workshop LEAP r2b_09.06.2011

R2B - Research to Business, Bologna - 09 Giugno 2011

EFFICIENZA E SOSTENIBILITA’ DEGLI IMPIEGHI ENERGETICI: IL CONTRIBUTO DI LEAP

Alberto Sogni

Efficienza nell'uso dell'energia e valorizzazione dei prodotti green Tecnologie e metodologie gestionali per una concreta prospettiva di sviluppo

2A. Sogni – Workshop LEAP-CERMET_R2B_Bologna, 09.06.2011

Il Consorzio L.E.A.P.

LEAP (Laboratorio Energia e Ambiente Piacenza) è un consorzio nato nel 2005 su iniziativa della sede piacentina del Politecnico di Milano.

E’ partecipato da:

•Polo Territoriale di Piacenza del Politecnico•5 Dipartimenti del Politecnico•Comune di Piacenza•Provincia di Piacenza•Fondazione di Piacenza e Vigevano•a2a•Iren Ambiente S.p.A.•Groppalli S.r.l.•Unical AG S.p.A.

1. Dip. di Energia

2. Dip. di Elettronica e Informazione

3. Dip. di Elettrotecnica

4. Dip. di Chimica, Materiali e Ing. Chimica

5. Dip. di Ingegneria Idraulica, Ambientale, Infrastrutture Viarie e del Rilevamento


Sede e gruppo di lavoro di LEAP

LEAP fa parte di:

LEAP è certificato UNI EN ISO 9001:2008

LEAP ha sede a Piacenza presso l’ex officina trasformatori della Centrale Emilia, il nucleo storico, risalente agli anni Venti, di un impianto termoelettrico oggi funzionante a ciclo combinato.Il gruppo di lavoro è costituito da 18 ricercatori, di cui 10 a tempo pieno, che operano sotto la guida scientifica dei professori del Politecnico.


Le attività del LEAP

Ricerca in cinque settori:1.generazione di energia termica ad alta efficienza; 2.recupero di materia ed energia o combustibili da biomasse, rifiuti e residui;

3.termoidraulica degli impianti nucleari; 4.tecnologie per lo sfruttamento dei combustibili fossili e cattura della CO2; 5.energie rinnovabili o assimilate.

Consulenza e servizi:1.analisi e simulazioni di impianti a fonti rinnovabili;2.prove su impianti: misure di temperatura in camere combustione, misurazione di particolato fine e nano particelle in atmosfera e in flussi convogliati, misurazione di concentrazioni di inquinanti in flussi gassosi.

Laboratori sperimentali:1. Heat_Box: valutazione delle prestazioni di caldaie fino a 100 kW di potenza e per la taratura di contatori di energia termica di piccola taglia;

2. Wind_Box: prove fluidodinamiche su condotti da fumo per generatori di calore di piccola e media taglia;

3. CO2_Box: determinazione delle proprietà termodinamiche di miscele a base di CO2.


Attività sperimentali del LEAP

Prove su impianti:

Laboratori sperimentali:


1.Cogenerazione ed efficienza energetica: considerazioni introduttive, casi di studio LEAP:

2.Recupero di materia ed energia da rifiuti e residui: considerazioni introduttive, casi di studio LEAP:

3.Tecnologie per la cattura ed il sequestro della CO2: considerazioni introduttive, attività LEAP:

4.Conclusioni

•Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna

•Sviluppo software per la verifica di caldaie a recupero a serpentino

•Risparmiare energia elettrica per consumare e inquinare meno

Sommario

•Analisi energetica ed ambientale del sistema di gestione dei rifiuti di Piacenza

•Emissioni di polveri fini ed ultrafini da impianti di combustione

•Centro Studi e Ricerche MatER

•Attività modellistiche e sperimentali di CO2_Box


Cogenerazione: il principio

Fonte: www.cogen-challenge.org

COGENERAZIONE = ELETTRICITA’ + CALOREOgni ciclo termodinamico che converte calore in elettricità (o lavoro meccanico) per il Secondo Principio della Termodinamica deve scaricare una parte del calore introdotto nel ciclo. L’idea base della cogenerazione èrecuperare in parte o totalmente questo calore di “scarto” come effetto utile.

Alcune definizioni:•Piccola cogenerazione: P<1MWel

•Microcogenerazione: P<50kWel

•Trigenerazione: produzione contemporanea di energia elettrica, calore e freddo

•IRE: indice di risparmio di energia primaria


Cogenerazione: esempi di tecnologie

Motore GE Jenbacher J616 GS a biogas, potenza 2 MWel

Package Ecowill con motore a gas naturale, potenza 1 kWel

Package Whispergen con motore Stirling, potenza 1,2 kWel

Microturbine a gas Capstone, potenza 30 kWel

Modulo PEM Ballard Power System da 250 kWel – Bewag Treptow, Berlino

Macchina frigorifera ad assorbimento Century da 70 kWfr


Prospettive della cogenerazione nella regione Emilia Romagna: contratto di ricerca commissionato dalla Associazione Industriali della Provincia di Piacenza e svolto in collaborazione con DIEM - Università di Bologna.

•Particolare attenzione a piccola e media industria;•Analisi energetica, ambientale, economica;•11 aziende considerate in 6 province, 5 casi di specie di cui si èvalutata la fattibilità tecnico-economica;•Per tutti i casi ipotesi di motori a combustione interna;•Impiego di un software sviluppato internamente al Dipartimento di Energia del Politecnico di Milano.

LEAP e cogenerazione: prospettive in Emilia Romagna - 1

PIACENZA REGGIO MODENA

Richiesta Elettrica [kWhel] 4.492.955 1.954.654 19.546 .553 14.874.725 13.341.568 16.676.970 5.103.200

Richiesta Termica [kWhth] 25.761.160 2.304.015 21.760. 105 1.887.935 3.335.400 41.692.500 35.367.500

Richiesta Frigorifera [kWhfr] - - - 24.607.238 - - -

FARPRO S.p.A. + HARIPRO

EUROBOX S.p.A.

ProsciuttificioDistretto di

ProsciuttificiTETRAPAK

S.p.A.

PARMA RAVENNACartiera (attuale)

Cartiera (Futura)

Richiesta Energetica


Indici di Risparmio Energetico Stimati per tutti i casi tipo aziendali trattati:

IRE [%]

33%29%

35% 36% 35% 36%34%

0

0,05

0,1

0,15

0,2

0,25

0,3

0,35

0,4

EUROBOXS.p.A.

Prosc.singolo

Distretto TETRAPAK Cartiera(Attuale)

Cartiera(Futura)

FAR PROS.p.A. +

HARIPRO

[%]



Emissioni in atmosfera potenzialmente evitabili in termini percentuali di sostanze inquinanti e climalteranti nel caso di utilizzo di impianti di cogenerazione:

Rapporto Emissioni Evitate / Emissioni Caso Base [% ]

0,00

10,00

20,00

30,00

40,00

50,00

60,00

70,00

80,00

90,00

100,00

EUROBOX S.p

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Prosc

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olo

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TETRAPAKCar

tiera

(Attu

ale)

Cartie

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a)

FAR PRO S

.p.A

. + H

ARIPRO

NOx

CO

SOx

CO2



Risultati economici:

•IRR distretto penalizzato dal costo della rete di teleriscaldamento;•Complessivamente le performance economiche sono favorevoli: IRR attorno ed oltre il 30%, PB Time attorno ai 5 anni;•La "buona" cogenerazione comporta, oltre che risparmio di energia, consistenti riduzioni delle emissioni in atmosfera;•Ancora molte potenzialità inespresse.

Caso/provincia Piacenza Reggio Emilia Modena

Nome azienda

EU

RO

BO

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.

Pro

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(Fut

ura)

FAR

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. +

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IPR

O

Costo Investimento [€] 560.700 137.813 3.804.800 1.435.000 1.307.250 1.680.000 1.043.700Pay Back Time [anni] 5,1 6,0 10,4 5,3 2,5 2,4 5,0NPV [€] 268.873 51.018 560.521 647.240 1.626.710 2.142.055 509.975IRR [%] 31,0 28,0 18,0 30,1 53,3 54,1 31,3NPV/ Costo Inv. [%] 48,0 37,0 14,7 45,1 124,4 127,5 48,9

Parma Ravenna



Efficienza energetica: principio e vantaggi

EFFICIENZA ENERGETICA =EFFETTO UTILE

ENERGIA IMPIEGATA

•Tecnologia energeticamente efficiente: permette di ottenere lo stesso effetto utile (energia meccanica, elettrica, termica…) con un minore impiego di energia;•L’Efficienza Energetica si riferisce all’impiego di tutte le forme di energia, non solo alle Energie Rinnovabili;•Obiettivi del pacchetto clima 20-20-20;•Contributo al raggiungimento degli obiettivi al 2020: 17% da FER sul consumo finale lordo. Grazie all’efficienza si riduce il consumo finale e quindi la quota di FER, di conseguenza anche i costi di sviluppo FER.


Efficienza energetica: potenzialità e tecnologie

Fonte: M.Gallanti, RSE

Attuazione della Direttiva 2006/32/CE attraverso il Piano di Azione per l’Efficienza Energetica: al 2016 riduzione dei consumi del 9,6% rispetto al 2005 corrispondente a 10,8 Mtep.

Al 2016 riduzione del 9,6% dei consumi

finali rispetto al 2005


Sviluppo software per la verifica di caldaie a recupero a serpentino: contratto di ricerca commissionato dalla Azienda Garioni Naval SpA di Castel Mella (BS).

•Caldaie a recupero del tipo a tubi d’acqua;•Per la produzione di acqua surriscaldata, olio diatermico o vapore saturo in configurazione once-through;•Impiego nell’industria navale e di processo.

Serpentino di una caldaia

LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 1

Fonte: www.garioninaval.com

Incremento dell’efficienza di un generatore di vapore con l’adozione della caldaia a recupero come economizzatore; in ascissa il carico del generatore.


Confronto risultati software:

LEAP ed efficienza: software verifica caldaie - 2

Modello matematico per:

1. Calcoli geometrici2. Equazioni di scambio termico3. Equazioni di conservazione4. Correlazioni di scambio termico5. Correlazioni per le perdite di carico

Programma di verifica

Configurazione geometrica

Potenza termicascambiata

Pressioniin uscita

Temperaturein uscita

Pressioni in ingresso

Temperature in ingresso

Portate e caratteristiche

dei fluidi

Confronto fra Risultati di Calcolo della Potenza Sc ambiata Casi ad Olio Diatermico

+17%

-6%

0

200

400

600

800

1000

1200

0 200 400 600 800 1000 1200

Q Calcoli Garioni [kW]

Q C

alco

li S

oftw

are

[kW

]

Correlazioni Tubi Rettilinei-Banco di Tubi Rettilineo

Correlazioni Tubi Elicoidali- Banco Elicoidale(Abadzic)Correlazioni Tubi Elicoidali- Banco Rett. (Zukauskas)

Portate delle correnti di gas GMT EG 575

P=429 kWP=398 kW0

0,5

1

1,5

2

2,5

Por

tate

del

le c

orre

nti [

kg/s

]

Uso del software per ottimizzare il progetto: incremento del 7,7% della potenza scambiata per il modello di caldaia considerato


Risparmiare energia elettrica: studio per una pubblicazione sull’efficienza nei consumi elettrici. In Italia il 75-85% dei consumi elettrici nel settore industriale-artigianale è dovuto ai motori.

Numero di anni N per il ritorno di investimento per un motore di classe di efficienza Eff1 rispetto ad uno di Eff2 al variare della potenza e delle ore annue di funzionamento (incentivi fiscali DM 19/2/2007 fino al 2010)

LEAP ed efficienza: il settore elettrico

Fonte: M.Delfanti-G.Invernizzi, Risparmiare Energia Elettrica, TuttoNormel

Risparmio energetico che si ottiene regolando un ventilatore con inverter anziché con serranda


Recupero di materia ed energia dai rifiutiOgni abitante dei Paesi industrializzati produce in media da 1 a 2,5 kg al giorno di rifiuti solidi urbani (RSU), pertanto dai 400 ai 900 kg all’anno. Media europea nel 2009: 513 kg per abitante per anno, 316 kg in Repubblica Ceca e Polonia, 833 kg in Danimarca, 541 kg in Italia (Eurostat 2011).


Recupero di materia ed energia dai rifiuti

PROBLEMI- adeguata gestione del sistema- emissioni- costi

Gestione integrata del ciclo dei rifiuti: “la regola delle 4R”(Decreto Ronchi 1997)

discarica di servizio(residui INERTI)

Riutilizzo

Riciclaggio

Recupero energetico

Riduzione

BENEFICIrisparmio di risorse attraverso il recupero di:- materiali- energia


Recupero di materia ed energia dai rifiutiGestione dei RSU nell’Europa a 27 Paesi – anno 2009, % in peso

Fonte: rielaborazione LEAP di dati Eurostat

•EU 27: 20% TU o inc., 38% discarica, 24% riciclo, 18% compost.•Italia: 12% TU o inc., 45% discarica, 11% riciclo, 32% compost.•Nei Paesi industrializzati la risorsa energetica potenziale a valle della RD è pari al 3-5% dei consumi di energia primaria(esclusi i trasporti)•In Italia: 4% - in realtàla risorsa è sfruttata solo al 10%

Gestione RSU EU 27 - anno 2009

0%

10%

20%

30%

40%

50%

60%

70%

80%

90%

100%

EU

27

Sve

zia

Dan

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land

aLu

ssem

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Rom

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Termoutilizzazione o Incenerimento Discarica Riciclo Compostaggio


LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 1

•Analisi energetica ed ambientale del termovalorizzatore per validarne i dati gestionali e il rispetto delle normative vigenti;

•Valutazione delle linee evolutive del sistema di raccolta dei RSU nel bacino della provincia di Piacenza;

•Analisi LCA del sistema di gestione complessivo per ricavere i principali indici di valutazione;

•Analisi bibliografica sugli effetti sulla salute riconducibili alle emissioni in atmosfera degli impianti di termoutilizzazione.

Studio svolto per conto di Tecnoborgo SpA:

RSU

Acciaio, Alluminio Vetro, Plastica Carta, Legno RICICLO

TERMOUTILIZZAZIONE RACCOLTA DIFFERENZIATA

COMPOSTAGGIO

Materiale intercettato

Materiale NON intercettato RUR

SEPARAZIONE DEL MULTIMATERIALE E SELEZIONE DI OGNI MATERIALE

Imballaggi selezionati

Materiale riciclato : sostituzione del prodotto primario

Compost : sostituzione di torba e concimi chimici

Scarti separazione e selezione

Scarti recupero

Energia elettrica : sostituzione di elettricità prodotta per via convenzionale

DISCARICA

Scorie e residui

trattamento fumi

FORSU Verde

Organico selezionato

A recupero

Ceneri


LEAP e rifiuti: analisi del sistema di gestione di Piacenza - 2

•Confronto fra scenario base con RD al 36% e scenario derivato con RD 50%, maggior sfruttamento capacitàautorizzata, innovazioni tecnologiche impianto;•Evidenti vantaggi in termini di riscaldamento globale grazie ad incremento del recupero di materia e riduzione conferimenti in discarica;•Maggior impatto evitato sulla salute umana evidenziato dall’indicatore sulla tossicità.

Risultati ambientali salienti dell’analisi LCA :

Nello scenario derivato maggiore sostenibilitàdel sistema integrato di gestione dei rifiuti.


LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 1

Obiettivi:•Analisi critica della fenomenologia;

•Caratterizzazione sperimentale di vari ambienti in termini di numero di particelle presenti e curva granulometrica;

•Misura delle emissioni da impianti di combustione, in particolare: Caldaie domestiche, Termovalorizzatori di RSU;

•Valutazione dei potenziali effetti di polveri fini ed ultrafini sulla salute umana.

Studio svolto per conto di Federambiente:

3 impianti rappresentativi delle moderne configurazioni:•Bologna;•Brescia;•Milano.


LEAP e rifiuti: emissioni di polveri fini ed ultrafini - 2

Risultati:•Polveri in tutti gli ambienti;•Tra le fonti tutti i processi di combustione;

90.000

10.000

21.000.000

14.000

51.000.00045.000.000

1.300.000

4.500 11.000

4.000

42.000

4.000.000

17.000.000

500.000

32.000

81.000.000

52.000.000 67.000.000

18.000

7.000

70.000

270.000

43.000.000

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Particelle cm

-3 (scala logaritm

ica)

Termovalorizzatori

Caldaie

Motori

DieselMotori

benzina

*FAP = filtro antiparticolato

•Difficoltà di misura, influenza fenomeni dell’atmosfera;•Allo stato delle conoscenze non esistono evidenze del legame termoutilizzatori-polveri fini.


Il Centro Studi MatER - Materia ed Energia da Rifiuti è una struttura recentemente costituita in seno al LEAP allo scopo di riunire in un unico soggetto enti di ricerca ed imprese che operano nel settore del recupero di materia ed energia dai rifiuti.

È partecipato da:

•Politecnico di Milano•Federambiente•A2A S.p.A.•Acegas-Aps S.p.A.•Asia-Napoli S.p.A.•Iren S.p.A. (fusione Enìa - Iride)•HERAmbiente S.p.A.•Veolia Servizi Ambientali S.p.A.•Veritas S.p.A.

Il nuovo Centro Studi MatER


Possibili interventi per annullare (quasi) totalmente le emissioni di CO2 in atmosfera:•Aumento quota rinnovabili;•Utilizzo fonte nucleare;•Applicazione di tecniche per il sequestro della CO2CCS (Carbon Capture and Sequestration): impianti alimentati mediante combustibili fossili che generano vettori energetici decarbonizzati (elettricità, calore e idrogeno) e, invece di rilasciare la CO2 generata in atmosfera, la rendono disponibile come flusso a sé stante, pronto per lo stoccaggio di lungo periodo.

Tecnologie per cattura e sequestro della CO2

idrocarburi

idrogeno

acqua

elettricitàcalore

CO2


L’accumulo di CO2 negli strati superficiali della crosta terrestre è un processo naturale che avviene da centinaia di milioni di anni dando vita a formazioni di carbonati minerali e a depositi di CO2 pura o in miscela.

Tecnologie per cattura e sequestro della CO2

Fonte: www.co2crc.com.au


Le tecniche di cattura rendono disponibili flussi di CO2 contaminata da diverse impurità e questo influisce sul progetto dei componenti (sistemi di separazione, compressori, tubazioni, ecc.) e sul comportamento durante l’iniezione e lo stoccaggio.

LEAP e CCS: il laboratorio CO2_Box

Fondamentale conoscere il comportamento termodinamico di queste miscele a base di CO2

Banco prova sperimentale per la determinazione delle proprietàtermodinamiche delle miscele a base CO2


Risultati: •Produzione scientifica; •Collaborazioni con altri centri di ricerca ed università.


In figura il confronto fra due modelli matematici (equazioni cubiche di Soave-Redlich-Kwong e di Peng-Robinson) in termini di accuratezza di predizione della densità di CO2 pura


Alcune considerazioni conclusive:1.Vantaggi • Energetici: risparmio energia primaria;• Ambientali: riduzione delle emissioni di inquinanti e gas serra;• Economici: interessanti prospettive di investimento.

2.Il LEAP opera su più fronti per ottenere un incremento di efficienza e sostenibilità degli impieghi energetici:• Energie rinnovabili;• Cogenerazione ed efficienza;• Gestione integrata del ciclo dei rifiuti;• Tecnologie per lo sfruttamento pulito dei combustibili fossili.

3.Data la forte multidisciplinarità del settore sono auspicabili rapporti di collaborazione fra enti con competenze differenziate, ad esempio per attività come:• Certificazione energetica;• Analisi del ciclo di vita (LCA);• Valutazione impronta ambientale di processi e prodotti.

Efficienza e sostenibilità dell’energia: conclusioni


GRAZIE PER L’ATTENZIONE!

Ing. Alberto Sogni – Consorzio [email protected]

www.leap.polimi.it

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