

Pireliometro

(Piranometro)Q/A

Energia radiativa

TRP Volumi campioneHeat Meter

(CET) E = m c T

Energia termica convettiva

Campioni StrumentiGrandezza fisica

(misura diretta)

Grandezza fisica

(misura indiretta)

Misura dell energia termica:Principi di misura

Contatori di energia termicaCET

Calorimetri (flux meter\ heat flux)Stazionari (gradiente di temperatura)

Instazionari (variazione di temperatura)

RadiometriPireliometro

Piranometro

Radiometri

Pirometri

Modulodi calcolo

Tm

Tr

UTENZA

d

q

Sensori di temperatura

sottostrato

Resistenza termica

Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Termica

La taratura dei radiometri, pirometri, piranometri e pireliometri non sempre risulta semplice sia a causa dell influenza di tutte le superfici emittenti, ma anche e soprattutto per la insufficiente conoscenza delle proprietà emissive dei corpi e della loro variabilità al variare della temperatura.

I settori in questione si riferiscono infatti a:

Termometria

Radiometria e fotometria

ma anche a:MRC (per le proprietà termofisiche)

Area (lunghezza), massa e volume

-SI25Temperatura

-SI2Portata

--SIArea

-SIProprietà termofisiche

--1Flusso radiativo

---Flusso conduttivo

(HFS)

---Flusso convettivo

(CET)

Servizi Metrico-

legali

Centri SINAL

Centri SIT

Grandezze

Energia Termica

Misura dei flussi di energia elettrica

La caratteristica che contraddistingue l energia elettrica è la capacità di essere vettoriata con estrema facilità rispetto alle altre forme di energia. La sua misura ha un importanza pratica di enorme rilevanza dato che costituisce la base dei rapporti commerciali tra produttore ed utente. La misura dell energia elettrica può essere effettuata mediante numerosi strumenti ed apparati classificabili in analogici (elettrostatici di tipo volt-amperometrici, elettrodinamici di tipo ad induzione magnetica, etc...) e digitali .

Pile e Resistenze campione

Calibratori elettrici

Wattmetri, TA e TV

Pile e Resistenze campione

Calibratori elettriciContatori elettrici

Energia elettrica

AC

Pile e Resistenze campione

Calibratori elettrici

Voltmetri

Amperometri

Energia elettrica

DC

Campioni StrumentiGrandezza fisica

(misura diretta)

Grandezza fisica

(misura indiretta)

0

0

cos

t

el

t

rms rms

E Pdt

V I dt

2

1

t

el

t

E Pdt k n

2DC

el DC DCV

VE P V I

R

Misura dell energia elettrica:Principi di misura

Contatori di energia elettrica ad induzione

Lo strumento consiste di due bobine magnetiche elettromagneti (una eccitata dalla corrente del circuito,detta amperometrica ed una alimentata con la tensione del circuito, detta volumetrica)di un disco conduttore di alluminio, calettato su di un albero, ed interposto tra le due espansioni polari delle bobine. Il disco viene in tal modo investito da due flussi magnetici generati dalle correnti che circolano negli avvolgimenti degli elettromagneti e che a loro volta inducono delle correnti che generano una coppia motrice che mette in rotazione il disco.

Contatori di energia elettrica digitali

I contatori digitali permettono di effettuare una misura contemporanea di tensione e corrente per una valutazione più corretta della potenza assorbita.Questi strumenti sono costituiti da : un trasduttore voltmetrico (Tv) ed uno amperometrico (TA), due Sample and Hold (SH), due convertitori analogico digitali (AD) ed un elaboratore dei segnali.Il sistema costituito effettua un campionamento dei valori di tensione e corrente ed in seguito calcola l energia elettrica

Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Elettrica

La taratura dei contatori di energia elettrica può avvenire secondo due modalità: confronto con strumenti di verifica certificati (solitamente wattmetri e alimentatori), applicazione di un carico fittizio con caratteristiche note. Nel primo caso bisogna garantire la costanza delle condizioni di prova per tutta la durata della misura.

Recentemente accanto alla misura della quantità di energia, emerge la necessità di controllare e misurare la qualità della fornitura di energia allo scopo di proteggere da anomale componenti spettrali e da sbalzi di tensione la delicata strumentazione elettronica.

I settori in questione si riferiscono infatti a:

Potenza

Tensione e corrente

ma anche a:

tempo

--Fase

--37Tensione

--38Corrente

--1Energia elettrica

(contatori)

Servizi Metrico-legali

Centri SINAL

Centri SIT

Grandezze

Energia elettrica

Misura dei flussi di energia chimica

La misura dell energia chimica specifica associata ad un combustibile può essere determinata direttamente attraverso la misura del potere calorifico (mediante calorimetri) o indirettamente attraverso la misura della composizione chimica (mediante analizzatori o gascromatografi). In realtà per una determinazione della corrispondente proprietà estensiva è sempre necessaria la misura della massa ovvero della portata (massica o volumetrica) quando il combustibile viene vettoriato con continuità.

Calorimetro Junkers

Masse campione,

strumenti campione,

MRC

Cromatografi,

Analizzatori termici,

elettrochimici, spettroscopici

Composizione chimica

TRP,

MRC

Calorimetro Mahler

Energia chimica

(assorbita/fornita/ dispersa)

Campioni StrumentiGrandezza fisica

(misura diretta)

Grandezza fisica

(misura indiretta)

2 2( )H O H O f i

sc

M c t tH

M

2 2

,

( )H O H O out ins

c s

M c t tH

V

Misura dell energia chimica:Principi di misura

Nei calorimetri Mahler una quantità definita di combustibile in un sistema chiuso e adiabatico (costituito dalla camera di combustione e da una intercapedine contenente acqua) e determinando l energia termica sviluppata (potere calorifico superiore o inferiore a seconda della stato termodinamico dell acqua prodotta dalla combustione) attraverso la misura della variazione di energia interna del sistema.

Gli analizzatori IR rilevano l assorbimento di radiazione infrarossa da parte del gas analizzato attraverso un elemento sensibile denominato rilevatore. Il limite di questo strumento risiede nella capacità di individuare un solo analita della miscela di gas.

Riferibilità nelle misure di Flussi di Energia Chimica

La riferibilità della strumentazione analitica può essere conseguita mediante:

i) il confronto con un metodo primario (quantità di sostanza, campione di massa, di corrente, etc.);

ii) l impiego di un materiale di riferimento (una sostanza pura certificata o un materiale con matrice idonea);

iii) l uso di strumentazione di riferimento precedentemente tarata.

I settori in questione si riferiscono infatti a:

Mole

Massa

Corrente

ma anche a:MRC

portata

3

15

2

2

-

-

Centri SIT

-SIsolido

-SIliquido

--volume

--massa

-SIportata

Grandezze fisiche

-SIgassoso

Potere calorifico Composizione

chimica

Servizi

Metrico-legaliCentri SINAL

Grandezze

Energia chimica

Un materiale di riferimento MR può essere definito come una sostanza per la quale una o più proprietà (chimica, fisica, biologica, ) sono sufficientemente note, omogenee e stabili nel tempo. In particolare per un materiale di riferimento certificato (MRC) queste proprietà sono riferibili alle unità del SI ed espressi unitamente alla relativa incertezza.E possibile distinguere due diverse tipologie di materiali di riferimento: i composti singoli (calibrants) e le matrici di riferimento.

PROGETTO MET-A

METROLOGIA DELL AMBIENTE

A. Metrologia negli ambienti di lavoro indoorA.1. Metrologia del benessere termoigrometrico

A.2. Metrologia del benessere respiratorio-olfattivo

A.3. Metrologia del benessere acustico

A.4. Metrologia del benessere visivo

A.5. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico indoor

B. Metrologia negli ambienti outdoorB.1. Metrologia dell inquinamento elettromagnetico outdoor

B.2. Metrologia delle emissioni inquinanti nel settore del trattamento dei RU

B.3. Metrologia degli scarichi idrici inquinanti

obiettivi specifici

Disponibilità di procedure di misura, taratura ed elaborazione validate

Analisi statistica dei valori tipici di una o più filiere industriali del territoriodi riferimento;

Proposizione di interventi correttivi atti a migliorare l impatto ambientaledelle filiere prese in esame;

Sensibilizzazione delle PMI, delle associazioni di categoria alleproblematiche metrologiche ambientali

Accreditamento e potenziamento dei laboratori ambientali territoriali ai finidell applicazione delle metodiche di analisi per migliorarne la competitività;

Effetti attesi

riduzione dell impatto ambientale e miglioramento del benessere nel territorio di riferimentopossibilità per le PMI di monitorare i propri ambienti di lavoro con maggiore efficacia, con conseguente pianificazione delle opportune azioni correttive e preventive collegate.creazione di strutture di eccellenza ed accrescimento della competitività di laboratori a potenziale capacità di assunzione di nuovo personaleaccrescimento della competenza delle strutture esistentimaggiore efficacia dei controlli, con diffusione capillare degli stessi e conseguente accrescimento della cultura della tutela e della prevenzione dell ambientemetodiche finalmente universali a disposizione dei laboratori operanti nel campo delle misure ambientali outdoor che potranno confrontare tra loro i dati, e monitorarli nel tempo.pianificazione da parte delle amministrazioni preposte di tutte le forme di prevenzione e di adeguamento, per garantire, con assoluta affidabilità, il rispetto delle leggi in materia.controlli più semplici, dati riferibili, qualità delle misure, riproducibilità e ripetibilità dei metodi

Conclusioni

In merito alla riferibilità metrologica occorre evidenziare che l offerta dei servizi risulta alquanto differenziata in funzione del tipo di grandezza energetica. In particolare, accanto ai tradizionali settori meccanici, termici ed elettrici in cui vi è una consolidata tradizione ed offerta metrologica, bisogna registrare una particolare sensibilità rispetto all offerta e richiesta di riferibilità nel settore della chimica testimoniata dal recente accreditamento di laboratori SIT nello specifico settore. E altresì opportuno evidenziare la relativa carenza in settori strategici come le portate di massa/volume e la disuniformità territoriale dell offerta metrologica.Ancora molto lontana risulta invece l analisi della qualità dell energia intesa sia in termini energetici, che ambientale, che di servizio.Per ciò che concerne i bilanci ed il rendimento occorre sottolineare che, raramente la strumentazione esistente consentono di mantenere la riferibilità su tutte le grandezze energetiche coinvolteQuesta situazione presenta un ulteriore complessità per ciò che concerne le misure inerenti le transazioni commerciali dove la necessità di garantire oltre alla riferibilità anche la cosiddetta fede pubblica rende indispensabile mettere in atto le metodiche di legalizzazione della misura ovvero l approvazione di modello, la verifica di conformità al tipo e la verifica periodica della strumentazione. Recente approvazione della MID ed alla proposta del nuovo testo unico della metrologia legale che contengono molti elementi atti a superare alcuni problemi sopra evidenziati.

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